关于非自治生物动力系统, 现已有了大量的研究工作[1-7].自1993年Gopalsamy[8]提出带有反馈控制的动力学模型以来, 许多学者利用重合度理论研究了具有反馈控制的生物动力系统[9-15].基于反馈原理所建立的非自治系统的正周期解相当于对应地自治系统的正平衡点, 通过反馈控制变量来改变系统平衡态的大小, 借以达到人们所期望的控制目标.在自然界中, 影响种群数量变化的因素既有密度制约因素, 又有气候、污染物等非生物因素构成的非密度制约因素, 当发生流行性传染病或火灾乃至寒潮时将会导致种群有一定比例的个体死亡.因此, 研究基于生态环境和反馈控制的生物动力系统是有实际意义和应用价值的.本文建立基于生态环境和反馈控制的时滞非自治$n$种群竞争系统如下
其中, $N_{i}(t) (i=1, 2, \cdots, n)$代表时刻$t$有竞争关系的第$i$个种群的密度, $P_{i}(t)$ $(i=1, 2, \cdots, n)$代表时刻$t$的第$i$个控制变量的密度, 假设条件如下.
(A1) $b_{i}(t), h_{i}(t), a_{ij}(t), c_{iv}(t), d_{i}(t), r_{i}(t), D_{i}(t)$ $(i, j=1, 2, \cdots, n) $都是正的以$\omega>0$为周期的连续函数;
(A2) 假设$n$个竞争种群在生态环境中因天敌、气候、有毒物、食物短缺等因素影响所导致的死亡率为$c_i(t)$, 且时滞$\tau_i$为发生该因素影响的时间间隔;
(A3) 第$i$个种群$N_i$: $b_{i}(t)$为种群的内禀增长率, $h_{i}(t)$为密度制约系数, $a_{ij}(t)(i\neq j)$为其它$n-1$个种群与之竞争公共资源的比例系数, $d_{i}(t)$为控制变量所捕获的比例系数;
(A4) 第$i$个控制变量$P_i$: $r_{i}(t)$为控制变量捕食后的转化率, $D_{i}(t)$为其密度制约系数.
记${\Bbb R}_{+}^{2n}=\{(N(t), P(t))\in {\Bbb R}^{2n}:N_{i}(t)\geq0, P_{i}\geq0, i=1, 2, \cdots, n\}$, $C^{+}=C([-\tau, 0], {\Bbb R}_{+}^{2n})$表示由$[-\tau, 0]$到${\Bbb R}_{+}^{2n}$的非负连续向量函数的全体, 其中
系统(1.1) 的初始条件为
对于正的$\omega$ -周期连续函数, 引入如下记号
且令
本文主要在${\Bbb R}_{+}^{2n}$内研究系统$(1.1)$满足正初值条件$(1.2)$正周期解存在性和全局吸引性.
先引入如下定理作为本文引理.
引理2.1(Mawhin's延拓定理[16]) 设$X, Y$是Banach空间$L$是指标为零的Fredholm映射, $N:\bar{\Omega}\rightarrow Z$在$\bar{\Omega}$上是$L$ -紧的, 其中$\Omega$是$X$中的有界开集, 如果
(a) $\forall x\in \partial\Omega\cap {\rm Dom}L, \lambda\in(0, 1), Lx\neq \lambda Nx;$
(b) $\forall x\in \partial\Omega\cap {\rm Ker}L, QNx\neq 0, $ deg$\{JQN, \Omega\cap{\rm Ker}L, 0\}\neq 0$.则方程$Lx=Nx$在$\bar{\Omega}\cap {\rm Dom}L $内至少存在一个解.
设参数$\mu\in[0, 1], x=(x_1, x_2, \cdots, x_n, y_1, y_2, \cdots, y_n)^T\in {\Bbb R}^{2n}$, 满足方程组
由方程组(2.1) 可得
于是
令$A_{0i}=\max\limits_{1\leq i\leq n}\{|l_{0i}|, |L_{0i}|\}, A^*_{0i}=\max\limits_{1\leq i\leq n}\{|l^*_{0i}|, |L^*_{0i}|\}$, 显然$A_{0i}, A^*_{0i}(i=1, 2, \cdots, n)$与参数$\mu$无关且
综上讨论, 有如下结论.
引理2.2 如果
则方程组(2.1) 存在一个与参数$\mu$无关的常数$A_0>0$使得$||x||\leq A_0$.
由文献[17]的类似方法易得下面的引理.
引理2.3 设$D=\{(N(t), P(t))^T\in {\Bbb R}_+^{2n}:k_i\leq N_i(t)\leq K_i, \tilde{k}_i\leq P_i(t)\leq \tilde{K}_i, $ $i=1, 2, \cdots, n\}$.若$S_i=b_i^L-\sum^n\limits_{j=1, j\neq i}a_{ij}^MK_j-c_{i}^MK_i-d_i^M\tilde{K}_i>0, i=1, 2, \cdots, n, $则对任何解$(N(t), P(t))=(N_1(t), N_2(t), \cdots, N_n(t), P_1(t), P_2(t), \cdots, P_n(t)), $存在$ T>0, $当$t>T$时有$(N(t), P(t))\in D.$其中
这里$\varepsilon$为任意小的正数.
引理2.4 (Barbalat引理[18])设$f$是定义在$[0, +\infty)$上的非负函数, 在$[0, +\infty)$上可积, 而且在$[0, +\infty)$上一致连续, 则$\lim\limits_{t\rightarrow+\infty}f(t)=0.$
定理3.1 如果除初值(1.2) 条件外, 还满足条件
则系统(1.1) 至少存在一个$\omega$-周期正解.
证 作变换$N_{i}(t)={\rm e}^{x_i(t)}, P_i(t)={\rm e}^{y_i(t)}, (i=1, 2, \cdots, n), $将周期系统(1.1) 化为如下等价系统
记$x(t)=(x_1(t), x_2(t), \cdots, x_n(t), y_1(t), y_2(t), \cdots, y_n(t))^T, X=Z=\{x\in C(R, {\Bbb R}^{2n}):x(t+\omega)=x(t)\}, $范数为
其中$|\cdot|$表示Euelid范数, 则在范数$\|\cdot\|$下$X, Z$都是Banach空间.
定义
令
易知$P$和$Q$是连续投影算子且${\rm Im}P={\rm Ker}L, {\rm Im}L={\rm Ker}Q={\rm Im}(I-Q).$进而可知Ker$L={\rm Im}P={\Bbb R}^{2n}, {\rm Im}L={\rm Ker}Q=\{x\in X:\bar{x}_i=0, \bar{y}_i=0, i=1, 2, \cdots, n\}$是$X$的闭子集, dim${\rm Ker}L=2n=\dim (Z/{\rm Im}L), $故$L$是指标为零Fredholm算子.定义$L$的广义逆为$K_P:{\rm Im}L\rightarrow {\rm Dom}L\bigcap {\rm Ker}P$如下
其中
利用Lebesgue收敛定理可以证明$QN$及$K_P(I-Q)N$是连续的.不难证明, 对$X$中的任何开的有界的子集$\Omega$, $QN(\bar{\Omega})$及$\bar{K_P(I-Q)N(\bar{\Omega})}$是相对紧的.因此, 对$X$的任何开的有界子集$\Omega$, $N$在$\bar{\Omega}$上是$L$紧的.对应算子方程$Lx=\lambda Nx, \lambda\in(0, 1)$有
对系统$(3.2)$在$[0, \omega]$上取积分得
由系统$(3.2)$和式(3.3)-(3.4) 有
由式$(3.3)$解得
进而, 由式(3.6)-(3.7) 有
因为$x\in X$所以存在$\xi_i, \zeta_i, \eta_i, \sigma_i\in[0, \omega]$使得
一方面, 由式(3.7) 和(3.9) 解得
于是, $\forall t\in[0, \omega]$有
由式(3.4) 和(3.7) 解得
因此, $\forall t\in[0, \omega]$有
另一方面, 利用式(3.11) 和(3.13), 由式(3.3) 解得
这样, $\forall t\in[0, \omega]$有
再由式(3.4) 和(3.14), 可得
进而, $\forall t\in[0, \omega]$有
综上, 由式(3.11), (3.13), (3.15) 和(3.17) 有
显然$A_{1i}, A_{2i}, (i=1, 2, \cdots, n)$不依赖于参数$\lambda$.令$A=\sum^n\limits_{i=1}A_{1i}+\sum^n\limits_{i=1}A_{2i}+A_0$这里$A_0$由引理$2.2$所给出的.取$\Omega=\{x\in X:||x||<A\}, $对$\lambda\in(0, 1), x\in\partial \Omega\bigcap {\rm Ker}L=\partial\Omega\bigcap {\Bbb R}^{2n}$有$Lx\neq\lambda Nx$, 故$\Omega$满足引理$2.1$条件(a).当$x\in\partial\Omega\bigcap {\rm Ker}L$时, $x$是${\Bbb R}^{2n}$中的常值向量且$||x||=A, $由引理$2.1$知$QNx\neq0$构造映射$H_\mu(x)=\mu QNx+(1-\mu)G_x, \mu\in[0,1], $这里
由引理2.2知, 对于$\mu\in[0,1], x\in\partial\Omega\bigcap {\rm Ker}L, H_\mu(x)\neq0$, 所以$H_\mu(x)$是一个同伦映射.根据同伦不变性, 我们取恒同映射$J=I$于是
由于代数方程组
存在唯一解$(x_1^*, x_2^*, \cdots, x_n^*, y_1^*, y_2^*, \cdots, y_n^*)^T, $其中
所以直接计算得
这样$\Omega$满足引理$2.1$的条件(b), 因此方程$Lx=Nx$在${\rm Dom}L\bigcap\bar{\Omega}$至少有一个解, 进而由变换$N_{i}(t)={\rm e}^{x_i(t)}, P_i(t)={\rm e}^{y_i(t)}$ $(i=1, 2, \cdots, n), $知系统$(1.1)$在${\rm Dom}L\bigcap\bar{\Omega}$内至少存在一个$\omega$ -周期正解.证毕.
定理4.1 如果除初值(1.2) 和定理3.1的条件外, 还满足条件
则系统(1.1) 存在唯一的$\omega$ -周期正解且为全局吸引的.
证 设$(N(t), P(t))$和$(\widetilde{N}(t), \widetilde{P}(t))$分别是系统(1.1) 的周期正解和任意正解, 其中
由引理2.3知存在$T>0$, 当$t>T$时, $(N(t), P(t))\in D, (\widetilde{N}(t), \widetilde{P}(t))\in D$构造Lyapunov函数
直接计算系统(1.1) 的的右上导数, 得
定义Lyapunov函数
据此, 计算系统(1.1) 的右上导数为
取$\alpha=\min\limits_{1\leq i\leq n}\{\beta_i, \eta_i\}$, 从$T$到$t$积分得
由系统(1.1) 的一致持久性及其解的导数有界性知
在$[0.+\infty]$上是一致连续的, 根据引理2.4知
综上, 系统(1.1) 在区域$D$内存在唯一的$\omega$ -周期正解且为全局吸引的.证毕.