"仓室"模型在传染病动力学的研究中起到非常重要的作用[1].一个经典的SIR模型具有如下的形式
其中$S$, $I$, $R$分别表示易感者, 染病者与移出者的数量, $\!\!\beta$是传播系数, $\!\!\gamma$是恢复率.若初始时刻易感者的数量为$S(0)=S_0>0$, 则$R_0=\frac{\beta S_0}{\gamma}$可作为决定疾病是否消亡的一个阈值[1], 称为基本再生数.
模型(1.1)中假设人口是均匀分布的并且传播过程是瞬时完成.但是, 空间均匀模型不能充分的解释疾病的扩散现象, 空间影响因素的引入使模型更加符合实际[2-4].比如, Hosono和llyas[3]考虑了下面模型的行波解问题
其中$d$是感染个体的扩散率.他们证明了当$S(x, 0)=S_0$为常数且$\frac{\beta S_0}{\gamma}>1$时, 对任意$c\geq c^*=2\sqrt{d(\beta S_0-\gamma)}$, 存在满足$S(-\infty)=S_0>S(+\infty)$且$ I(\pm\infty)=0$的行波解$(S(x+ct), I(x+ct))$; 当$\frac{\beta S_0}{\gamma}\leq1$时, 方程(1.2)不存在行波解.
在传染病模型中, 经常用到的发生率是线性发生率$\beta SI$, 其适用于宿主人口密度低的情况.但在疾病的实际传播过程中, 传播形式可能是非线性的[5].另外, 时滞(如疾病潜伏期)的影响也是不可忽视的[6]. Bai和Wu[7]考虑了如下模型
其中$d_i(i=1, 2, 3)$表示扩散系数.在对$f, g$的某些条件下, 他们研究了方程(1.3)的行波解的存在性和不存在性问题.
在模型(1.2)和(1.3)中, 扩散是通过Laplace算子来描述的.最近的一些研究发现, 非局部扩散在描述长距离传播方面比局部扩散更符合实际[8].近年来, 非局部扩散问题引起了数学家与生物学家的广泛关注[9-12].
综合考虑上述因素, 本文研究如下具有一般发生率和时滞的非局部扩散SIR传染病模型
其中$S(x, t), I(x, t), R(x, t)$分别表示$x$处和$t$时刻的易感者, 感染者及恢复者的密度. $d_i>0$ $(i=1, 2, 3)$表示扩散系数, $\gamma>0$表示恢复率. $\tau\geq0$表示疾病的潜伏时间. $J*S(x, t), $ $J*I(x, t), $ $J*R(x, t)$是关于空间$x$的标准卷积. $J*S(x, t)-S(x, t), $ $J*I(x, t)-I(x, t), $ $J*R(x, t)-R(x, t)$分别表示由易感者, 感染者, 恢复者的扩散导致的净增长率.本文假定
$\rm(H_1)$ $f, g\in C((0, +\infty), (0, +\infty))$, $f(0)=g(0)=0$, $f'(S)>0$, $\forall S\geq 0$, 且$g'(I)>0, $ $ g''(I)\leq 0$, $\forall I\geq 0$;
$\rm(H_2)$ $J\in C^1( {\mathbb{R}}), J(x)=J(-x)\geq0, \int_{{\mathbb{R}}}J(x){\rm d}x=1$且$J$具有紧支集.
在$\rm(H_1)$的假设下, $f(S)g(I)$包含多种形式的发生率.如当$f(S)=S, g(I)=I$时, 发生率为线性发生率[12].当$f(S)=S, g(I)=\frac{I}{1+\alpha I}$时, 发生率表示为具有饱和效应的标准发生率[13].
本文考察系统(1.4)的行波解问题.因为系统(1.4)的前两个方程中不包含变量$R$, 故只需考虑下面的子系统
受文献[12-16]的启发, 当$R_0:=\frac{f(S_{-\infty})g'(0)}{r}>1, c>c^*$时, 通过对一个截断问题使用Schauder不动点定理以及取极限的方法证明了系统(1.5)的满足$S(-\infty)=S_{-\infty}, $ $I(-\infty)=0$的行波解$(S(x+ct), I(x+ct))$的存在性.然而, 有两个方面的因素导致难以得到行波解在$+\infty$处的极限.一方面非局部扩散导致$S(\xi)$单调性的缺失; 另一方面, 发生率的非线性性导致难以直接证明$I(\xi)$的有界性.通过对行波系统做细致的分析, 我们给出了行波解在$+\infty$处极限存在的充分性条件.进一步, 利用双边拉普拉斯变换[17], 给出了当$0 <c <c^*, R_0>1$时, 系统行波解不存在性的证明.最后, 证明了当$R_0\leq1$时, 系统行波解的不存在性.
本文的安排如下:第二节研究行波解的存在性; 第三节讨论行波解的不存在性; 最后, 在第四节, 对本文的结果做了一个简单的总结.
本节考察模型(1.5)行波解的存在性.形如$(S(x+ct), I(x+ct))$的解称为行波解.令$\xi=x+ct$, 可得系统(1.5)的行波方程
假设初始无病平衡点为$(S_{-\infty}, 0)$, 其中$S_{-\infty}>0$.本节的主要结论如下
定理2.1 假定$\rm(H_1)$, $\rm(H_2)$且$R_0>1$.
(ⅰ) 对任意$c>c^*$, 系统(1.5)存在一个行波解$(S(\xi), I(\xi))$, 满足
(ⅱ)若$\limsup\limits_{\xi\rightarrow+\infty}I(\xi) <+\infty$, 则$I(+\infty)=0$, $S(+\infty) <S_{-\infty}$.
(ⅲ)若$c>\max\{c^*, \frac{3}{2}d_2\sigma_0\}$, 其中$\sigma_0:=S_{-\infty}\int_{-\infty}^{+\infty}J(y)\mid y\mid {\rm d}y$, 则$\limsup\limits_{\xi\rightarrow+\infty}I(\xi) <+\infty$.
注2.1 由定理2.1 (ⅲ)可知对任意的$c>\max\{c^*, \frac{3}{2}d_2\sigma_0\}$, $I(\xi)$是有界的.从而当$R_0>1, $ $c^*>\frac{3}{2}d_2\sigma_0$时, 对$\forall c>c^*$, 系统(1.5)存在满足$S(-\infty)=S_{-\infty}, S(+\infty) <S_{-\infty}, I(\pm\infty)=0$的行波解.我们猜测当$c^* <c <\frac{3}{2}d_2\sigma_0$时, $I(\xi)$仍是有界的.特别地, 当$c=c^*$时, 利用逼近技术[18]可得系统(1.5)的行波解, 但具体的渐近边界条件很难得出, 有待进一步的研究.
对模型(2.1)的第二个方程在$(S_{-\infty}, 0)$处线性化, 则有
得特征方程
易验证, 下面的结论成立.
引理2.1 假设$R_0:=\frac{f(S_{-\infty})g'(0)}{r}>1$.则存在$c^*>0$和$\lambda^*>0$, 使得(2.2)式有
成立, 并且有下列结论
(ⅰ)当$c>c^*$时, 方程$\Delta(\lambda, c)=0$有两个实根$\lambda_1(c)$, $\lambda_2(c)$且$0 <\lambda_1(c) <\lambda^* <\lambda_2(c) <+\infty$.当$\lambda\in(\lambda_1(c), \lambda_2(c))$时, $\Delta(\lambda, c) <0$; 当$\lambda\in(0, \lambda_1(c))\cup(\lambda_2(c), +\infty)$, 有$\Delta(\lambda, c)>0$.
(ⅱ)当$0 <c <c^*$时, 对所有$\lambda>0$, 都有$\Delta(\lambda, c)>0$.
证 由$R_0=\frac{f(S_{-\infty})g'(0)}{r}>1$及核函数$J$的性质, 简单的计算可得:对任意的$c>0$, 有
另外, 对给定的$\lambda>0$, 有
由以上性质,易见结论成立.
在下面的讨论中, 总是假设$R_0 >1$和$c>c^*$.定义函数
其中$\sigma, \alpha, \eta$和$M$都是待定的正常数.
引理2.2 函数$I_+(\xi)= e^{\lambda_1\xi}$满足
由条件$g''(u)\leq0$, $\forall u\geq0$与引理2.1可得不等式(2.3)成立.
引理2.3 对充分小的$0 <\alpha <\lambda_1$和充分大的$\sigma>S_{-\infty}$, 函数$S_-(\xi) $满足
证 若$\xi>\xi_1:=\frac{1}{\alpha}\ln\frac{S_{-\infty}}{\sigma}$, 则$S_-(\xi)=0$.故(2.4)式成立.
若$\xi <\xi_1$, 则$S_-(\xi)=S_{-\infty}-\sigma e^{\alpha \xi}>0$.从而, 对$\sigma=\frac{1}{\alpha}$且$\alpha>0$充分小, 有
即(2.4)式成立.证毕.
引理2.4 对$0 <\eta <\min \{\lambda_2-\lambda_1, \lambda_1\}$与充分大的常数$M$, 则函数$ I_-(\xi)$满足
证 若$\xi>\xi_2:=\frac{1}{\eta}\ln\frac{1}{M}$, 则$I_-(\xi)=0$, (2.5)式显然成立.
若$\xi <\xi_2$, 有$I_-(\xi)=e^{\lambda_1\xi}(1-Me^{\eta\xi})$.令$M$相当大, 使得$\xi_2 <\xi_1$成立.故当$\xi <\xi_2$时, 有$S_-(\xi)=S_{-\infty}-\sigma e^{\alpha \xi}$.此时(2.5)式等价于
利用条件$g''(u)\leq0$, $\forall u\geq0$, 不难证明
由于$I^2_-(\xi-c\tau) < e^{2\lambda_1\xi}$, 且对足够大的$M$, 有
故(2.6)式成立.证毕.
令$X>\max\{\frac{1}{\alpha}\ln\frac{\sigma}{S_{-\infty}}, \frac{1}{\eta}\ln M\}$, 定义集合
对任意的$(\phi(\cdot), \varphi(\cdot))\in\Gamma_X$, 将其延拓到${\mathbb{R}}$上
考虑初值问题
其中
根据常微分方程理论, 可知初值问题(2.7)-(2.9)存在一个解$(S_X(\xi), I_X(\xi))$满足$S_X(\xi)\in C^1([-X, X]), $ $I_X(\xi)\in C^1([-X, X])$.定义算子$F=(F_1, F_2):\Gamma_X\rightarrow C([-X, X])$为
根据引理2.2-2.4, 容易验证下面结论成立.
引理2.5 算子$F:\Gamma_X\rightarrow\Gamma_X$.
引理2.6 算子$F:\Gamma_X\rightarrow\Gamma_X$是全连续算子.
证 首先证明$F$是连续的.由(2.7)-(2.9)式可得
令$(\phi_i(\cdot), \varphi_i(\cdot))\in \Gamma_X$且$F_1[\phi_i, \varphi_i](\xi)=S_{X, i}(\xi), F_2[\phi_i, \varphi_i](\xi)=I_{X, i}(\xi), i=1, 2$.因为
其中$N:=\max f'(\xi)$, 可得
由$F$的定义及方程(2.10)可知$F_1$是连续的.同理可得, $F_2$是连续的.
由$S_X\in C^1([-X, X])$, $I_X\in C^1([-X, X])$并结合(2.7)和(2.8)式可知:对任意$(\phi(\cdot), \varphi(\cdot)) \in \Gamma_X$, $ S_X', I_X'$都是有界的.所以$F$是紧的.证毕.
由$\Gamma_X$的定义可知, $\Gamma_X$是一个闭凸集合.利用Schauder不动点定理可知, 存在一个不动点$(S_X(\cdot), I_X(\cdot))\in \Gamma_X$, 对任意$\xi\in (-X, X)$, 都有
为得到模型(1.5)的行波解.下面给出$S_X(\cdot), I_X(\cdot)$的一些估计.
定理2.2 给定任意$Y>0$, 存在常数$C(Y)>0$, 当$X>\max\{\frac{1}{\alpha}\ln\frac{\sigma}{S_{-\infty}}, \frac{1}{\eta}\ln M\}$和$X>Y+R_1$时, 有
其中$R_1$是$J$的支撑半径.
证 显然, $(S_X(\cdot), I_X(\cdot))$满足
对$ \forall \xi\in[-Y, Y]$, 有$S_X(\xi)\leq S_{-\infty}$, $I_X(\xi)\leq I_+(Y)=e^{\lambda_1Y}$, 得
因此, 存在常数$L_1(Y)>0$, 使得对任意$\xi, \eta\in[-Y, Y]$, 有
结合方程(2.12), 得出
由(H$_2)$可得, 核函数$J$是李普希兹连续的, 令$L$是李普希兹常数, 有
其中$N:=\max\limits_{\xi\in[-Y, Y]} f'(\xi)$.由不等式(2.14)和(2.15), 可知存在常数$C_1(Y)>0$, 对任意$\xi, \eta\in[-Y, Y]$, 有
同理可得, 对任意$\xi, \eta\in[-Y, Y]$, 有
所以, 对满足$R_1+Y <X$的任意$Y$(独立于$X$), 存在一个常数$C(Y)$, 使得
成立.证毕.
定理2.1(ⅰ)的证明 取满足$X_n>\max\{\frac{\ln M}{\eta}, \frac{1}{\alpha}\ln\frac{\sigma}{S_{-\infty}}\}$, $X_n>Y+R_1$, $\lim\limits_{n\rightarrow+\infty}X_n=+\infty$的序列$\{X_n\}^{\infty}_{n=1}$.对任意$n$, 存在$(S_{Xn}, I_{Xn})\in\Gamma_{Xn}$.由定理2.2知, 存在满足如下条件的子序列$\{X_{nk}\}$:当$k\rightarrow+\infty$时, $X_{nk}\rightarrow+\infty$, 且$ S_{nk}\rightarrow S \mbox{ , } I_{nk}\rightarrow I \mbox{ 在 } C^1_{loc}( {\mathbb{R}})\mbox{中成立}. $由于$J$是紧支集, 由勒贝格控制收敛定理, 得对任意$\xi\in {\mathbb{R}}$, 有
进一步,$(S, I)$满足系统(2.1)且$ S_-(\xi) <S(\xi) <S_{-\infty}, I_-(\xi) <I(\xi) <I_+(\xi).$由$S_-(\xi), I_-(\xi)$的定义可得: $S(-\infty)=S_{-\infty}, I(-\infty)=0$.
下面考察定理2.1(ⅰ)中所得到的行波解在$+\infty$处的渐近行为.先证明如下引理.
引理2.7 $\int_{-\infty}^{+\infty}f(S(\xi))g(I(\xi-c\tau)){\rm d}\xi <+\infty$, 且$\liminf\limits_{\xi\rightarrow+\infty}S(\xi) <S_{-\infty}$.
证 由
和$S(-\infty)=S_{-\infty}$, 可得:当$z\rightarrow-\infty$时, 对任意的$x\in{\mathbb{R}}$, 有
其中$\sigma_0:=S_{-\infty}\int_{-\infty}^{+\infty}J(y)\mid y\mid{\rm d}y$.由(2.1)式的第一个方程可得
即证得$\int_{-\infty}^{+\infty}f(S(\xi))g(I(\xi-c\tau)){\rm d}\xi <+\infty$.
使用反证法证明: $\liminf\limits_{\xi\rightarrow+\infty}S(\xi) <S_{-\infty}$.假设$\liminf\limits_{\xi\rightarrow+\infty}S(\xi)\geq S_{-\infty}$, 则$\lim\limits _{\xi\rightarrow+\infty}S(\xi)=S_{-\infty}$.所以当$x\rightarrow+\infty$时, 有
即得$\int_{-\infty}^{+\infty}f(S(\xi))g(I(\xi-c\tau)){\rm d}\xi=0$.与$\int_{-\infty}^{+\infty}f(S(\xi))g(I(\xi-c\tau)){\rm d}\xi>0$相矛盾.故假设不成立.证毕.
定理2.1(ⅱ)的证明 分两种情形证明该结论.
情形1 $\liminf\limits_{\xi\rightarrow+\infty}S(\xi)>0$.此时我们证明$I(+\infty)=0$,且存在常数$\sigma>0$, 使得$S(+\infty)=\sigma <S_{-\infty}$.
由于$\liminf\limits_{\xi\rightarrow+\infty}S(\xi)>0$, 则存在$\xi_0>0, \delta_0>0$, 使得对任意$\xi>\xi_0$, 有$S(\xi)>\delta_0$.又因为对$\forall S\geq0$, 都有$f'(S)>0$.则$f(S(\xi))>f(\delta_0)$.又有$\int_{-\infty}^{+\infty}f(S(\xi))g(I(\xi-c\tau)){\rm d}\xi <+\infty$, 则
另外, 因为$S(\xi)\leq S_{-\infty}, S(-\infty)=S_{-\infty}$, 可知存在$\xi'_0>0, \delta'_0>0$, 使得对任意$\xi <\xi'_0$, 有$S_{-\infty}-\delta'_0 <S(\xi)$成立.从而$f(S_{-\infty}-\delta'_0) <f(S(\xi))$.即
综上可得$\int_{-\infty}^{+\infty}g(I(\xi-c\tau)){\rm d}\xi <+\infty$, 即$\int_{-\infty}^{+\infty}g(I(\xi)){\rm d}\xi <+\infty$.
由$\limsup\limits_{\xi\rightarrow+\infty}I(\xi) <+\infty$知, 存在$M>0$使得$0\leq I(\xi)\leq M$, $\forall \xi\in{\mathbb{R}}$.由$g$的性质可知: $0 <g'(M)\leq g'(I(\xi))\leq g'(0)$, $\forall \xi\in{\mathbb{R}}$.利用中值定理可得: $g(I(\xi))=g'(\theta I(\xi))I(\xi)\geq g'(M)I(\xi)$, $\forall \xi\in{\mathbb{R}}$, 其中$\theta\in(0, 1)$.所以
即$\int_{-\infty}^{+\infty}I(\xi){\rm d}\xi <+\infty$.又由$I'(\xi)$有界得$I(+\infty)=0$.
下面证明:当$\xi\rightarrow+\infty$时, $S(\xi)$的极限存在.只需证$\liminf\limits_{\xi\rightarrow+\infty}S(\xi)=\limsup\limits_{\xi\rightarrow+\infty}S(\xi).$假设$\liminf\limits_{\xi\rightarrow+\infty}S(\xi) <\limsup\limits_{\xi\rightarrow+\infty}S(\xi)$成立.则存在点列$\{\xi_n\}^{+\infty}_{n=1}$和$\{\eta_n\}^{+\infty}_{n=1}$, 满足$\lim\limits_{n\rightarrow+\infty}\xi_n=+\infty, \lim\limits_{n\rightarrow+\infty}\eta_n=+\infty$, 且
由于
则$\lim\limits_{n\rightarrow+\infty}J*S(\xi_n)=\sigma_1$.令$S_n(y)=S(\xi_n+y)$.取很小的正数$\epsilon$, 令$\Omega_\epsilon=\Omega\cap\{\lim\limits_{n\rightarrow+\infty}S(\xi_n) < \sigma_1-\epsilon\}$, 其中$\Omega:= {\rm supp} J$.可得
则$m(\epsilon)=0$, 其中$m$表示测度.所以$S_n(y)\rightarrow\sigma_1$在$\Omega$上几乎处处成立.又因为$\{S_n\}$是等度连续的, 所以$S_n(y)\rightarrow\sigma_1$在$\Omega$上处处成立.即:对任意$y\in\Omega$, 都有$S_n(y)\rightarrow\sigma_1$.
因为$J\in C^1$, 故必存在$R'\geq\delta'>0$, 使得
令${\xi_n}^{\pm}=\xi_n\pm R'$, 则对任意$y\in\Omega$, 当$n\rightarrow+\infty$时, 有$S(\xi^\pm_n +y)\rightarrow\sigma_1$.特别的:对任意$y\in[-\delta', \delta']$, 当$n\rightarrow+\infty$时, 有$S(\xi_n+ y)\rightarrow\sigma_1$.
重复上面的过程可得:对任意$y\in[-R_1, R_1]$, 当$n\rightarrow+\infty$时, 有$S(\xi_n+ y)\rightarrow\sigma_1$, 其中$R_1$表示$\Omega$的半径.另一方面, 因为$I(+\infty)=0, g(0)=0$且
则$\lim\limits_{n\rightarrow+\infty}J*S(\eta_n)=\sigma_2$.同理可得:对任意$y\in[-R_1, R_1]$, 当$n\rightarrow+\infty$时, 有$S(\xi_n+ y)\rightarrow\sigma_2$.
当$n\rightarrow+\infty$时, 有$\int_{\eta_n}^{\xi_n}f(S(\xi))g(I(\xi-c\tau)){\rm d}\xi=0$, 对方程(2.1)的第一个式子从$\eta_n$到$\xi_n$积分, 可得
产生矛盾, 所以$\liminf\limits_{\xi\rightarrow+\infty}S(\xi)=\limsup\limits_{\xi\rightarrow+\infty}S(\xi):=\sigma <S_{-\infty}.$
情形2 $\liminf\limits_{\xi\rightarrow+\infty}S(\xi)=0$.此时我们证明$S(+\infty)=I(+\infty)=0$.首先证明$S(+\infty)=0$.假设$\limsup\limits_{\xi\rightarrow+\infty}S(\xi)>0$.则存在$\{\xi_n\}^{+\infty}_{n=1}$和$\{\eta_n\}^{+\infty}_{n=1}$满足$\lim\limits_{n\rightarrow+\infty}\xi_n=+\infty, \lim\limits_{n\rightarrow+\infty}\eta_n=+\infty$,
且
类似于情形1的证明,可以得出对任意$y\in[-R_1, R_1], $都有$ \lim_{n\rightarrow+\infty}S(\xi_n+y)=\sigma_1.$又因为$\limsup\limits_{\xi\rightarrow+\infty}I(\xi) <+\infty$, 则对任意$y\in[-R_1, R_1], $都有$ \lim_{n\rightarrow+\infty}S(\eta_n+y)=0.$对方程(2.1)的第一个式子从$\eta_n$到$\xi_n$积分, 可得
产生矛盾, 所以$S(+\infty)=0$.
下面证明: $I(+\infty) =0$.如果$\limsup\limits_{\xi\rightarrow+\infty}I(\xi)>0$, 则
若第一个式子成立, 则
产生矛盾.如果第二个式子成立, 则存在点列$\zeta_n\rightarrow+\infty (n\rightarrow+\infty)$, 满足$\lim\limits_{n\rightarrow+\infty}I(\zeta_n)=\limsup\limits_{\xi\rightarrow+\infty}I(\xi):=\sigma>0$且$I'(\zeta_n)=0$.因为$\lim\limits_{n\rightarrow+\infty}S(\zeta_n)=0$, 则
产生矛盾.综上可得$I(+\infty)=0$.
定理2.1(ⅲ)的证明 因为$I_X(\xi)\in C^1([-X, X])$, 所以存在$\xi_0 \in[-X, X]$, 满足
将(2.13)式从$-X$到$\xi_0$积分可得
且$0\leq I_X(\xi)\leq I_X(\xi_0)$, 所以
同理得
综上所述, 可得
另一方面, 将(2.12)式从$-X$到$X$积分可得
因为对任意的$\xi\in[-X, X]$, 都有$0\leq S_X(\xi)\leq S_{-\infty}$.同理可得
所以
又因为$c>\frac{3}{2}d_2\sigma_0$, 所以
其中$C_0$是与$X$无关的常数.
本节考察当$0<c<c^*, R_0>1$或$c>0, R_0\leq1$时, 系统(1.5)的行波解的不存在性.
定理3.1 若$R_0>1$.则对任意$0 <c <c^*$, 系统(1.5)不存在满足边界条件$S(-\infty)=S_{-\infty}, $ $I(\pm\infty)=0, $ $S(+\infty) <S_{-\infty}$的非平凡行波解$(S(\xi), I(\xi))$.
证 用反证法证明.假设系统(1.5)存在非平凡行波解$(S(\xi), I(\xi))$.根据$g'(0)$可知, 对任意$\epsilon \in(0, g'(0))$, 存在正数$\delta_0$使得$\frac{g(I)}{I}\geq g'(0)-\epsilon, {\ } 0 <I <\delta_0$.又因为当$\xi\rightarrow -\infty$时, $f(S(\xi))\rightarrow f(S_{-\infty}), I(\xi)\rightarrow 0$.故存在$\xi_* <0$, 对任意$\xi <\xi_*$, 有
所以当$\xi <\xi_*$时, 有
上面不等式对任意$\epsilon$都成立, 则当$\xi <\xi_*$时
定义$K(\xi):=\int_{-\infty}^\xi I(x){\rm d}x$.在$-\infty$到$\xi (\xi <\xi_*)$区间上对(3.1)式积分可得
因为
则
又因为
所以对(3.2)式从$-\infty$到$\xi'$积分, 得出关于变量$\xi'$的不等式, 我们用$\xi$代替$\xi'$.可得
其中$m_1=c+\frac{f(S_{-\infty})g'(0)+\gamma}{2}c\tau$.因为$xK(\xi-\theta x)$在$\theta \in [0, 1]$上是非增函数, 则$xK(\xi-\theta x)\leq xK(\xi)$.所以
又因为$K(\xi)$关于$\xi$是非减函数, 则对所有$\eta>0, \xi <\xi_*$, 有
所以存在充分大的正数$\eta_0$, 使得$ K(\xi-\eta_0)\leq \frac{1}{2}K(\xi), \forall \xi <\xi_* $成立.令$\mu_0=\frac{\ln2}{\eta_0}>0$和$L(x)=K(x)e^{-\mu_0 x}$.则对所有$\xi <\xi_*$, $L(\xi-\eta_0)=K(\xi-\eta_0)e^{-\mu_0 (\xi-\eta_0)} <K(\xi)e^{-\mu_0 \xi}=L(\xi)$都成立.故当$\xi\rightarrow -\infty$时, $L(\xi)$是有界的.由于
则当$\xi\rightarrow -\infty$时, $I(\xi)e^{-\mu_0 \xi}$和$I'(\xi)e^{-\mu_0 \xi}$都是有界的.又因为$I(\xi)$是有界的, 则
令$\lambda\in {\Bbb C}$且$0 <{\rm Re}\lambda <\mu_0$, 定义$I$的双边拉普拉斯变换$\mathit{£}(\lambda)=\int_{-\infty}^{+\infty}I(\xi)e^{-\lambda \xi}{\rm d}\xi.$因为
考虑$F(\xi):=f(S_{-\infty})g'(0)I(\xi-c\tau)-f(S_{-\infty})g(I(\xi-c\tau)).$由$I(-\infty)=0, S(-\infty)=S_{-\infty}$结合引理2.4可知, 当$\xi\rightarrow-\infty$时, 有$f(S_{-\infty})g'(0)I(\xi-c\tau)-f(S_{-\infty})g(I(\xi-c\tau))\leq I^2(\xi-c\tau).$令$\xi\rightarrow-\infty$, 有
又因为当$\xi\rightarrow+\infty$时, $e^{-2\mu_0\xi}F(\xi)$是有界的.所以$\sup_{\xi\in {\mathbb{R}}}\{e^{-2\mu_0\xi}F(\xi)\} <+\infty. $由双边拉普拉斯变换的性质[17]可知, $\mathit{£}(\lambda)$定义域有两种情况:存在实数$\alpha>0$, 使得$\lambda\in {\Bbb C}, 0 <{\rm Re}\lambda <\alpha$并且$\lambda=\alpha$是$\mathit{£}(\lambda)$的奇异点, 或$\lambda\in {\Bbb C}, {\rm Re}\lambda>0$.由(3.3)式右边的积分在$\lambda\in {\Bbb C}, $ $0 <{\rm Re}\lambda <2\mu_0$上有定义, 且当$0 <c <c^*$时, 对所有$\lambda>0$, 都有$\Delta(\lambda, c)>0$, 可得$\mathit{£}(\lambda)$的定义域为$\lambda\in {\Bbb C}, $ Re$\lambda>0$. (3.3)式整理为
事实上, 对$\forall0 <c <c^*$, 当$\lambda\rightarrow +\infty$时, 有$\Delta(\lambda, c)\rightarrow +\infty$.这与上式矛盾, 故假设不成立.
定理3.1得证.
定理3.2 (ⅰ)若$R_0 <1$.则对任意$c>0$, 系统(1.5)不存在满足边界条件
的非平凡行波解$(S(\xi), I(\xi))$.
(ⅱ)若$R_0=1$.则对任意$c>0$, 系统(1.5)不存在满足(3.4)式与$ \sup_{{\mathbb{R}}} S(\xi)\leq S_{-\infty}$的非平凡行波解$(S(\xi), I(\xi))$.
证 (ⅰ)反证法.假设系统(1.5)存在满足(3.4)的非平凡行波解$(S(\xi), I(\xi))$.当$R_0=\frac{f(S_{-\infty})g'(0)}{r} <1$时, 对(2.1)式的第二个式子在${\mathbb{R}}$上积分, 得
因为$I(\pm\infty)=0$, 则
即
产生矛盾.
(ⅱ)同样采用反证法.假设系统(1.5)存在满足(3.4)式与$ \sup_{{\mathbb{R}}} S(\xi)\leq S_{-\infty}$的非平凡行波解$(S(\xi), I(\xi))$.当$R_0=1$即$f(S_{-\infty})g'(0)=r$时, 由(2.1)式的第二个方程可得
因为$I(\pm\infty)=0$, 将上式在${\mathbb{R}}$上积分, 得
由$f(0)=0, $ $f'(\cdot)>0$及$S(\cdot)\leq S_{-\infty}$, 可得$0\leq f(S(\xi))\leq f(S_{-\infty})$.又因为$0\leq g(I(\xi))\leq g'(0)I(\xi)$, 从而
由$f, g, S, I$的连续性可得
因为行波解是非平凡的,存在$\xi_1\in{\mathbb{R}}$使得$I(\xi_1-c\tau)>0$.因为$f(S_{-\infty})>0$, 由上式有
由$f$的严格单调性知$S(\xi_1)=S_{-\infty}$.又由$S(\cdot)\leq S_{-\infty}$,得$S'(\xi_1)=0.$进一步可得
产生矛盾.证毕.
本文考察了一类具有非线性发生率与时滞的非局部扩散SIR模型的行波解.由定理2.1, 3.1, 3.2可知, 当$R_0>1$且传播速度较大时, 系统(1.5)存在从无病平衡点到无病平衡点的行波解.当$0 <c <c^*, R_0>1$或$c>0, R_0\leq1$时, 系统(1.5)不存在行波解.
下面考虑时滞对最小波速的影响.由
简单的计算可得
所以, 疾病的潜伏期$\tau$的增大会导致$c^*$的减小, 而$d_2$的增大会导致$c^*$的增大.因此可得时滞可以降低疾病的传播速度, 染病个体的移动可以加快疾病的传播速度.
与行波解的最小波速密切相关的一个问题是渐近传播速度,我们猜测$c^*$是系统(1.5)的渐近传播速度.但由于该系统不满足比较原理,因此证明$c^*$是其渐近传播速度比较困难的, 这也是我们拟进一步研究的问题.