密度制约且具有时滞捕食-被捕食模型的Hopf分支
Hopf Bifurcation of Delayed Density-Dependent Predator-Prey Model
收稿日期: 2017-08-9
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Received: 2017-08-9
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作者简介 About authors
李海银,E-mail:
捕食者和被捕食者都具有密度制约的捕食-被捕食模型更符合实际的生物环境,也更有一定的现实意义,所以该文考虑了密度制约且具有Beddington-DeAngelis功能反应函数的时滞捕食-被捕食系统.首先,给出系统的稳定性变换为后面讨论分支周期解做好准备.其次,由中心流形定理和规范型理论,得到Hopf分支关于分支方向、稳定性以及周期情况的特性指标.最后,在数值模拟这部分对系统稳定性变换和系统的Hopf分支进行了验证.
关键词:
In this paper, we investigate stability and Hopf bifurcation of a delayed density-dependent predator-prey system with Beddington-DeAngelis functional response, where not only the prey density dependence but also the predator density dependence are considered such that the studied predator-prey system conforms to the realistically biological environment. Firstly, stability transformation of the system was given to prepare for discussion of bifurcating periodic solution. Secondly, we discussed properties of Hopf bifurcation about bifurcating direction, stability and period by center manifold theorem and normal form theory. Finally, an example with numerical simulations is given to illustrate stability transformation and Hopf bifurcation of the system.
Keywords:
本文引用格式
李海银.
Li Haiyin.
1 引言
其中
的持久性和正平衡点的局部渐近稳定性和全局渐近稳定性等动力性质.在系统(1.2)中
在本文中,我们以时滞
2 准备工作
由系统(1.2)可知,除
的
成立,那么平衡点
在这一部分中我们主要给出系统正平衡点
令
线性化后是
其中
成立,则
由文献[15]中的引理4.1,引理4.2,定理4.1和注释4.1,我们有下面结论.
引理2.1 如果条件
成立,则当
引理2.2 (ⅰ)~若(H
成立且
(ⅱ)~若(H
成立且
引理2.2中的(ⅰ)、(ⅱ)两种情形表明当
和
定理2.1在系统(1.2)中,
(ⅰ) 若(H
(ⅱ) 若(H
(ⅲ) 若(H
记
为方程(2.5)的根满足
则下面的横截条件成立
需要注意的是,由sign
由定理2.1我们可以直接得出下面的定理.
定理2.2 在系统(1.2)中,时滞
3 Hopf分支
由第二部分的分析和定理2.2可知,
首先,通过引入无穷小生成元把时滞系统(1.2)转化为无穷维系统.需要下面两小步.
(ⅰ) 将系统(1.2)无量纲化.令
其中
令
由Riesz表现定理,存在一个
事实上,我们可以选择
也就是
则满足方程(3.2).
(ⅱ) 引入无穷小生成元.为了把时滞系统(1.2)转化为抽象常微分形式,我们引入无穷小的生成元
且
其中
则系统(1.2)等价于下面的算子方程
其中
其次,利用谱分解理论和无穷维系统的中心流行理论求出限制在中心流形上的流所满足的二维常微分方程.我们进行接下来的两小步.
(ⅰ) 引入
和一个双线性型
其中
我们知道
即
令
近而,由
(ⅱ) 得到二维常微分方程.与Hassard[16]用同样的符号标记,我们先计算刻画在
在中心流形
其中
对系统(1.2)的解
我们可以重新整理(3.8)式为
其中
再则,分析二维常微分方程且通过比较系数法求得这个二维常微分方程的系数.我们需要分(ⅰ)和(ⅱ)两小步得到(3.10)式的系数.
(ⅰ) 计算
其中
展开上述级数并进行系数比较后可得
由(3.8)和(3.9)式,令
由(3.7)式,我们有
且
其中
因此
由(3.14)式和
与(3.10)式比较系数,可得
因此,我们可以求出
(ⅱ) 计算
由(3.16)式,为了计算
我们讨论(3.11)式中
和
因此
由上式比较系数可得
且
由(3.17)式得
再由(3.3)式,可得
求解
利用同样的方法,由(3.18)式,我们有
再由(3.3)式,可得
求解
接下来,为了求
由(3.11)式,可得
因此
将(3.14)式代入上面等式中,比较
且
由
把(3.19)和(3.21)式代入(3.23)式中,有
由
可得
因此
由
把(3.20)和(3.22)式代入(3.25)式中可得
由(3.24)式,可得
因此
由
最后,得到hopf分支关于稳定性、方向和周期的特性.将有下面的(ⅰ)和(ⅱ)两小步去完成.
(ⅰ) 计算参数
(ⅱ) 因此,我们可以计算出参数
定理3.1 对系统(1.2)来说,下列结论成立
(1) 如果
(2) 如果
(3) 如果
4 数值模拟
在这一部分中,我们将用数值模拟表明系统(1.2)有趣的动力行为.从下面例子可以看出,随着时滞
例4.1 令
通过数值计算,我们有
图 1
图 2
5 结论
在前期准备工作中得到:条件(H
参考文献
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