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  数学物理学报  2015, Vol. 35 Issue (1): 15-28   PDF (376 KB)    
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王菲
王静
具有疾病和Holling II功能反应的捕食者-食饵扩散模型的分析
王菲, 王静    
东北师范大学 数学与统计学院
摘要    :该文主要研究一类带有疾病和Holling II功能反应的捕食者-食饵扩散模型的动力学行为.通过特征方程理论和Laypunov函数方法研究了非负平衡点的稳定性. 通过不等式技巧和最大值原理对给定的系统建立先验估计.此外,还获得了一些关于非常值正解存在性和不存在性的结果.
关键词捕食者-食饵模型     反应-扩散     疾病     HollingII功能反应    
Analysis of A Diffusive Predator-prey Model with Disease and Holling II Functional Response
WANG Fei, WANG Jing    
School of Mathematics and Statistics, Northeast Normal University, Changchun
Abstract    : This paper is concerned with the dynamical behaviors of a diffusive predator-prey system with disease and Holling II functional response. We discuss the stability of the nonnegative constant steady states by using the characteristic equation technique and Laypunov functional method. Priori estimates for the system is given by inequality technique and Maximum Principle. Furthermore, we derive some results for the non-existence and existence of non-constant positive solution.
Key words: Predator-prey model     Reaction-diffusion     Disease     Holling II functional response    
1 引言

生态学和传染病学是两个重要的研究领域.生态流行病学是理论生物学的 一个比较新的研究分支,通过处理生态学和传染病学的问题来处理这种情 况. 它可以被看做是生态学中的捕食者-食饵(竞争)模型和传染病学中 的SI,SIS或SIRS模型的结合. 了解捕食者与食饵的动力学关系是种群 动力学的主要目的之一. 传染病在捕食者-食饵系统中也有很重要的 影响[1, 2, 3, 4]. 捕食者-食饵的另一个重要关系是捕食者捕食食饵 的捕食率,也就是捕食者的功能性反应. 文献[5]研究了一个 具有传染率,疾病发作率等等的捕食者功能性反应的寄主-寄生虫-捕食者 模型动力学行为. 根据下面的假设生态流行病模型 {dSdt=rS(1S+IK)λISh(S)P,[3mm]dIdt=λISβIPμI,[3mm]dPdt=θβIPδP+θh(S)P.(1.1) 系统(1.1)在初值条件 S(0)>0; I(0)>0; P(0)>0 情况下进行分析. 系统的平衡点已经由文献[5]给出,也是系统稳定性的条件.

众所周知,扩散在决定捕食者-食饵模型的动力学行为中扮演重 要的角色[6, 7, 8]. 因为种群密度通常不是齐次分布,实际上捕食者和 食饵的自然发展策略是幸存. 扩散可以描述捕食者和食饵种群密度不同时 种群的移动也不相同这一个复杂情况. 文献[]研究了一个具有疾 病和扩散的Holling I捕食者-食饵模型. 文献[11]研究了一个具有疾 病和扩散的比率依赖捕食者-食饵模型.

考虑到在一个固定的有界区域Ω内,对于任意给定的时刻 t种群的分布不均匀,这里ΩRN,(N1).而且, 根据下面的假设,h(u1)是系统(1.1)的Holling II功能性反应项. 对系统(1.1)进行无量纲化 u1=SK,u2=IK, u3=PK,τ=λKt,b=rλK, d=βλ,e=μλK, g=δλK,l=Ka, m=αλa. 我们把τ仍记为t,得到 下面反应扩散类型的PDE系统 {u1td1u1=bu1[1(u1+u2)]u1u2mu1u31+lu1,[3mm]u2td2u2=u1u2du2u3eu2,xΩ,t>0,[3mm]u3td3u3=mu1u31+lu1du2u3gu3,[3mm]u1v=u2v=u3v=0,xΩ,t>0,[2mm]u1(x,0),u2(x,0),u3(x,0)0,xΩ,(1.2) 这里是Laplace算子,ΩRN中边界光滑的区域, νΩ的单位外法向量. 正常数d1, d2, d3 是扩散系数,并且有初值ui(x,0) (i=1,2,3)是连续函数. 通 过文献[5]可知系统(1.2)存在五个平衡点,分别为 E0=(0,0,0), E1=(1,0,0), E2=(e,b(1e)b+1,0), E3=(gmgl,0,b(mglg)(mgl)2), E=(u1,u2,u3), 其中 u2=1d[mu11+lu1g],    u3=u1ed, 其中u1满足方程 bdlu12[bd(l1)+(b+1)glm(b+2)]u1[me+(b+1)g+bd]=0.(1.3) 平衡点E0,E1对于所有的参数值总是存在的; E2存在当且仅当e<1; E3存在当且仅当m>g(l+1); 系统的唯一正平衡点E存在当且仅当下列条件成立 g(l+1)<m<gl(b+1)+bd(l1)b+2,    u1>max{e,gmgl},  e<1.(1.4)

本文的主要目的之一是研究系统(1.2)的正稳态解 的存在性和不存在性,也就是下面椭圆系统的非常值正解的存在性与不存在性 {d1u1=bu1(1u1)(b+1)u1u2mu1u31+lu1,[3mm]d2u2=u1u2du2u3eu2,xΩ,[3mm]d3u3=mu1u31+lu1du2u3gu3,[3mm]u1ν=u2ν=u3ν=0,xΩ.(1.5)

文章剩余部分大体由以下几部分构成. 在第二部分, 通过线性化局部分析证明非负平衡点的局部渐进稳定性. 在第三部分, 对正稳态解的上下界进行先验估计. 在第四部分, 通过构造适当的Lyapunov函数证明了非负平衡点的全局渐进稳定性. 在第五、 六部分,我们研究了非常值正解的存在性和不存在性.

2 平衡点的稳定性

文献[5]中, 作者研究了系统(1.1)中非负平衡点的稳定性.本文研究系统(1.2)非负 平衡点的稳定性. 令0=μ1<μ2<μ3<ΔΩ中的特征根,并且具有齐次Neumann边界条件,令 X={(u1,u2,u3)[C1(ˉΩ)]3|u1ν=u2ν=u3ν=0, xΩ},X=i=1Xi,这里 Xiμi对应的特征空间.~

对系统(1.2)的右端求导可得 Gu()=:(a11  a12  a13a21a22a23a31a32a33)=(b2bu1(b+1)u2mu31+lu1+mu1u3(1+lu1)2(b+1)u1mu11+lu1[2mm]u2 u1du3e du2mu31+lu1mu1u3(1+lu1)2du3mu11+lu1du2g).

定理2.1    系统(1.2)的平衡点具有以下性质

(i)~ E0是不稳定的;

(ii)~ 当e>1,m<g(1+l)成立时,E1是渐进稳定的;

(iii)~ 当m<g(1+le)e成立时,E2是渐进稳定的;

(iv)~ 当g(1+el)e<m<gl(1+l)l1,l12l<e<1,g(1+l)<m<gl(1+l)l1,e>1成立时,E3是渐进稳定的.

    下面仅对(ii)进行证明,其余的证明类似.

(ii)~ 令 D=diag(d1,d2,d3),L=DΔ+Gu(E1). 系统(1.2)在E1的线性化系统为 ut=Lu. 对于任意的i1,Xi在算子L下是不变的. 这意味着λLXi上的特征值当且仅当λ是矩阵 μiD+fu(u1,u2,u3)的特征值. μiD+fu(u1,u2,u3)的特征多项式为 Ψi(λ)=λ3+B1iλ2+B2iλ+B3i, 这里 B1i=μi(d1+d2+d3)+A1, B2i=μ2i(d1d2+d1d3+d1d3)μi[d1(a22+a33)+d3(a11+a22)+d2(a11+a33)]+A2, B3i=μ3id1d2d3μ2i(d1d2a33+d2d3a11+d1d3a22)+μi(d1a22a33+d2a11a33+d3a11a22)+A3, A1=(a11+a22+a33), A2=a11a22+a22a33+a11a33, A3=det{Gu(E1)}, 其中 {a11=b<0,  a12=(b+1)<0,  a13=m1+l<0,a21=0,  a22=1e<0,  a23=0,[2mm]a31=0,  a32=0,  a33=m1+lg<0,(2.1) 所以有A1>0,A2>0,A3>0,B1i>0,B3i>0, B1iB2iB3i=M1μ3i+M2μ2i+M3μi+A1A2A3, 其中 M1=(d2+d3)(d1d2+d1d3+d2d3)+d1(d1d2+d1d3)>0, M2=[a11(d1d2+d2d3)+a22(d1d2+d2d3)+a33(d1d3+d2d3)](d1+d2+d3)[d1(a22+a33)+d2(a11+a33)+d3(a11+a22)]>0, M3=2(d1+d2+d3)(a11a22+a11a33+a22a33)+(d2+d3)a211+(d1+d3)a222+(d1+d2)a233>0, A1A2A3>0.

于是,对于任意的i0,B1iB2iB3i>0,则由Routh-Hurwitz判据可知 Ψi(λ)=0的三个根λi,1,λi,2,λi,3都具有负实部.

下面证明存在一个正常数δ使得 Re{λi,1},Re{λi,2},Re{λi,3}δ,i1.(2.2) 因此,令λ=μiζ,则 Ψi(λ)=μ3iζ3+B1iμ2iζ2+B2iμiζ+B3i~Ψi(ζ). 因为当i时,μi,limi+{~Ψi(ζ)/μ3i}=ζ3+(d1+d2+d3)ζ2+(d1d2+d2d3+d3d1)ζ+d1d2d3ˉΨ(ζ). 应用Routh-Hurwitz判据可得ˉΨ(ζ)=0的三个根都具有负实部. 因此,存在一个正常数ˉδ使得 Re{ζ1}, Re{ζ2}, Re{ζ3}ˉδ. 由连续性, 我们有i0,使得~Ψi(ζ)=0的三个根ζi,1,ζi,2,ζi,3满足 Re{ζi,1}, Re{ζi,2}, Re{ζi,3}ˉδ2, ii0. 从而有 Re{λi,1}, Re{λi,2}, Re{λi,3}μiˉδ2, ii0.˜δ=max1ii0{Re{λi,1},  Re{λi,2}, Re{λi,3}},˜δ>0,δ=min{˜δ, ˉδ2} 时, (2.2)式成立.因此, L的包含特征值的谱位于{Reλδ},E1的局部稳定性得证.

注 正平衡点E的稳定性需要进一步研究, 这里只给出关于Gu(E)的一些结果. 通过直接计算有 a11=u1d(1+lu1)2[bdl2u12+u1(m2bdl)(bd+me)]. 而且,a11<0等价于 bdl2u12+u1(m2bdl)(bd+me)<0.(2.3) {a11<0,  a12=(b+1)u1<0,  a13=mu11+lu1<0,[3mm]a21=u2>0,  a22=u1du1ede=0,  a23=du2<0,[3mm]a31=m(u1e)[1+(l1)u1]d(1+lu1)2>0,  a32=du3<0,[3mm]a33=mu11+lu1d1d[mu11+lu1g]g=0.(2.4) 同时有 detGu(E)=a11a23a32+a12a23a31+a13a21a32>0.

3 正稳态解的有界性

这部分的主要目的是给出系统(1.5)正解的上下界的先验估计. 为了这个目的,我们首先引用下面已知的一些结果:

引理3.1    [12]ωC2(Ω)C1(ˉΩ)ω(x)+c(x)ω(x)=0的解,其中cC(ˉΩ), ω满足齐次Neumann边界条件,则存在一个正常数C, 其中C只依赖于α,当cα时, 有maxΩˉωCminˉΩω.

引理3.2    [13]g(x,ω)C(Ω×R1),bj(x)C(ˉΩ),j=1,2,N,

(I)~ 如果ω(x)C2(Ω)C1(ˉΩ)Ω上满足ω(x)+Nj=1bj(x)ωxj+g(x,ω(x))0,在Ω上满足ω/ν0ω(x0)=maxˉΩω,则g(x0,ω(x0))0.

(II)~ 如果ω(x)C2(Ω)C1(ˉΩ)Ω上满足ω(x)+Nj=1bj(x)ωxj+g(x,ω(x))0,在Ω上满足 ω/ν0ω(x0)=minˉΩω,则g(x0,ω(x0))0.

为了简便,定义常数(d1,d2,d3)=d,(b, d, e,g,m1)=Λ.下面给出系统(1.5)正稳态解的有界性.

定理3.1    (上界) 如果(u1,u2,u3) 是系统(1.5)的正解, 则 maxˉΩu1(x)1,maxˉΩu2(x)4ed1+bd24ed2(b+1),maxˉΩu3(x)4gd1+bd34gd3.(3.1)

    首先直接对系统(1.5)用最大值原理有 d1u1=bu1(1u1)(b+1)u1u2mu1u31+lu1bu1(1u1) 使得maxˉΩu1(x)1.

ω1=d1u1+(b+1)d2u2,{ω1=bu1(1u1)mu1u31+lu1d(b+1)u2u3e(b+1)u2,  xΩ,ω1ν=0,xΩ.(3.2) 如果ω1(x0)=maxΩω1(x),由引理3.2可得 e(b+1)u2(x0)bu1(1u1)mu1u31+lu1d(b+1)u2u3b4, 进而可得 (b+1)d2maxˉΩu2(x)maxΩω1(x)=d1u1(x0)+(b+1)d2u2(x0)d1+bd24e=4ed1+bd24e, 因此 maxˉΩu2(x)4ed1+bd24ed2(b+1).ω2=d1u1+d3u3, 我们有 {ω2=bu1(1u1)(b+1)u1u2du2u3gu3,  xΩ,ω2ν=0,xΩ.(3.3) 如果ω2(x0)=maxΩω2(x), 由引理3.2可得 gu3(x0)bu1(1u1)(b+1)u1u2du2u3b4, 进而可得 d3maxˉΩu3(x)maxΩω2(x)=d1u1(x0)+d3u3(x0)d1+bd34g=4gd1+bd34g, 因此 maxˉΩu3(x)4gd1+bd34gd3 . 证毕.

定理3.2     (下界) 设Λ,d_1,d_2,d_3是正数,如果 Ab<1e, (b+1)A24bl[mBb+A(b+1)]<0, (3.4) 其中 A=4ed1+bd24ed2(b+1), B=4gd1+bd34gd3, (d1,d2,d3)[d_1,)×[d_2,)×[d_3,). 那么,存在一个正常数C_=C_(Λ,d_1,d_2,d_3),使得系统(1.5)的正解u1,u2,u3满足minˉΩui>C_, i=1,2,3.

     令 c1(x)=d11[b(1u1)(b+1)u2mu31+lu1], c2(x)=d12[u1du3e], c3(x)=d13[mu11+lu1du2g]. 由(3.1)式可知,当d1,d2,d3>¯d时, 存在一个常数¯C(¯d,Λ)使得c1,c2,c3¯C. 由于u1,u2,u3 满足ui+ci(x)ui=0,uiν=0,(i=1,2,3). 根据引理3.1可知存在一个正常数C=C(Λ,¯d) 使得maxˉΩuiCminˉΩui, i=1,2,3.

应用反证法, 假设存在一个序列(d1i,d2i,d3i), 使得系统(1.5)对应的正解(u1i,u2i,u3i)满足maxˉΩu1i0 或者maxˉΩu2i0 或者maxˉΩu3i0,i.\\ 由引理3.2可得u1i1. 分部积分可得 {Ωbu1i(1u1i)(b+1)u1iu2imu1iu3i1+lu1idx=0,[3mm]Ωu1iu2idu2iu3ieu2idx=0,[3mm]Ωmu1iu3i1+lu1idu2iu3igu3i=0,   i=1,2,3.(3.5) 由椭圆方程的标准正则定理可知存在(u1i,u2i,u3i) 的一个子序列,这里仍记为(u1i,u2i,u3i), 以及三个非负函数u1,u2,u3C2(¯Ω), 使得在[C2(¯Ω)]3中, (u1i,u2i,u3i)(u1,u2,u3),i. 由(3.5)式可得u10u20u30.

进一步,令(d1i,d2i,d3i)(¯d1,¯d2,¯d3)[d_1,)×[d_2,)×[d_3,), 其中¯d1,¯d2,¯d3满足(3.4)式. 由(3.5)式可得,当i时, {Ωbu1(1u1)(b+1)u1u2mu1u31+lu1dx=0,[3mm]Ωu1u2du2u3eu2dx=0,[3mm]Ωmu1u31+lu1du2u3gu3=0.(3.6)

我们考虑以下三种情况.

第一种情况: u10, u2>0,u3>0.

由于当i时,u1iu1, 故u1idu3ie<0, 0=d2iΩνu2idS=d2iΩΔu2idx=Ωu2i(u1idu3ie)dx<0,i1, 产生矛盾.

第二种情况: u20,u1>0,u3>0.

u1,u2,u3满足 d1u1=u1[b(1u1)(b+1)u2mu31+lu1], u1ν=0.u1(x0)=minˉΩu1(x), 由引理3.2可得 b(1u1(x0))(b+1)u2(x0)mu3(x0)1+lu1(x0)0, 于是bu1(x0)b(b+1)u2(x0)mu3(x0)1+lu1(x0)b(b+1)AmB1+lu1(x0),blu1(x0)2+(b+1)Au1(x0)+mB[b(b+1)A]1+lu1(x0)0.u2i的微分方程在Ω上分部积分有 0=d2iΩνu2idS=d2iΩΔu2idx=Ωu2i(u1idu3ie)dx>0,  i1, 产生矛盾.

三种情况: u30,u1>0,u2>0.

u1,u2满足d1u1=u1[b(1u1)(b+1)u2],  u1ν=0.u1(x0)=minˉΩu1(x),通过引理3.2有 b(1u1(x0))(b+1)u2(x0)b4ed1+bd24ed2, 则有minˉΩu1(x)14ed1+bd24bed2. 由于¯d1,¯d2满足(3.4)式, 易得u1idu3ie>0,i1.u2i的微分方程在Ω上分部积分有 0=d2iΩνu2idS=d2iΩΔu2idx=Ωu2i(u1idu3ie)dx>0, i1, 矛盾产生,证毕.

4 平衡点的全局稳定性

定理4.1     当e>1, m<g(1+l)成立时, 系统(1.2)的常值解(1,0,0)是全局渐近稳定的.

     为了研究系统(1.2)的稳定性,考虑下面辅助系统 {ω1td1Δω1=bω1(1ω1)(b+1)ω1ω2,ω2td2Δω2=ω1ω2eω2,[2mm]ω1ν=ω2ν=0,    xΩ,[2mm]ω1(x,0)0,ω2(x,0)0.(4.1) 定义下面Lyapunov函数 V(t)=Ω(ω11lnω1)dx+(b+1)Ωω2dx, 则我们有 V(t)=Ωω11ω1ω1tdx+(b+1)Ωω2tdx=Ω{d1(ω11)ω1ω1+(ω11)[b(1ω1)(b+1)ω2]}dx+(b+1)Ω(d2ω2+ω1ω2eω2)dxbΩ(ω11)2dx(e1)(b+1)Ωω2dx0. 由定理3.1有 limt+ω112=0,limt+ω202=0. 因此,取ε>0充分小,T, 使得当t>T时有ω1(x,t)1+ε, ω2(x,t)0+ε=ε. 通过比较原理, (1.2)式的任意正解满足u1(x,t)ω1(x,t)1+ε, u2(x,t)ω2(x,t)0+ε. 因此 {u3td3u3=u3(mu11+lu1du2g)u3[m(1+ε)1+l(1+ε)g],  xΩ,[3mm]u3ν=0,xΩ, t>T,[3mm]u3(x,T)>0,xΩ.ω3(t)=ω3[m(1+ε)1+l(1+ε)g], 可得ω3(t)=ec[m(1+ε)1+l(1+ε)g]t, 其中 m(1+ε)1+l(1+ε)g<0如果m<g(1+l)并且ε充分小. 故 limt+ω3(t)=0. 因为u3(x,t)ω3(t), 通过比较原理可得limt+u3(x,)=0. 因此 limt+(u1(x,t),u2(x,t),u3(x,t))(1,0,0)=0. 证毕.

下面定理的证明与定理4.1类似.

定理4.2     当e>1,m<g(1+le)e时,(1.2)式的 平衡点(e,b(1e)b+1,0)是全局渐近稳定的.

5 非常值正解的不存在性

这部分,研究系统(1.5)非常值正解的不存在性. 定理5.1     令d2,d3是 固定的常数, 并且满足d2μ1>1e, d3μ1>m1+lg, 则存在一个正常数d1=d1(Λ,d2,d3), 使得当didi(i=1,2,3)时, 系统(1.5)没有非常值正解.

    uiL1(Ω), 令ui=1|Ω|Ωuidx. 首先, 在(1.5)式两端同时乘以uiˉui, 然后积分有 3i=1Ωdi|ui|2dx=3i=1ΩGi(ui)(uiˉui)dx=3i=1Ω(Gi(ui)Gi(ˉui))(uiˉui)dx.(5.1) 利用Young's不等式 |ab|1p|a|p+1q|b|q,  1p+1q=1,3i=1Ω(Gi(ui)Gi(ˉui))(uiˉui)dx=Ω[bbu1bˉu1(b+1)u2mu3(1+lu1)(1+lˉu1)](u1ˉu1)2dx+Ω(u1du3e)(u2ˉu2)2dx+Ω(mu11+lu1du2g)(u3ˉu3)2dx+Ω[(b+1)ˉu1+ˉu2](u1ˉu1)(u2ˉu2)dx+Ω(mˉu11+lˉu1+mˉu3(1+lu1)(1+lˉu1))(u1ˉu1)(u3ˉu3)dxΩ(dˉu2+dˉu3)(u2ˉu2)(u3ˉu3)dxΩb(u1ˉu1)2dx+Ω(u1e)(u2ˉu2)2dx+Ω(mu11+lu1g)(u3ˉu3)2dx+Ω[(b+1)ˉu1+ˉu2](u1ˉu1)(u2ˉu2)dx+Ω(mˉu11+lˉu1+mˉu3(1+lu1)(1+lˉu1))(u1ˉu1)(u3ˉu3)dxΩ(dˉu2+dˉu3)(u2ˉu2)(u3ˉu3)dxΩ[(b+C1+C2)(u2ˉu2)2+(1e+ε1)(u2ˉu2)2+(m1+lg+ε2)(u3ˉu3)2]dx, 其中ε1,ε2是由Young's不等式引 起的任意小的正常数, C1=C1(Λ,d2,d3,ε1), C2=C2(Λ, d2,d3,ε2).

由Poincare不等式μ1Ω(fˉf)2dxΩ|f|2dx,我们有 μ13i=1Ωdi|ui|2dxΩ[(b+C1+C2)(u2ˉu2)2+(1e+ε1)(u2ˉu2)2+(m1+lg+ε2)(u3ˉu3)2]dx. 选取足够小的ε2,ε2>0使得μ1d21e+ε1,μ1d3m1+lg+ε2,积分上面不等式可得u2ˉu2 常量, u3ˉu3 常量, 如果d1>d1μ11(b+C1+C2),u1ˉu1 常量. 证毕.

6 非常值正解的存在性

d 本部分我们研究系统(1.5)在E=u=(u1,u2,u3 )的线性化. 令X如第二部分定义,且定义 X+={uX|ui>0  on  ˉΩ,i=1,2,3},B(C)={uX|C1<ui<C  on  ˉΩ,i=1,2,3}. 则系统(1.5)可以被记为 {DΔu=G(u),  xΩ,νu=0,    xΩ,(6.1) u是系统(1.5)的一个正解当且仅当 在X+ F(u)u(IΔ)1{D1G(u)+u}=0, 其中(IΔ)1(IΔ)的逆. 由于F()是恒同算子的紧摄动,如果在BF(u)0,对任意的B=B(c) Leray-Schauder度deg(F(),0,B)有定义. 进一步,我们有 DuF(u)=I(IΔ)1{D1Gu(u)+I}, 如果DuF(u)可逆,Fu的指数定义为 index(F(),u)=(1)γ,其中γDuF(u)的负特征根的个数.

首先,对任意的整数i>0和整数1jdimE(μi),XijDuF(u)下是不变的. 并且λDuF(u)Xij上的特征值,当且仅当它是下面矩阵的特征值. I11+μi[D1Gu(u)+I]=11+μi[μiID1Gu(u)]. 因此,DuF(u)是可逆的,当且仅当对所有的i0, 矩阵I11+μi[D1Gu(u)+I]是非奇异的. 定义 H(μ)=H(u;μ)det{μID1Gu(u)}=1d1d2d3det{μDGu(u)}.(6.2) 如果H(μi)0,则对任意的1jdimE(μi),DuF(u)Xij上的负特征根的个数为奇数等价于H(μi)<0. 因此我们可以得到下面的结果.

引理6.1     假设对i0,矩阵μiID1Gu(u)是非奇异的,则 index(F(),u)=(1)σ, 其中 σ=Σi0,H(μi)<0dimE(μi).

为了计算(F()u)的指数, 我们需要考虑H(μi)的符号 det{μDGu(u)}=A3(d2)μ3+A2(d2)μ2+A1(d2)μdetGu(u)A(d2;μ),(6.3) 其中 A3(d2)=d1d2d3, A2(d2)=a11d2d3, A1(d2)=a12a21d3a13a31d2a23a32d1, det{Gu(u)}=a11a23a32+a12a23a31+a13a21a32, 这里aij在第二部分中已给出.

首先我们考虑Ad2的关系. 令˜μ1(d2),˜μ2(d2),˜μ3(d2)A (d2;μ)=0的三个根, 且Re˜μ1(k)Re˜μ2(k)Re˜μ3(k).˜μ1(d2)˜μ2(d2)˜μ3(d2)=det{Gu(u)}. 由于det{Gu(u)}<0,  A3(d2)>0. 因此˜μ1(d2),˜μ2(d2),˜μ3(d2)之一是正实数,并且另外两个的乘积是负数. 考虑下面的极限 limd2+A3(d2)d2=d1d3,  limd2+A2(d2)d2=d3a11,  limd2+A1(d2)d2=a13a31, limd2+A(d2;μ)d2=d1d3μ3d3a11μ2a13a31μ=μ(d1d3μ2d3a11μa13a31),

如果参数Λ,d1,d3满足 d32a112+4d1d3a13a31>0, 我们可以得到下面的引理.

引理6.2nbsp;    如果(1.4),(2.4)式成立,且C1<ru1(α1)bR,则存在一个正数D2, 使得当d2D2时, A(d2;μ)=0的三个根˜μ1(d3),˜μ2(d3),˜μ3(d3)都是实的且满足 limd2+˜μ1(d2)=12d1d2[d3a11d32a112+4d1d3a13a31]<0,[3mm]limd2+˜μ2(d2)=12d1d2[d3a11+d32a112+4d1d3a13a31]<0,[3mm]limd2+˜μ3(d2)=0=˜μ.(6.4) 进一步,如果<˜μ1(d2)<˜μ2(d2)<0<˜μ3(d2),μ(,˜μ1(d2))(˜μ2(d2),˜μ3(d2)),  A(d2;μ)<0,μ(˜μ1(d2),˜μ2(d2))(˜μ3(d2),+),  A(d2;μ)>0.(6.5)

d2足够大,则存在Λ,di,i=1,3使得系统(1.5)至 少有一个非常值正解.

定理6.1    假设参数Λ,d1,d3固定, ˜μ(μ0,μ1)σ0=dimi0,H(μi)<0E(μi)是奇数, 则存在一个正常数D2,使得当d2D2时, 系统(1.5)至少有一个非常值正解.

    通过引理6.2可知,存在一个正常数D2使 得当d2D2时,(6.5)式成立并且     0=μ0<˜μ3(d2)<μ1.(6.6) 要证明d2D2,系统(1.5)至少有一个非常值正解.

我们将基于拓扑度的同伦不变性,利用反证法来证明. 假设存在d2=~d2D2使得结论不成立. 固定d2=~d2, d2=2eμ1,

由定理5.1, 存在一个正常数D1=D1(Λ,d2,d3), ^d2d2, ^d3max{d3,d3}, ^d1max{D1, d1}. 对于$t\in[0, 1],{D}(t)={\rm diag}(d_{1}(t),~d_{2}(t),~d_{3}(t))d_{i}(t)=td_{i}+(1-t)\hat{d_{i}},i=1,2,3. {D(t)Δu=G(u),  xΩ,νu=0,xΩ.(6.7){\bf u}(1.5){\bf u}(6.7)t=1.0\leq t\leq 1,{\bf u}^{*}$是方程(6.7)的唯一正常值解.

对任意的0t1,u是方程(6.7) 的正解当且仅当 在X+F(t;u)u(IΔ)1{D1(t)G(u)+u}=0. 显然F(1;u)=F(u), 由定理5.1可知F(0;u)=F(u)=0X+中只有正解u,直接计算可得 DuF(t;u)=I(IΔ)1{D1(t)Gu(u)+I}. 特别地, DuF(0;u)=I(IΔ)1{˜D1Gu(u)+I}, DuF(1;u)=I(IΔ)1{D1Gu(u)+I}=DuF(u). 其中ˆD=diag(^d1,^d2,^d3). 由(6.2), (6.3)式可知 H(μ)=1d1d2d3A(d2;μ),(6.8) 由(6.5), (6.6)式通过直接计算有 {H(μ0)=H(0)<0,H(μi)>0,  i1.(6.9) 因此, 对任意的i0,0不是矩阵 μiID1Gu(u)的特征值, 且有 Σi0,H(μi)<0dimE(μi)=ni=1dimE(μi)=σn    是奇数. 由引理6.1有 index(F(1;),u)=(1)γ=(1)σn=1.(6.10)

类似地我们可以证明 index(F(0;),u)=(1)0=1.(6.11) 通过定理3.1, 存在一个正常数C使得对所有的0t1, (6.7)的正解满足C1<u1,u2,u3<C. 因此,在B(c)上,对所有的C1<u1,u2,u3<C,F(t;u)0. 由拓扑度的同伦不变性可知     deg(F(1;),0,B(c))=deg(F(0;),0,B(c)).(6.12) 另一方面,通过假设,方程 F(1;u)=0F(0;u)=0B(c)都只有一个正解,因此, 通过(6.10)和(6.11) 式 deg(F(0;),0,B(c))=index(F(0;),u)=(1)0=1, deg(F(1;),0,B(c))=index(F(1;),u)=(1)0=1. 这与(6.12)式矛盾, 证毕.

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