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        具有變時(shí)滯階段結(jié)構(gòu)捕食系統(tǒng)的全局吸引性

        2014-08-05 02:40:18伍代勇
        關(guān)鍵詞:平衡態(tài)食餌時(shí)滯

        伍代勇

        安慶師范學(xué)院 數(shù)學(xué)與計(jì)算科學(xué)學(xué)院,安徽 安慶 246133

        具有變時(shí)滯階段結(jié)構(gòu)捕食系統(tǒng)的全局吸引性

        伍代勇

        安慶師范學(xué)院 數(shù)學(xué)與計(jì)算科學(xué)學(xué)院,安徽 安慶 246133

        1 引言

        1990年,Aiello和Freedman在文獻(xiàn)[1]中提出了如下具有階段結(jié)構(gòu)的單種群系統(tǒng):

        隨后具有階段結(jié)構(gòu)捕食系統(tǒng)被廣泛研究[2-9]。文獻(xiàn)[3]研究了一類具有時(shí)滯和脈沖擾動(dòng)下的相互干擾階段結(jié)構(gòu)捕食-被捕食系統(tǒng)。受文獻(xiàn)[3]啟發(fā),本文將研究如下具有變時(shí)滯的相互干擾階段結(jié)構(gòu)捕食系統(tǒng)。

        其中α,β,γ,di,ci>0,i=1,2,0<m<1,τ(t)為[0,+∞)上非負(fù)有界連續(xù)函數(shù)且τ1=inft≥0(τ(t))>0,記τ0=supt≥0(τ(t)),x1表示幼年食餌種群密度,x表示成年食餌種群密度,y表示捕食種群密度,α表示食餌種群的出生率,γ表示幼年食餌種群的死亡率,β表示食餌種群由幼年轉(zhuǎn)化為成年的轉(zhuǎn)化率,τ(t)表示食餌種群幼年的成熟周期,d1表示成年食餌種群的死亡和內(nèi)部競爭率,m表示相互干擾常數(shù),c1表示捕食種群捕獲成年食餌的捕獲率,c2/c1表示捕食種群捕獲食餌后轉(zhuǎn)化自身的轉(zhuǎn)化率,d2表示捕食種群的死亡率。

        考慮到種群的生態(tài)意義,假設(shè)系統(tǒng)式(1)滿足如下初始條件:

        2 基本引理

        引理1若 α>β,則系統(tǒng)式(1)有唯一正平衡態(tài)(x1*,x*,y*),其中x*為方程:

        引理2對(duì)于任意的t≥0,系統(tǒng)式(1)滿足初始條件式(2)的任意解為正的且最終有界。

        證明 先證 x(t)>0(t≥0)。反證,若不然,則存在t′>0,使得 x(t′)=0。記t0=inf{t>0|x(t)=0},則t0>0。由系統(tǒng)式(1)的第二個(gè)方程得:

        x′(t0)=βx(t0-τ(t0))>0

        這與t0的定義矛盾。所以對(duì)?t>0,有 x(t)>0??紤]方程:

        所以u(píng)(τ2)=0。因此,u(t)>0,t∈[0,τ2)。類似文獻(xiàn)[10],由微分不等式比較原理和歸納法可得x1(t)>0,t≥0。考慮系統(tǒng)式(1)的第三個(gè)方程,積分可得:

        從而得到系統(tǒng)式(1)滿足初始條件式(2)的任意解為正。

        下證系統(tǒng)式(1)正解的有界性。令

        因此可得系統(tǒng)式(1)的正解有界。

        引理4(見文獻(xiàn)[11])考慮微分方程 z′(t)=zm(t)(baz1-m(t)),其中a,b>0,0<m<1,z(0)>0,則

        則代數(shù)方程組:

        有唯一正解(x*,x*)。

        3 全局吸引性

        定理1若

        則系統(tǒng)式(1)在初始條件式(2)下的任意解(x1(t),x(t),y(t))滿足(x1(t),x(t),y(t))=(x1*,x*,y*)。

        將式(5)代入系統(tǒng)式(1)的第三個(gè)方程得:

        考慮系統(tǒng)式(1)的第一個(gè)方程,當(dāng)t>0時(shí),可得:

        對(duì)式(13)兩邊同時(shí)取極限得:

        從而得到定理1的證明。

        4 數(shù)值模擬

        例1考慮如下系統(tǒng):

        故系統(tǒng)式(14)滿足定理1的條件。通過數(shù)值模擬(見圖1,圖2),可以看出在不同初始條件下系統(tǒng)式(14)的解皆趨向平衡態(tài)(0.626 1,0.939 2,0.416 5)。

        圖1 系統(tǒng)式(14)中τ(t)=時(shí)的模擬圖

        圖2 系統(tǒng)式(14)中τ(t)=2+sint時(shí)的模擬圖

        5 結(jié)束語

        本文主要利用微分不等式比較原理和迭代法得到了一類具有變時(shí)滯相互干擾階段結(jié)構(gòu)捕食系統(tǒng)平衡態(tài)全局吸引性的充分條件。該系統(tǒng)通過變時(shí)滯τ(t)體現(xiàn)了幼年食餌種群的成熟周期隨著時(shí)間變化而變化。

        [1]Aiello W G,F(xiàn)reedman H I.A time-delay model of singlepecies growth stage structure[J].Math Biosci,1990,101(2):139-153.

        [2]Wang W,Chen L.A predator-prey with stage-structure for predator[J].Computer Math Appl,1997,33(3):83-91.

        [3]Zhu G,Meng X,Chen L.The dynamics of a mutual interference age structured predator-prey model with time delay and impulsive perturbations on predators[J].Appl Math Comput,2010,216(1):308-316.

        [4]Xu R,Chaplain M A J,Davidson F A.A Lotka-Volterra type food chain model with stage structure and time delays[J].J Math Anal Appl,2006,315(1):90-105.

        [5]Xu R,Ma Z.Stability and Hopf bifurcation in a predatorprey model with stage structure for the predator[J].Nonlinear Analysis:Real World Applications,2008,9(4):1444-1460.

        [6]Shi X,Zhou X,Song X.Analysis of a stage-structured predator-prey model with Crowley-Martin function[J].J Appl Math Comput,2011,36(1):459-472.

        [7]Liu M,Wang K.Global stability of stage-structured predator-prey models with Beddington-DeAngelis functional response[J].Commun Nonlinear Sci Numer Simulat,2011,16(9):3792-3797.

        [8]Sun X,Huo H,Ma C.Hopf bifurcation and stability in predator-prey model with a stage-structured for prey[J]. Appl Math Comput,2013,219(20):10313-10324.

        [9]Kar T K,Soovoojeet J.Stability and bifurcation analysis of a stage structured predator prey model with time delay[J]. Appl Math Comput,2012,219(8):3779-3792.

        [10]Song X,Chen L.Optimal harvesting and stability for a two-species competitive system with stage structure[J]. Math Biosci,2001,170(2):173-186.

        [11]Wang K.Permanence and global asymptotical stability of a predator-prey model with mutual interference[J].Nonlinear Analysis:Real World Applications,2011,12(2):1062-1071.

        [12]Chen F,Chen Y,Guo S,et al.Global attractivity of a generalized lotka-volterra competition model[J].Differ Equ Dyn Syst,2010,18(3):303-315.

        [13]Saito Y,Takeuchi Y.A time-delay model for prey-predator growth stage structure[J].Canad Appl Math Quart,2003,11(3):293-302.

        [14]Xiao Y,Chen L.Global stability of a predator-prey system with stage structure for the predator[J].Acta Math Sin:Eng Ser,2003,19(2):1-11.

        [15]Song X,Chen L.A predator-prey system with stage-structured and harvesting for prey[J].Acta Math Appl Sin,2002,18(3):423-430.

        WU Daiyong

        School of Mathematics and Computational Science,Anqing Normal University,Anqing,Anhui 246133,China

        This paper studies a mutual interference stage structured predator-prey system with varying delay.By using the comparison principle of differential inequations and an iteration scheme,a set of sufficient conditions are obtained for the global attractivity of a unique positive equilibrium of the system.An example with its numerical simulations shows the feasibility of the main results.

        stage structure;mutual interference;global attractivity;predator-prey;varying delay

        研究了一類具有變時(shí)滯相互干擾階段結(jié)構(gòu)捕食系統(tǒng)。利用微分不等式比較原理和迭代法得到了系統(tǒng)平衡態(tài)全局吸引的充分條件,通過舉例并進(jìn)行數(shù)值模擬驗(yàn)證了結(jié)論的可行性。

        階段結(jié)構(gòu);相互干擾;全局吸引性;捕食-被捕食;變時(shí)滯

        A

        O175.1;O242.1

        10.3778/j.issn.1002-8331.1302-0185

        WU Daiyong.Global attractivity of stage structured predator-prey system with varying delay.Computer Engineering and Applications,2014,50(24):50-53.

        安徽省高等學(xué)校省級(jí)自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No.KJ2013Z186,No.KJ2011A197)。

        伍代勇(1979—),男,副教授,研究方向:生物數(shù)學(xué)模型及計(jì)算機(jī)仿真。E-mail:wudy9901@163.com

        2013-02-27

        2013-07-01

        1002-8331(2014)24-0050-04

        CNKI網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版:2013-08-05,http∶//www.cnki.net/kcms/detail/11.2127.TP.20130805.0943.005.html

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