朱春苗,趙維銳
(武漢理工大學(xué)理學(xué)院,湖北 武漢 430070)
近年來,各種時(shí)滯微分方程模型在生態(tài)系統(tǒng)的研究中被提出來,如人口動(dòng)力學(xué)模型和傳染病模型等。1980年GURNEY[1]等建立了一個(gè)數(shù)學(xué)模型來描述Nicholson果蠅的動(dòng)力學(xué)性質(zhì),即:
在過去的幾十年里,Nicholson果蠅微分方程已經(jīng)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步,并已有不少研究結(jié)果,參見文獻(xiàn)[2-4]。2010 年BEREZANSKY 等[5]寫了一篇關(guān)于Nicholson果蠅微分方程的評(píng)論性文章,提出了以下模型:
式中:P>0為按種群數(shù)量計(jì)算每天平均產(chǎn)卵率的最大值;1/α>0為以最大產(chǎn)卵率繁殖的種群數(shù)量;δ>0為成蟲每天的平均死亡率;τ為成長(zhǎng)期,或一次產(chǎn)卵所用的時(shí)間;H>0為收獲率;σ為成熟期。
對(duì)于上述Nicholson果蠅模型,在文獻(xiàn)[6-8]中已經(jīng)得到了正平衡點(diǎn)的全局吸引性的相關(guān)結(jié)果。近年來,一些學(xué)者研究了具有時(shí)滯的Nicholson果蠅模型的正周期解的存在性[9-10]。然而,很少有文章討論具有時(shí)滯和收獲項(xiàng)的Nicholson果蠅模型的正周期解的存在性。因此,筆者研究了一類具有時(shí)滯和收獲項(xiàng)的Nicholson果蠅模型,即:
(A2) g∈C(R+× R+,R+),且 g(t,u)對(duì)第一變量為 ω 周期函數(shù),對(duì)?t,u>0,有 0<l≤g(t,u)≤L < ∞ 且 l,L 為正常數(shù)。
設(shè)(X,‖·‖)為賦范線性空間,閉凸子集K?X非空,稱K是X中的一個(gè)錐。如果對(duì)?λ∈R+,有λK?K并且K∩(-K)={0}。為了方便起見,引入以下標(biāo)記:
為了獲得主要結(jié)果,先作一些準(zhǔn)備,并引用有名的Krasnoselskii不動(dòng)點(diǎn)定理。
引理1Krasnoselskii不動(dòng)點(diǎn)定理[11-12]設(shè)X為一個(gè)Banach空間,K?X且K是一個(gè)錐,假設(shè)Ω1,Ω2為 X 中的兩個(gè)有界開集,且全連續(xù),如果下列條件之一滿足:
(1)‖Φx‖≤‖x‖,?x∈K∩?Ω1,并且‖Φx‖≥‖x‖,?x∈K∩?Ω2;
(2)‖Φx‖≥‖x‖,?x∈K∩?Ω1,并且‖Φx‖≤‖x‖,?x∈K∩?Ω2。
則Φ在K∩(Ω2Ω1)中有一個(gè)不動(dòng)點(diǎn)。
令:
定義:
那么X是一個(gè)Banach空間,如果x(t)∈X為式(3)的正周期解,則有:
在[t,t+ω]上對(duì)式(6)的兩邊同時(shí)取積分,則可得到:
現(xiàn)在,選擇定義一個(gè)錐:K={x∈X:x(t)≥0,x(t)≥ρ‖x‖},并且在錐K中定義一個(gè)算子Φ:X→X,則:
引理2假定(A1)和(A2)成立,則ΦK?K。
證明對(duì)于?x∈K,由式(8)和式(9),易知:
因此,ΦK?K。
引理3Φ:K→K是全連續(xù)映射。
證明設(shè)首先證明Φ是連續(xù)的。對(duì)于?M>0,ε>0,存在一個(gè) γ >0,使得 φ,ψ∈K,‖φ‖≤M,‖ψ‖≤M,并且由‖φ-ψ‖<γ,可以推出:
假設(shè) x,y∈K,‖x‖≤M,‖y‖≤M,并且當(dāng)‖x-y‖≤γ時(shí),由式(8)~式(10)可知:
因此,Φ是連續(xù)的。
接著證明映射Φ是緊算子,即映射Φ可以將有界集映為相對(duì)緊集。不妨任取有界開集S={x∈X:‖x‖≤N}。對(duì)?x∈S,由式(8)和式(9)可知:
接著,對(duì)?t∈[0,ω],x∈S,由式(9)易知:
因此,ΦS?X是一致有界且等度連續(xù)的。則由Ascoli-Arzela定理可知,算子Φ是緊的,并且是全連續(xù)的。引理3得證。
通過使用Krasnoselskii不動(dòng)點(diǎn)定理(見引理1),研究式(3)的正周期解的存在性問題,并得到以下結(jié)果。
定理1假定(A1)-(A2)成立,且有:
則式(3)至少存在一個(gè)ω正周期解。
證明由式(11),可以定義:
如果 x=x(t)∈K∩?Ω1,那么:
緊接著,定義:
如果 x=x(t)∈K∩?Ω2,那么:
顯然,Ω1和Ω2是有界開集X的一部分,且有0∈Ω1??Ω2。另外,Φ:K∩(Ω1)→K 是全連續(xù)算子,并且Φ滿足引理1中條件(2)。由引理1可知,存在一個(gè)x=x(t)∈K(Ω1),使得x(t)=(Φx)(t),即x(t)是式(3)的ω正周期解。則定理1得證。
不失一般性,在式(3)中假定 H[t,x(t)]=0和m=1,則有:
推論1假設(shè)(A1)和ω >σ(σ -1),那么式(12)至少有一個(gè)ω正周期解。
以下給出兩個(gè)例子驗(yàn)證先前給出的結(jié)論。
例1考慮下面的微分方程:
例2考慮以下微分方程:
圖1 式(14)解的數(shù)值模擬
然而,在文獻(xiàn)[13]中,假設(shè)(A1)和 P(t)>δ(t),t∈[0,ω],則式(12)至少存在一個(gè) ω 正周期解。令t=7/8,則P(t)<δ(t),因此文獻(xiàn)中的推論不能應(yīng)用到式(14)中。
另一方面,文獻(xiàn)[14]得到以下結(jié)論:若有(A1)和ωP*>σ(σ-1)成立,則式(12)至少存在一個(gè)ω正周期解。但是,因此,文獻(xiàn)中的定理也不能應(yīng)用到式(14)中。
從以上兩個(gè)具體的例子,說明筆者得出的結(jié)果對(duì)具有時(shí)滯和收獲項(xiàng)的Nicholson果蠅模型周期正解的存在性提出了新的標(biāo)準(zhǔn),并且改進(jìn)了文獻(xiàn)[13-14]的結(jié)論。
具有時(shí)滯和收獲項(xiàng)的Nicholson果蠅微分方程的非自治模型經(jīng)常應(yīng)用在一段時(shí)間內(nèi)的人口最優(yōu)控制問題中,通過錐上不動(dòng)點(diǎn)定理,得到了式(3)的正周期解存在的充分條件,幾個(gè)例子和數(shù)值模擬充分驗(yàn)證了分析結(jié)果。盡管沒有涉及到正周期解的穩(wěn)定性,但是數(shù)值模擬顯示了這個(gè)模型的正周期解是穩(wěn)定的。因此筆者的結(jié)論不僅證明了正周期解的存在性,而且說明它是穩(wěn)定的。
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