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        具有脈沖時(shí)滯和Holling Ⅲ型的捕食者食餌系統(tǒng)正周期解的存在性

        2016-02-09 09:28:34葉麗霞
        關(guān)鍵詞:數(shù)學(xué)系統(tǒng)

        葉麗霞,張 忠

        (1.武夷學(xué)院數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)學(xué)院,福建武夷山354300;2.重慶大學(xué)數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院,重慶400030)

        具有脈沖時(shí)滯和Holling Ⅲ型的捕食者食餌系統(tǒng)正周期解的存在性

        葉麗霞1,張 忠2

        (1.武夷學(xué)院數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)學(xué)院,福建武夷山354300;2.重慶大學(xué)數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院,重慶400030)

        利用重合度理論及Mawhin連續(xù)性定理,研究了一類(lèi)具有脈沖時(shí)滯和HollingⅢ類(lèi)功能反應(yīng)的捕食者食餌系統(tǒng)正周期解的存在性問(wèn)題,得到系統(tǒng)存在正周期解的充分條件,并推廣和改進(jìn)部分已有結(jié)果。

        脈沖效應(yīng);時(shí)滯;Holling Ⅲ型功能反應(yīng);重合度;正周期解

        近年來(lái),具有Holling功能反應(yīng)的生態(tài)系統(tǒng)模型及其變形引起了廣泛的關(guān)注。許多學(xué)者利用不同的方法研究了不同類(lèi)型功能反應(yīng)的捕食者-食餌系統(tǒng)的周期解的存在性[1-5]。另外,生態(tài)系統(tǒng)是漸變的系統(tǒng),無(wú)法避免外界突發(fā)干擾,因而廣泛存在時(shí)滯現(xiàn)象和脈沖效應(yīng),如環(huán)境突變,山洪、地震的爆發(fā),其他物種的遷入和人為添加種群幼崽,幼兒捕食者與成年捕食者捕食能力的不同等會(huì)導(dǎo)致種群數(shù)量許多出現(xiàn)瞬時(shí)變化,即表現(xiàn)為脈沖效應(yīng)。具有時(shí)滯和脈沖效應(yīng)的生態(tài)系統(tǒng)模型引起許多學(xué)者的關(guān)注,得到許多相關(guān)研究成果[6-11]。本文結(jié)合脈沖效應(yīng)和時(shí)滯因素及Holling Ⅲ型功能反應(yīng),利用用重合度理論及微分方程中的積分方法,得到了系統(tǒng)存在正周期解的一個(gè)充分條件。

        本文考慮食餌種群服從Logistic增長(zhǎng)、具有脈沖時(shí)滯和Holling Ⅲ型功能反應(yīng)的捕食系統(tǒng):

        其中:n∈Z+,0<m(t)<1;x(t),y(t)分別表示食餌、捕食者種群密度;cn,dn分別表示食餌、捕食者在t=tn的脈沖增長(zhǎng)率;其他參數(shù)的生態(tài)學(xué)含義參考文獻(xiàn)[2-4]。本文總是假設(shè):

        (A1)脈沖時(shí)刻{tn},n∈Z+滿足0=t0<t1<…<tn<…;

        (A2)存在正數(shù)ω>0和正整數(shù)p,使得

        (A3)函數(shù)a,d:R R;b,c,k,τ:R R+是連續(xù)ω-周期的,且假設(shè)系統(tǒng)(1)的系數(shù)都是嚴(yán)格正的ω周期函數(shù)。

        設(shè)X,Z是賦范向量空間,Ω為X的有界開(kāi)集,L:DomL?X→Z為線性映射,N:X→Z為連續(xù)映射,如果dim KerL=Co dim lm L<+∞,且lm L為Z中閉子集,則映射L稱為指標(biāo)為零的Fredholm映射。如果L是指標(biāo)為零的Fredholm映射,且存在連續(xù)投影:

        則L|DomL∩KerL(I-P)X→lm L可逆,設(shè)其逆映射為Kp。如果QN(ˉΩ)有界且KP(I-Q)N:ˉΩ→X是緊的,則稱N在ˉΩ上是L-緊的。由于lm Q與KerL同構(gòu),因而存在同構(gòu)映射J:lm Q→KerL。

        以下給出相關(guān)引理:

        引理1(Mawhin連續(xù)性定理)[10]記Ω?X是一有界開(kāi)集,L:Dom L?X→Y是一個(gè)指標(biāo)為零的Fredholm算子,N:X→Z為ˉΩ上的L-緊的,假設(shè)

        1)對(duì)任意λ∈(0,1),Lx→λNx的任意解滿足x??Ω;

        2)對(duì)任意x∈?Ω∩KerL,QNx≠0且deg{JQN,Ω∩KerL}≠0。

        那么算子方程Lx=Nx在DomL∩ˉΩ至少有一個(gè)解。

        引理2 在引理1條件1)和2)下,R2+是系統(tǒng)(1)的不變集。

        為方便,設(shè)J?R,記PC={g:J→R2|g(t)在t≠tk處連續(xù),在t=tk處左連續(xù),右極限存在}。對(duì)ω-周期函數(shù)g(t)和ω-周期序列{cn},{dn},本文采用以下記號(hào):

        利用上面的引理和記號(hào),討論系統(tǒng)(1)的周期解的存在性。

        則系統(tǒng)(1)至少存在一個(gè)ω-正周期解。

        證明 作變換x(t)=exp{u(t)},y(t)=exp{v(t)},則系統(tǒng)(1)等價(jià)于:

        設(shè):

        其中:

        因此,dim KerL=Co dim lm L<+∞且lm L在Z中是閉的,即L是一個(gè)指標(biāo)為零的Fredholm算子。對(duì)于U∈ X,V=(U,z1,…,zp)∈Z,定義連續(xù)投影算子P:X→X和Q:Z→Z為

        則lm P=KerL,lm L=KerQ=lm(I-Q),而且L|DomL∩KerP:(I-P)X→lm L存在逆映射,記為KP:lm L→ DomL∩KerP。對(duì)任意的V=(U,z1,…,zp)∈Z,必存在χ∈X,使得

        由此可知QN與Kp(I-Q)N是連續(xù)的。再根據(jù)Arzela-Ascoli定理,對(duì)?Ω?X有界開(kāi)集,易證緊算子。

        接下來(lái)估計(jì)使得引理1的2個(gè)條件成立的有界開(kāi)集Ω。不妨設(shè)Ω={U|‖U‖<H},其中H為待定的常數(shù)。

        對(duì)?λ∈(0,1),由算子方程LU=λNU,U∈X有

        式(2)從0到ω積分得:

        由式(2)和(4)有

        從而根據(jù)式(2)和(5)有

        由于(u,v)T∈X,則存在ξi,ηi∈[0,ω],i=1,2,使得

        由式(5)和(8)知

        所以:

        又由于

        且由式(4)和(10)可得

        因此有

        又由于

        且由式(4)、(10)和(11)可得

        則有

        所以:

        至此,對(duì)任意的λ∈(0,1),已對(duì)算子方程LU=λNU的解u(t),v(t)作了估計(jì),這里與λ無(wú)關(guān)。取其中H為充分大的數(shù),使由上面估計(jì)可知,任意λ∈(0,1),LU=λNU的任意解滿足x??Ω,即引理1的第一個(gè)條件成立。為了驗(yàn)證第2個(gè)條件,考慮關(guān)于(u,v)T∈R2的代數(shù)方程組:

        其中μ∈[0,1]。類(lèi)似上面的估計(jì)過(guò)程。容易證明對(duì)于?μ∈[0,1],方程(12)的解(u,v)T有界,實(shí)際上,它也滿足估計(jì):

        對(duì)于任意U∈?Ω∩KerL,因U=(u,v)T是R2中滿足‖U‖=H的常數(shù),則有

        由式(9)得,對(duì)任意的U∈?Ω∩KerL,都有QNU≠0。為了計(jì)算Brouwer度,構(gòu)造同構(gòu)變換G(μ,U)=μQNU+(1-μ)H(U),μ∈[0,1],這里U=(u,v)T且

        從式(12)可以看出:對(duì)任意U∈?Ω∩KerL和μ∈[0,1],都有G(μ,U)≠0。由假設(shè)得H(U)=0都有唯一解。由lm Q=KerL,取J=I,并利用同構(gòu)不變的性質(zhì)得deg{JQN,Ω∩KerL,0}=deg{QN,Ω∩KerL,0}=deg{N,Ω∩KerL,0}≠0。因此,驗(yàn)證了引理1的所有條件,從而LU=NU在DomL∩ˉΩ上至少有1個(gè)解(U*(t),V*(t))T,且也是方程(1)的周期解。所以(x*(t),y*(t))T=(exp{u*(t)},exp{v*(t)})T也是方程(1)的正周期解。證明完畢。

        [1] 范猛,王克.一類(lèi)具有HollingII型功能性反應(yīng)的捕食食餌系統(tǒng)全局周期解的存在性[J].數(shù)學(xué)物理學(xué)報(bào),2001,21A(4):492-497.

        [2] 葉丹,范猛,張偉鵬.一類(lèi)具有HollingII型功能性反應(yīng)的捕食食餌系統(tǒng)非平凡周期解的存在性[J].工程數(shù)學(xué)學(xué)報(bào),2004,21(4):504-508.

        [3] 任磊.一類(lèi)具有HollingII型功能性反應(yīng)的捕食食餌系統(tǒng)正周期解的存在性[J].魯東大學(xué)學(xué)報(bào),2008,24(3):199-202.

        [4] 唐小平,李靖云,高文杰.食餌被開(kāi)發(fā)并具有Holling Ⅲ型的捕食系統(tǒng)周期解的存在性[J].四川師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008,31(2):1001-8395.

        [5] 劉振杰,范鷹,于景偉.具有稀疏效應(yīng)和Holling Ⅲ類(lèi)功能性反應(yīng)的捕食者食餌模型周期解[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2007,12(2):63-65.

        [6] 譚遠(yuǎn)順,徐曉曼,夏江.一類(lèi)食餌具時(shí)滯與擴(kuò)散的非線性脈沖捕食系統(tǒng)正周期解存在性[J].生物數(shù)學(xué)學(xué)報(bào),2012,27(2):333341.

        [7] 楊志春.具有時(shí)變時(shí)滯和Holling-N類(lèi)功能反應(yīng)的脈沖捕食系統(tǒng)的周期解[J].數(shù)學(xué)的實(shí)踐與認(rèn)識(shí),38(16):85-91.

        [8] 徐炳祥,曾志軍.一類(lèi)具有Holling Ⅲ型功能性反應(yīng)的捕食者食餌系統(tǒng)的周期解的存在性[J].純粹數(shù)學(xué)與應(yīng)用數(shù)學(xué),2012,28(4):1008-5513.

        [9] 施秀蓮.一類(lèi)具有Holling Ⅲ型功能性反應(yīng)的捕食者食餌系統(tǒng)的周期解的存在性與穩(wěn)定性[J].應(yīng)用數(shù)學(xué)學(xué)報(bào),2011,34(2):272-282.

        [10]鐘秀敏,劉秀湘.脈沖時(shí)滯Hassell-Varley-Holling型功能性反應(yīng)的捕食者食餌系統(tǒng)的周期解存在的充要條件[J].應(yīng)用數(shù)學(xué)學(xué)報(bào),2012,35(2):297-308.

        [11]SHIHong-bo.permanence and periodic solutions of a delayed predator-prey system with impulse[J].ApplMath,2010,25(3):264-276.

        (責(zé)任編輯劉 舸)

        Existence of Periodic Solutions Holling Ⅲ Prey-Predator System w ith Tim e-Varying Delay

        YE Li-xia1,ZHANG Zhong2

        (1.Department of Mathematics and Computer,Wuyi University,Wuyishan 354300,China;2.Department of Mathematics and Statistics,Chongqing University,Chongqing 400030,China)

        :By utilizing Mawhin’s coindidence degree theory and Mawhin’s Continuity theorem,a criterion for the periodic solution of the Holling Ⅲ predator-prey systems with time-varying delay is further investigated.The criterion improves several recent works.The sufficient conditions for the existence of positive periodic solution of the system is presented.

        time-varying delay;HollingⅢfunctional response;coindidence degree theory;periodic solution

        O175

        A

        1674-8425(2016)12-0171-06

        10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.12.027

        2016-10-06

        國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目11202249);福建省??蒲谢鹳Y助項(xiàng)目(XL201508)

        葉麗霞(1987—),女,碩士,主要從事生物數(shù)學(xué)研究,E-mail:yelixia2015@126.com。

        葉麗霞,張忠.具有脈沖時(shí)滯和Holling Ⅲ型的捕食者食餌系統(tǒng)正周期解的存在性[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)),2016(12):171-176.

        format:YE Li-xia,ZHANG Zhong.Existence of Periodic Solutions Holling Ⅲ Prey-Predator System with Time-Varying Delay[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science),2016(12):171-176.

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