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        基于首次積分和向量場的二維Lotka-Volterra系統(tǒng)的穩(wěn)定性

        2016-01-08 03:37:34唐曉偉
        關(guān)鍵詞:向量場穩(wěn)定性

        基于首次積分和向量場的二維Lotka-Volterra系統(tǒng)的穩(wěn)定性

        唐曉偉1,2

        ( 1.齊魯師范學(xué)院 數(shù)學(xué)學(xué)院,山東 濟(jì)南 250200; 2.山東師范大學(xué) 數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院,山東 濟(jì)南 250014 )

        摘要:為研究二維Lotka-Volterra系統(tǒng)平衡點(diǎn)的穩(wěn)定性問題,利用首次積分和向量場給出了平衡點(diǎn)一致穩(wěn)定的充分條件,同時(shí)將結(jié)論推廣到一般的二維系統(tǒng)中,并用實(shí)例驗(yàn)證了本文結(jié)論的有效性.

        關(guān)鍵詞:Lotka-Volterra系統(tǒng); 首次積分; 向量場; 穩(wěn)定性

        收稿日期:2015-05-13

        基金項(xiàng)目:山東省青少年教育科學(xué)規(guī)劃課題(15BSH278);齊魯師范學(xué)院校級青年教師項(xiàng)目(2014L1002)

        文章編號:1004-4353(2015)03-0203-04

        中圖分類號:O175.31

        Stability of a two-dimensional Lotka-Volterra system with first integral and vector field

        TANG Xiaowei1,2

        ( 1.MathematicalSchool,QiluNormalUniversity,Jinan250200,China;

        2.SchoolofMathematicalScience,ShandongNormalUniversity,Jinan250014,China)

        Abstract:To study the stability for two-dimensional Lotka-Volterra,the sufficient condition of the stability for two-dimensional Lotka-Volterra system was given by using first integral and vector field. Then the conclusion was extended to general two-dimensional systems and the effectiveness was verified by an example.

        Key words: Lotka-Volterra system; first integral; vector field; stability

        在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生物資源的管理中,維持某一種群系統(tǒng)內(nèi)部的平衡對保持整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的平衡具有重要的作用,因此需要人們根據(jù)種群系統(tǒng)所反饋的各種信息來制定相應(yīng)的管理決策,以保證生物物種的多樣性和生產(chǎn)的可持續(xù)性.文獻(xiàn)[1-3]通過李雅普諾夫函數(shù)研究了Lotka-Volterra系統(tǒng)平衡點(diǎn)的穩(wěn)定性問題,但由于在構(gòu)造李雅普諾夫函數(shù)時(shí)存在較多困難,上述文獻(xiàn)中構(gòu)造的李雅普諾夫函數(shù)不具有通用性.文獻(xiàn)[4]研究了一類Lotka-Volterra系統(tǒng)的首次積分的存在性,并利用首次積分研究了平衡點(diǎn)的穩(wěn)定性問題.文獻(xiàn)[5]給出了Lambert W函數(shù)的定義,并將系統(tǒng)首次積分的表達(dá)式作為其李雅普諾夫函數(shù),結(jié)合Lambert W函數(shù)的性質(zhì)討論了可求得首次積分的Lotka-Volterra系統(tǒng)的周期解的存在性和穩(wěn)定性問題,但是并不是所有的Lotka-Volterra系統(tǒng)都能夠?qū)懗銎涫状畏e分的表達(dá)式.C.Albert等[6-7]在研究非線性擾動系統(tǒng)的全局相切性和橫截性時(shí)提出了一種基于首次積分和向量場的方法,這種方法能夠避免構(gòu)造李雅普諾夫函數(shù)時(shí)所存在的困難,同時(shí)還適用于首次積分不存在的系統(tǒng).鑒于此,本文利用首次積分和向量場研究了一類二維Lotka-Volterra系統(tǒng)平衡點(diǎn)的穩(wěn)定性,給出了系統(tǒng)平衡點(diǎn)一致穩(wěn)定的充分條件,并將結(jié)果推廣到一般的二維非線性系統(tǒng)中,最后用實(shí)例驗(yàn)證了結(jié)論的有效性.

        1預(yù)備知識和基本結(jié)果

        令R2表示二維歐式空間,‖·‖表示R2中的范數(shù).考慮如下的兩種群Lotka-Volterra系統(tǒng):

        (1)

        其中:x(t)表示食餌(害蟲)的種群數(shù)量;y(t)表示捕食者(天敵)的種群數(shù)量;a,b,c,d為正常數(shù).

        (2)

        (3)

        定義1(i) 對?ε>0,?t0≥0,若存在δ=δ(t0,ε)>0,使得當(dāng)‖X0‖<δ時(shí),有‖X(t)‖<ε,t≥t0成立,其中X(t)=X(t,t0,X0)表示系統(tǒng)(3)的過(t0,X0)的解,則稱系統(tǒng)(3)的零解是穩(wěn)定的;(ii) 若(i)中的δ與t0無關(guān),則稱系統(tǒng)(3)的零解是一致穩(wěn)定的.

        定義2定義K類函數(shù)如下:

        K={a(s)|a∶[0,+∞)→[0,+∞),a(0)=0,a(s)關(guān)于s連續(xù)且嚴(yán)格單調(diào)遞增}.

        定理1系統(tǒng)(3)的零解是穩(wěn)定的.

        證明證明取引理2中的H(x,y)作為李雅普諾夫函數(shù)即可.

        2主要結(jié)果及其證明

        考慮具有擾動的兩種群Lotka-Volterra系統(tǒng):

        (4)

        定理2若系統(tǒng)(4)滿足對?ε>0,存在σ=σ(ε)>0及函數(shù)k(s)∈K,使得當(dāng)X∈∪(0;ε)時(shí),H(X)∈[H0,H0+σ);當(dāng)H(X)∈[H0,H0+σ)時(shí),X∈∪(0;k(ε)),且對?X∈Ω,t∈[0,+∞)有DH(X)·h(t,X)≤0成立,則系統(tǒng)(4)的零解是一致穩(wěn)定的.

        證明對?ε>0,t0≥0,設(shè)X(t)是系統(tǒng)(4)經(jīng)過(t0,X0)的解,于是DH(X(t))·h(t,X(t))≤0.對?t≥t0,將上式兩端分別在[t0,t]上積分,得

        對上述的ε>0,t0≥0,取0<δ

        更一般地,考慮具有擾動的二維微分系統(tǒng):

        (5)

        其中g(shù)(t,X)在[0,+∞)×Ω上是連續(xù)的,Ω是R2中的一個(gè)包含原點(diǎn)的開集.不妨假設(shè)系統(tǒng)(5)的零解存在,且對系統(tǒng)(5)做如下假設(shè):

        (H1)g(t,X)可寫成p(X)與q(t,X)之和,且p(X)關(guān)于X在Ω內(nèi)是可積的,q(t,X)關(guān)于X在Ω內(nèi)可以不可積;

        (H3) 令F(0)=F0,且F0是F(X),X∈Ω的唯一最大(最小)值.

        定理3系統(tǒng)(5)的零解是一致穩(wěn)定的,若系統(tǒng)(5)滿足(H1)—(H3),且

        (i) 當(dāng)F0是F(X),X∈Ω的最小值時(shí),對?ε>0,存在σ=σ(ε)>0及函數(shù)α(s)∈K,使得當(dāng)X∈∪(0;ε)時(shí),F(X)∈[F0,F0+σ);當(dāng)F(X)∈[F0,F0+σ)時(shí),X∈∪(0;α(ε)),且對?X∈Ω,t∈[0,+∞)有DF(X)·q(t,X)≤0成立;

        (ii) 當(dāng)F0是F(X),X∈Ω的最大值時(shí),對?ε>0,存在σ=σ(ε)>0及函數(shù)β(s)∈K,使得當(dāng)X∈∪(0;ε)時(shí),F(X)∈(F0-σ,F0];當(dāng)F(X)∈(F0-σ,F0]時(shí),X∈∪(0;β(ε)),且對?X∈Ω,t∈[0,+∞)有DF(X)·q(t,X)≥0成立.

        證明只需證明當(dāng)F0是F(X),X∈Ω的最大值時(shí)的情形即可,當(dāng)F0是F(X),X∈Ω的最小值時(shí)的證明與之類似,故省略.

        對?ε>0,t0≥0,設(shè)X(t)是系統(tǒng)(5)經(jīng)過(t0,X0)的解.由條件(ii)知DF(X(t))·q(t,X(t))≥0.對?t≥t0,將上式兩端分別在[t0,t]上積分,得

        對上述的ε>0,t0≥0,取0<δF0-σ,故‖X(t)‖<β(ε),t≥t0,而β(s)∈K,從而系統(tǒng)(5)的零解是一致穩(wěn)定的.

        例1考慮如下的具擾動的二維微分系統(tǒng):

        (6)

        參考文獻(xiàn):

        [1]ShairAhmad,AlancLazer.AverageconditionsforglobalasymptoticstabilityinanonautonomousLotka-Volterrasystem[J].NonlinearAnalysis,2002,40(1):37-49.

        [2]ShairAhmad,IvankaMStamova.AsympoticstabilityofN-dimensionalimpulsivecompetitivesystem[J].NonlinearAnalysis,2007,8(2):654-663.

        [3]ZhaoJingdong,GuoXin,Hanzhixia,etal.AverageconditionsforcompetitivesysteminanonautonomoustwodimensionalLotka-Volterrasystem[J].MathematicalandComputerModeling,2013,57(5):1131-1138.

        [4]TangSY,XiaoYN,ChenL,etal.Integratedpestmanagementmodelsandthedynamicalbehavior[J].BulletinofMathematicalBiology,2005,67(1):115-135.

        [5]TangSY,ChenL.Modellingandanalysisofintegratedpestmanagementstrategy[J].DiscreteandContinuousDynamicsSystem,2004,4(3):759-768.

        [6]AlbertCLuoJ.Atheoryforn-dimensionalnonlineardynamicsoncontinuousvectorfields[J].CommunicationsinNonlinearScienceandNumericalSimulation,2007,12(2):117-194.

        [7]AlbertCLuoJ.ContinuousDynamicalSystems[M].Beijing:HigherEducationPress,2012.

        [8]宋新宇,郭紅建,師向云.脈沖微分方程理論及其應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2011:208-209.

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