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(1−S+IK)−λIS−h(S)P,[3mm]dIdt=λIS−βIP−μI,[3mm]dPdt=−θβIP−δP+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Ω⊂RN,(N≥1).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 {u1t−d1△u1=bu1[1−(u1+u2)]−u1u2−mu1u31+lu1,[3mm]u2t−d2△u2=u1u2−du2u3−eu2,x∈Ω,t>0,[3mm]u3t−d3△u3=mu1u31+lu1−du2u3−gu3,[3mm]∂u1∂v=∂u2∂v=∂u3∂v=0,x∈∂Ω,t>0,[2mm]u1(x,0),u2(x,0),u3(x,0)≥0,x∈Ω,(1.2) 这里△是Laplace算子,Ω是RN中边界光滑的区域, ν是Ω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(1−e)b+1,0), E3=(gm−gl,0,b(m−gl−g)(m−gl)2), E∗=(u∗1,u∗2,u∗3), 其中 u∗2=1d[mu∗11+lu∗1−g], u∗3=u∗1−ed, 其中u∗1满足方程 bdlu∗12−[bd(l−1)+(b+1)gl−m(b+2)]u∗1−[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(l−1)b+2, u∗1>max{e,gm−gl}, 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 {−d1△u1=bu1(1−u1)−(b+1)u1u2−mu1u31+lu1,[3mm]−d2△u2=u1u2−du2u3−eu2,x∈Ω,[3mm]−d3△u3=mu1u31+lu1−du2u3−gu3,[3mm]∂u1∂ν=∂u2∂ν=∂u3∂ν=0,x∈∂Ω.(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.
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<⋯是 −Δ在Ω中的特征根,并且具有齐次Neumann边界条件,令 X={(u1,u2,u3)∈[C1(ˉΩ)]3|∂u1∂ν=∂u2∂ν=∂u3∂ν=0, x∈∂Ω}, 且X=∞⨁i=1Xi,这里 Xi是μi对应的特征空间.~
对系统(1.2)的右端求导可得 Gu(⋅)=:(a11 a12 a13a21a22a23a31a32a33)=(b−2bu1−(b+1)u2−mu31+lu1+mu1u3(1+lu1)2−(b+1)u1−mu11+lu1[2mm]u2 u1−du3−e −du2mu31+lu1−mu1u3(1+lu1)2−du3mu11+lu1−du2−g).
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)l−1,l−12l<e<1, 或 g(1+l)<m<gl(1+l)l−1,e>1成立时,E3是渐进稳定的.
证 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i⩾1,Xi在算子L下是不变的. 这意味着λ是L 在Xi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=μ3id1d2d3−μ2i(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=1−e<0, a23=0,[2mm]a31=0, a32=0, a33=m1+l−g<0,(2.1) 所以有A1>0,A2>0,A3>0,B1i>0,B3i>0, B1iB2i−B3i=M1μ3i+M2μ2i+M3μi+A1A2−A3, 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, A1A2−A3>0.
于是,对于任意的i≥0,B1iB2i−B3i>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,∀i≥1.(2.2) 因此,令λ=μiζ,则 Ψi(λ)=μ3iζ3+B1iμ2iζ2+B2iμiζ+B3i≜~Ψi(ζ). 因为当i→∞时,μi→∞,故 limi→+∞{~Ψi(ζ)/μ3i}=ζ3+(d1+d2+d3)ζ2+(d1d2+d2d3+d3d1)ζ+d1d2d3≜ˉΨ(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, ∀i⩾i0. 从而有 Re{λi,1}, Re{λi,2}, Re{λi,3}⩽−μiˉδ2, ∀i⩾i0. 令−˜δ=max1⩽i⩽i0{Re{λi,1}, Re{λi,2}, Re{λi,3}}, 则˜δ>0,当δ=min{˜δ, ˉδ2} 时, (2.2)式成立.因此, L的包含特征值的谱位于{Reλ⩽−δ}, 则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=u∗1d(1+lu∗1)2[−bdl2u∗12+u∗1(m−2bdl)−(bd+me)]. 而且,a11<0等价于 −bdl2u∗12+u∗1(m−2bdl)−(bd+me)<0.(2.3) {a11<0, a12=−(b+1)u∗1<0, a13=−mu∗11+lu∗1<0,[3mm]a21=u∗2>0, a22=u∗1−du∗1−ed−e=0, a23=−du∗2<0,[3mm]a31=m(u∗1−e)[1+(l−1)u∗1]d(1+lu∗1)2>0, a32=−du∗3<0,[3mm]a33=mu∗11+lu∗1−d1d[mu∗11+lu∗1−g]−g=0.(2.4) 同时有 detGu(E∗)=−a11a23a32+a12a23a31+a13a21a32>0.
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] 令ω∈C2(Ω)∩C1(ˉΩ)是△ω(x)+c(x)ω(x)=0的解,其中c∈C(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‖c‖∞≤α时, 有maxΩˉω≤C∗minˉΩω.
引理3.2 [13] 令g(x,ω)∈C(Ω×R1),bj(x)∈C(ˉΩ),j=1,2,⋯N,
(I)~ 如果ω(x)∈C2(Ω)∩C1(ˉΩ)在 Ω上满足△ω(x)+N∑j=1bj(x)ωxj+g(x,ω(x))≥0,在∂Ω上满足∂ω/∂ν≤0 且ω(x0)=maxˉΩω,则g(x0,ω(x0))≥0.
(II)~ 如果ω(x)∈C2(Ω)∩C1(ˉΩ) 在Ω上满足△ω(x)+N∑j=1bj(x)ωxj+g(x,ω(x))≤0,在∂Ω上满足 ∂ω/∂ν≥0且ω(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)
证 首先直接对系统(1.5)用最大值原理有 −d1△u1=bu1(1−u1)−(b+1)u1u2−mu1u31+lu1⩽bu1(1−u1) 使得maxˉΩu1(x)⩽1.
令ω1=d1u1+(b+1)d2u2, 则 {−△ω1=bu1(1−u1)−mu1u31+lu1−d(b+1)u2u3−e(b+1)u2, x∈Ω,∂ω1∂ν=0,x∈∂Ω.(3.2) 如果ω1(x0)=maxΩω1(x),由引理3.2可得 e(b+1)u2(x0)⩽bu1(1−u1)−mu1u31+lu1−d(b+1)u2u3⩽b4, 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). 令ω2=d1u1+d3u3, 我们有 {−△ω2=bu1(1−u1)−(b+1)u1u2−du2u3−gu3, x∈Ω,∂ω2∂ν=0,x∈∂Ω.(3.3) 如果ω2(x0)=maxΩω2(x), 由引理3.2可得 gu3(x0)⩽bu1(1−u1)−(b+1)u1u2−du2u3⩽b4, 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<1−e, (b+1)A2−4bl[mB−b+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.
证 令 c1(x)=d−11[b(1−u1)−(b+1)u2−mu31+lu1], c2(x)=d−12[u1−du3−e], c3(x)=d−13[mu11+lu1−du2−g]. 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,∂ui∂ν=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maxˉΩui⩽C∗minˉΩui, 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maxˉΩu1i→0 或者maxˉΩu2i→0 或者maxˉΩu3i→0,i→∞.\\ 由引理3.2可得u1i⩽1. 分部积分可得 {∫Ωbu1i(1−u1i)−(b+1)u1iu2i−mu1iu3i1+lu1idx=0,[3mm]∫Ωu1iu2i−du2iu3i−eu2idx=0,[3mm]∫Ωmu1iu3i1+lu1i−du2iu3i−gu3i=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,u3∈C2(¯Ω), 使得在[C2(¯Ω)]3中, (u1i,u2i,u3i)→(u1,u2,u3),i→∞. 由(3.5)式可得u1≡0 或u2≡0 或u3≡0.
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(1−u1)−(b+1)u1u2−mu1u31+lu1dx=0,[3mm]∫Ωu1u2−du2u3−eu2dx=0,[3mm]∫Ωmu1u31+lu1−du2u3−gu3=0.(3.6)
我们考虑以下三种情况.
第一种情况: u1≡0, u2>0,u3>0.
由于当i→∞时,u1i→u1, 故u1i−du3i−e<0, 0=d2i∫∂Ω∂νu2idS=−d2i∫ΩΔu2idx=∫Ωu2i(u1i−du3i−e)dx<0,i≫1, 产生矛盾.
第二种情况: u2≡0,u1>0,u3>0.
u1,u2,u3满足 −d1△u1=u1[b(1−u1)−(b+1)u2−mu31+lu1], ∂u1∂ν=0. 令u1(x0)=minˉΩu1(x), 由引理3.2可得 b(1−u1(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)A−mB1+lu1(x0), 则blu1(x0)2+(b+1)Au1(x0)+mB−[b−(b+1)A]1+lu1(x0)⩾0. 对u2i的微分方程在Ω上分部积分有 0=d2i∫∂Ω∂νu2idS=−d2i∫ΩΔu2idx=∫Ωu2i(u1i−du3i−e)dx>0, i≫1, 产生矛盾.
三种情况: u3≡0,u1>0,u2>0.
u1,u2满足−d1△u1=u1[b(1−u1)−(b+1)u2], ∂u1∂ν=0. 令u1(x0)=minˉΩu1(x),通过引理3.2有 b(1−u1(x0))−(b+1)u2(x0)⩾b−4ed1+bd24ed2, 则有minˉΩu1(x)⩾1−4ed1+bd24bed2. 由于¯d1,¯d2满足(3.4)式, 易得u1i−du3i−e>0,i≫1. 对u2i的微分方程在Ω上分部积分有 0=d2i∫∂Ω∂νu2idS=−d2i∫ΩΔu2idx=∫Ωu2i(u1i−du3i−e)dx>0, i≫1, 矛盾产生,证毕.
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.
证 为了研究系统(1.2)的稳定性,考虑下面辅助系统 {ω1t−d1Δω1=bω1(1−ω1)−(b+1)ω1ω2,ω2t−d2Δω2=ω1ω2−eω2,[2mm]∂ω1∂ν=∂ω2∂ν=0, x∈∂Ω,[2mm]ω1(x,0)⩾0,ω2(x,0)⩾0.(4.1) 定义下面Lyapunov函数 V(t)=∫Ω(ω1−1−lnω1)dx+(b+1)∫Ωω2dx, 则我们有 V′(t)=∫Ωω1−1ω1ω1tdx+(b+1)∫Ωω2tdx=∫Ω{d1(ω1−1)△ω1ω1+(ω1−1)[b(1−ω1)−(b+1)ω2]}dx+(b+1)∫Ω(d2△ω2+ω1ω2−eω2)dx≤−b∫Ω(ω1−1)2dx−(e−1)(b+1)∫Ωω2dx⩽0. 由定理3.1有 limt→+∞‖ω1−1‖2=0,limt→+∞‖ω2−0‖2=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 {u3t−d3△u3=u3(mu11+lu1−du2−g)⩽u3[m(1+ε)1+l(1+ε)−g], x∈Ω,[3mm]∂u3∂ν=0,x∈∂Ω, t>T,[3mm]u3(x,T)>0,x∈Ω. 令ω′3(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(1−e)b+1,0)是全局渐近稳定的.
这部分,研究系统(1.5)非常值正解的不存在性. 定理5.1 令d∗2,d∗3是 固定的常数, 并且满足d∗2μ1>1−e, d∗3μ1>m1+l−g, 则存在一个正常数d1=d1(Λ,d∗2,d∗3), 使得当di≥d∗i(i=1,2,3)时, 系统(1.5)没有非常值正解.
证 ∀ui∈L1(Ω), 令ui=1|Ω|∫Ωuidx. 首先, 在(1.5)式两端同时乘以ui−ˉui, 然后积分有 3∑i=1∫Ωdi|∇ui|2dx=3∑i=1∫ΩGi(ui)(ui−ˉui)dx=3∑i=1∫Ω(Gi(ui)−Gi(ˉui))(ui−ˉui)dx.(5.1) 利用Young's不等式 |ab|⩽1p|a|p+1q|b|q, 1p+1q=1, 有 3∑i=1∫Ω(Gi(ui)−Gi(ˉui))(ui−ˉui)dx=∫Ω[b−bu1−bˉu1−(b+1)u2−mu3(1+lu1)(1+lˉu1)](u1−ˉu1)2dx+∫Ω(u1−du3−e)(u2−ˉu2)2dx+∫Ω(mu11+lu1−du2−g)(u3−ˉu3)2dx+∫Ω[−(b+1)ˉu1+ˉu2](u1−ˉu1)(u2−ˉu2)dx+∫Ω(−mˉu11+lˉu1+mˉu3(1+lu1)(1+lˉu1))(u1−ˉu1)(u3−ˉu3)dx−∫Ω(dˉu2+dˉu3)(u2−ˉu2)(u3−ˉu3)dx⩽∫Ωb(u1−ˉu1)2dx+∫Ω(u1−e)(u2−ˉu2)2dx+∫Ω(mu11+lu1−g)(u3−ˉu3)2dx+∫Ω[−(b+1)ˉu1+ˉu2](u1−ˉu1)(u2−ˉu2)dx+∫Ω(−mˉu11+lˉu1+mˉu3(1+lu1)(1+lˉu1))(u1−ˉu1)(u3−ˉu3)dx−∫Ω(dˉu2+dˉu3)(u2−ˉu2)(u3−ˉu3)dx⩽∫Ω[(b+C1+C2)(u2−ˉu2)2+(1−e+ε1)(u2−ˉu2)2+(m1+l−g+ε2)(u3−ˉu3)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,d∗2,d∗3,ε1), C2=C2(Λ, d∗2,d∗3,ε2).
由Poincare不等式μ1∫Ω(f−ˉf)2dx≤∫Ω|∇f|2dx,我们有 μ13∑i=1∫Ωdi|∇ui|2dx⩽∫Ω[(b+C1+C2)(u2−ˉu2)2+(1−e+ε1)(u2−ˉu2)2+(m1+l−g+ε2)(u3−ˉu3)2]dx. 选取足够小的ε2,ε2>0使得μ1d∗2⩾1−e+ε1,μ1d∗3⩾m1+l−g+ε2,积分上面不等式可得u2≡ˉu2≡ 常量, u3≡ˉu3≡ 常量, 如果d1>d∗1≜μ−11(b+C1+C2), 则u1≡ˉu1≡ 常量. 证毕.
d 本部分我们研究系统(1.5)在E∗=u∗=(u∗1,u∗2,u∗3 )的线性化. 令X如第二部分定义,且定义 X+={u∈X|ui>0 on ˉΩ,i=1,2,3},B(C)={u∈X|C−1<ui<C on ˉΩ,i=1,2,3}. 则系统(1.5)可以被记为 {−DΔu=G(u), x∈Ω,∂νu=0, x∈∂Ω,(6.1) u是系统(1.5)的一个正解当且仅当 在X+中 F(u)≜u−(I−Δ)−1{D−1G(u)+u}=0, 其中(I−Δ)−1是(I−Δ)的逆. 由于F(⋅)是恒同算子的紧摄动,如果在∂B上F(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−(I−Δ)−1{D−1Gu(u∗)+I}, 如果DuF(u∗)可逆,F在u∗的指数定义为 index(F(⋅),u∗)=(−1)γ,其中γ是DuF(u∗)的负特征根的个数.
首先,对任意的整数i>0和整数1≤j≤dimE(μi),Xij在DuF(u∗)下是不变的. 并且λ是DuF(u∗)在Xij上的特征值,当且仅当它是下面矩阵的特征值. I−11+μi[D−1Gu(u∗)+I]=11+μi[μiI−D−1Gu(u∗)]. 因此,DuF(u∗)是可逆的,当且仅当对所有的i≥0, 矩阵I−11+μi[D−1Gu(u∗)+I]是非奇异的. 定义 H(μ)=H(u∗;μ)≜det{μI−D−1Gu(u∗)}=1d1d2d3det{μD−Gu(u∗)}.(6.2) 如果H(μi)≠0,则对任意的1≤j≤dimE(μi),DuF(u∗)在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∀i≥0,矩阵μiI−D−1Gu(u∗)是非奇异的,则 index(F(⋅),u∗)=(−1)σ, 其中 σ=Σi≥0,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{μD−Gu(u∗)}=A3(d2)μ3+A2(d2)μ2+A1(d2)μ−detGu(u∗)≜A(d2;μ),(6.3) 其中 A3(d2)=d1d2d3, A2(d2)=−a11d2d3, A1(d2)=−a12a21d3−a13a31d2−a23a32d1, det{Gu(u∗)}=−a11a23a32+a12a23a31+a13a21a32, 这里aij在第二部分中已给出.
首先我们考虑A与d2的关系. 令˜μ1(d2),˜μ2(d2),˜μ3(d2) 是A (d2;μ)=0的三个根, 且Re˜μ1(k)≤Re˜μ2(k)≤Re˜μ3(k). 则 ˜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=d1d3μ3−d3a11μ2−a13a31μ=μ(d1d3μ2−d3a11μ−a13a31),
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C−1<ru∗1(α−1)bR,则存在一个正数D2, 使得当d2≥D2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[d3a11−√d32a112+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), 则 μ∈(−∞,˜μ1(d2))∪(˜μ2(d2),˜μ3(d2)), A(d2;μ)<0,μ∈(˜μ1(d2),˜μ2(d2))∪(˜μ3(d2),+∞), A(d2;μ)>0.(6.5)
当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)且σ0=dimi⩾0,H(μi)<0E(μi)是奇数, 则存在一个正常数D2,使得当d2≥D2时, 系统(1.5)至少有一个非常值正解.
证 通过引理6.2可知,存在一个正常数D2使 得当d2≥D2时,(6.5)式成立并且 0=μ0<˜μ3(d2)<μ1.(6.6) 要证明∀d2≥D2,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=~d2≥D2使得结论不成立. 固定d2=~d2, d2∗=2−eμ1,
由定理5.1, 存在一个正常数D1=D1(Λ,d∗2,d∗3), ^d2⩾d2∗, ^d3⩾max{d3∗,d3}, ^d1⩾max{D1, d1}. 对于$t\in[0, 1],定义{D}(t)={\rm diag}(d_{1}(t),~d_{2}(t),~d_{3}(t))其中d_{i}(t)=td_{i}+(1-t)\hat{d_{i}},i=1,2,3. 考虑问题{−D(t)Δu=G(u), x∈Ω,∂νu=0,x∈∂Ω.(6.7)则{\bf u}是系统(1.5)的一个非常值解当且仅当{\bf u}是方程(6.7)当t=1时的一个解.显然对任意的0\leq t\leq 1,{\bf u}^{*}$是方程(6.7)的唯一正常值解.
对任意的0≤t≤1,u是方程(6.7) 的正解当且仅当 在X+上 F(t;u)≜u−(I−Δ)−1{D−1(t)G(u)+u}=0. 显然F(1;u)=F(u), 由定理5.1可知F(0;u)=F(u)=0在X+中只有正解u∗,直接计算可得 DuF(t;u∗)=I−(I−Δ)−1{D−1(t)Gu(u∗)+I}. 特别地, DuF(0;u∗)=I−(I−Δ)−1{˜D−1Gu(u∗)+I}, DuF(1;u∗)=I−(I−Δ)−1{D−1Gu(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, i≥1.(6.9) 因此, 对任意的i≥0,0不是矩阵 μiI−D−1Gu(u∗)的特征值, 且有 Σi≥0,H(μi)<0dimE(μi)=n∑i=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0≤t≤1, (6.7)的正解满足C−1<u1,u2,u3<C. 因此,在∂B(c)上,对所有的C−1<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)=0 和 F(0;u)=0在 B(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.