数学物理学报, 2019, 39(3): 545-559 doi:

论文

一类带有交叉扩散的捕食-食饵模型的正解

袁海龙,1,2, 王玉萍1, 李艳玲3

Positive Solutions of a Predator-Prey Model with Cross Diffusion

Yuan Hailong,1,2, Wang Yuping1, Li Yanling3

通讯作者: 袁海龙, E-mail: yuanhailong@sust.edu.cn

收稿日期: 2018-04-20  

基金资助: 国家自然科学基金.  11271236
国家自然科学基金.  61672021
国家自然科学基金.  61872227
陕西科技大学博士科研启动基金.  2017BJ-44

Received: 2018-04-20  

Fund supported: the NSFC.  11271236
the NSFC.  61672021
the NSFC.  61872227
the Natural Science Foundation of Shaanxi University of Science and Technology.  2017BJ-44

摘要

该文研究了一类在齐次Dirichlet边界条件下的带有交叉扩散的捕食-食饵模型.首先,根据Leray-Schauder度理论,建立了系统的正解的存在性;其次,当参数m=β且充分大时,分别研究了正则扰动方程和奇异扰动方程的正解的存在性,和借助分歧理论说明奇异系统的正解在a*处爆破;最后,建立了系统正解的多解性.

关键词: 交叉扩散 ; 分歧 ; 正解

Abstract

A predator-prey model with cross diffusion under homogeneous Dirichlet boundary conditions is investigated. Firstly, the existence of positive solutions can be established by the Leray-Schauder degree theory. Secondly, we consider that the existence of positive solutions of the regular perturbation system and the singular perturbation system when m=β is sufficiently large, respectively, and moreover, we show that the positive solutions of the singular perturbation system will blow up along the continuum at a* by the bifurcation theory. Finally, the multiplicity results of positive solutions of system is also considered.

Keywords: Cross diffusion ; Bifurcation ; Positive solutions

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本文引用格式

袁海龙, 王玉萍, 李艳玲. 一类带有交叉扩散的捕食-食饵模型的正解. 数学物理学报[J], 2019, 39(3): 545-559 doi:

Yuan Hailong, Wang Yuping, Li Yanling. Positive Solutions of a Predator-Prey Model with Cross Diffusion. Acta Mathematica Scientia[J], 2019, 39(3): 545-559 doi:

1 引言

在本文中,我们将考虑下列带有交叉扩散的捕食-食饵模型

$ \begin{equation} \left\{\begin{array}{ll} -\Delta[(1+\alpha v) u] = u \Big(a-u-\frac{cv}{1+mu}\Big), & x \in \Omega, \\ -\Delta \Big [\Big(\mu + \frac{1}{1 + \beta u}\Big)v\Big ] = v\Big (b - v + \frac{du}{1+mu}\Big), \quad & x \in \Omega, \\ u = v = 0, & x\in\partial\Omega, \end{array}\right. \end{equation} $

其中$ \Omega $是在$ {\Bbb R}^{N} $下带有光滑边界$ \partial \Omega $的有界区域; $ u, v $分别代表食饵和捕食者的密度.参数$ a, c, d $$ \mu $是正常数;参数$ \alpha, \beta $$ m $是非负常数;参数$ b $可能变号.

当参数$ m = 0 $时,则系统(1.1)退化为带有交叉扩散的经典的具有Lotka-Volterra的捕食-食饵模型,该模型已经被许多生物数学家所研究(见参考文献[13-16, 22]及其参考文献).特别地, Kadota和Kuto[13]利用分歧理论研究了系统正解的存在性,并证明该系统的共存区域随着交叉扩散系数$ \beta $的变大而变大,随着交叉扩散系数$ \alpha $的变大而变小.接着, Kuto和Yamada[14]表明:该系统存在一个分歧解,在合适的条件下,分歧解曲线随着分歧参数其形状为$ S $型或$ \supset $型.进一步, Kuto[15]讨论了当交叉扩散系数$ \alpha = 0, \beta \rightarrow \infty $时的阴影系统,从全局分歧的角度出发,他断言该系统的正解在参数$ a = \lambda_{1} (c \mu \theta_{b/\mu}) $时发生爆破.对于在齐次Neumann边界且带有交叉扩散的竞争模型的研究见文献[17-21]及其参考文献.

$ \alpha = \beta = 0 $时,则系统(1.1)变成了经典的捕食-食饵模型,其已经被许多生物数学家所研究.特别地, Du和Lou[4]讨论了当参数$ m $不太小时,系统(1.1)正解的存在性、唯一性与多解性.接着,文献[5]证明:在合适的条件下,该系统存在Hopf分歧解的发生,且至少存在3个非退化的正解.对于其他的模型的研究,可参见文献[6-11, 25]及其参考文献.

最近, Wang和Li[24]以参数$ b $为分歧参数,他们利用全局分歧理论说明了系统从半平凡解分歧出来的正解情况.同时,他们考虑了当交叉扩散系数$ \beta $充分大时,极限系统的全局分歧解的结构及形状.

在本文中,我们考虑了系统(1.1)正解的一些性质.利用Leray-Schauder度理论,我们给出了系统正解存在的充分条件.特别地,我们考虑了当交叉扩散系数$ m = \beta $充分大时,系统(1.1)可以被看成是一些极限系统的扰动系统.我们以参数$ a $为分歧参数研究了奇异扰动系统的正解,从全局分歧的角度来看,全局分歧解关于$ (a, v) $是一致有界的.然而,解$ \|w\|_{\infty} $将在$ a = a^{*} $处爆破.最后,我们建立了系统的多解性.

我们在此介绍一些记号和基本事实.令$ \lambda_{1} (p) < \lambda_{2} (p) \leq \lambda_{3} (p) \leq \cdot\cdot\cdot $是下列特征问题的特征值

其中, $ p \in C^{\sigma} (\bar{\Omega}) $.我们知道$ \lambda_{1} (p) $是简单的,实的,且$ \lambda_{1} (p) $关于势函数$ p $是严格单调递增的,即如果$ p_{1} \leq \not\equiv p_{2} $,则我们有$ \lambda_{1} (p_{1}) < \lambda_{1} (p_{2}) $.$ p \equiv 0 $,我们记$ \lambda_{1} (0) $$ \lambda_{1} $.进一步,我们记$ \phi_{1} > 0 $$ \Omega $是主特征值$ \lambda_{1} $对应的主特征函数且满足$ \| \phi_{1} \|_{\infty} = 1 $.

我们知道如果$ a > \mu \lambda_{1} $,则下列问题

$ \begin{equation} - \mu \Delta u = u (a - u), \; u|_{\partial \Omega} = 0 \end{equation} $

存在唯一的正解,我们记为$ \mu \theta_{a/ \mu } $.显然, $ a \rightarrow \mu \theta_{a/ \mu } $关于参数$ a \in (\mu \lambda_{1}, + \infty) $是连续的,且当$ a_{1} < a_{2} $时,我们有$ \mu \theta_{a_{1}/ \mu } < \mu \theta_{a_{2}/ \mu } $.进一步,该唯一正解是非退化,线性稳定的.

全文安排如下:第二节是预备工作;第三节通过度理论研究了系统(1.1)正解的存在性;最后,第四节建立了当$ m = \beta $且充分大时,模型(1.1)正解的多解性.

2 预备工作

$ \begin{equation} U = (1+\alpha v) u, \; V = \Big(\mu + \frac{1}{1 + \beta u}\Big)v, \end{equation} $

则系统(1.1)可以改写为

$ \begin{equation} \left\{\begin{array}{ll} -\Delta U = u\Big(a-u-\frac{cv}{1+mu}\Big), & x \in \Omega, \\ -\Delta V = v\Big(b-v+\frac{du}{1+mu}\Big), \quad & x \in \Omega, \\ U = V = 0, & x\in\partial\Omega. \end{array}\right. \end{equation} $

下面,我们通过最大值原理得到系统(2.2)非负解的先验估计,由于证明过程是标准的,我们在此省去其证明仅陈述其结论.

引理2.1  令$ (U, V) $是系统(2.2)的非负解,则

引理2.2 如果$ a \leq \lambda_{1} $$ (b + \frac{d}{m}) \leq \mu \lambda_{1} $,则系统(2.2)无正解.

下面,我们固定参数$ b, c, \alpha $$ \mu $,并且定义集合$ S_{0} $$ S_{1} $:

$ S_{0} (a, b, \alpha, \mu) = \bigg\{(a, b) \in {\Bbb R}^{2}: \lambda_{1} \Big(\frac{-a}{1 + \alpha \mu \theta_{b/\mu}}\Big) = 0, \; b \geq \mu\lambda_{1} \bigg\}, $

$ S_{1} (a, b, c, \alpha, \mu) = \bigg\{(a, b) \in {\Bbb R}^{2}: \lambda_{1}\Big (\frac{c (\mu + 1)\theta_{b/(\mu + 1)} -a}{1 + \alpha (\mu + 1) \theta_{b/(\mu + 1)}}\Big) = 0, \; b \geq (\mu + 1)\lambda_{1}\bigg\}. $

下列引理表明函数$ a^{*}(b) $$ a^{**}(b) $的一些性质,由于证明过程是标准的,我们略去其证明仅陈述其结果.

引理2.3 假设$ b > \mu \lambda_{1} $,则$ S_{0} $可以改写为

其中, $ a = a^{*}(b) $关于参数$ b \in [\mu\lambda_{1}, +\infty) $是正的连续函数,且满足下列两条性质:

(ⅰ) $ a^{*}(b) $关于参数$ b \in [\mu\lambda_{1}, +\infty) $是严格单调递增的;

(ⅱ) $ a^{*}(\mu\lambda_{1}) = \lambda_{1}; \lim\limits_{b \rightarrow +\infty} a^{*}(b) = \infty $.

引理2.4 假设$ b > (\mu + 1)\lambda_{1} $,则$ S_{1} $可以改写为

其中, $ a = a^{**}(b) $关于参数$ b \in [(\mu+1)\lambda_{1}, +\infty) $是正的连续函数,且满足下列两条性质:

(ⅰ) $ a^{**}(b) $关于参数$ b \in [(\mu+1)\lambda_{1}, +\infty) $是严格单调递增的;

(ⅱ) $ a^{**}((\mu+1)\lambda_{1}) = \lambda_{1}; \lim\limits_{b \rightarrow +\infty} a^{**}(b) = \infty $.

为方便起见,我们在此定义两个正的函数$ \phi^{*} $$ \phi^{**} $分别满足下列方程

$ - \Delta \phi^{*} - \frac{ a^{*}}{1 + \alpha \mu \theta_{b/ \mu }} \phi^{*} = 0, \; \; \|\phi^{*}\|_{\infty} = 1, \; \phi^{*}|_{\partial \Omega} = 0, $

$ - \Delta \phi^{**} + \frac{c (\mu + 1)\theta_{b/(\mu + 1)} - a^{**}}{1 + \alpha (\mu + 1)\theta_{b/(\mu + 1)}} \phi^{**} = 0, \; \; \|\phi^{**}\|_{\infty} = 1, \; \phi^{**}|_{\partial \Omega} = 0. $

$ p > N $,我们定义Banach空间$ X $$ Y $

根据嵌入定理,我们知道$ X \subseteq C^{1}(\bar{\Omega}) \times C^{1}(\bar{\Omega}) $.

在此陈述一些关于不动点指标计算的理论.设$ X $是实的Banach空间, $ W \subset X $为闭凸子集.若对任意的$ \alpha \geq 0 $均有$ \alpha W \subset W $,则称$ W $为楔.如果$ W \cap \{-W\} = 0 $,那么楔$ W $称之为锥.设$ y \in W $,定义楔

其中, "cl"表示集合的闭包.

引理2.5[2, 9-10]  设$ W $$ E $中的一个楔, $ A:W \rightarrow W $是紧映射,且存在不动点$ y_{0} \in W $,使得$ Ay_{0} = y_{0} $.$ L = A'(y_{0}) $$ A $$ y_{0} $处的Fréchet导数,则$ L: W_{y_{0}} \rightarrow W_{y_{0}} $.$ I - L $$ E $上可逆,并且

(ⅰ) $ L $$ W_{y_{0}} $上具有$ \alpha $性质,则$ {\rm index}_{W} (A, y_{0}) = 0 $;

(ⅱ) $ L $$ W_{y_{0}} $不上具有$ \alpha $性质,则$ {\rm index}_{W} (A, y_{0}) = {\rm index}_{E}(L, 0) = (-1)^{\sigma} $,其中, $ \sigma $$ L $大于1的特征值的代数重数之和.

3 正解的存在性

在本节中,我们将通过Leray-Schauder度理论来建立系统(2.2)的正解的存在性.首先,我们给出下列记号:

$ E = C_{0} (\bar{\Omega}) \times C_{0} (\bar{\Omega}) $.

$ P = K \times K, \; \mbox{其中}, \; K = \{U \in C_{0} (\bar{\Omega}): U (x) \geq 0\; \mbox{当}\; x \in \bar{\Omega} \} $.

$ D = \{(U, V) \in P : U < M (a, \alpha) + 1, \; V < (\mu + 1)(b + \frac{d}{m}) + 1\} $.

我们定义正的紧算子$ A_{t} : \bar{D} \rightarrow E $

其中, $ p $是充分大的数满足$ A_{t} $是正的紧算子

为了计算算子$ A_{t} $的不动点指标,我们在此给出算子$ A_{t} $的Fréchet导数.令$ Q = (1+\alpha v)(\mu + \frac{1}{1+\beta u}) + \frac{\alpha \beta u v}{(1 + \beta u)^{2}} $,则

根据(2.1)式,我们有

进一步,我们有

因此

现在,我们建立算子$ A $的不动点指标.

引理3.1 假设$ a > \lambda_{1} $,则

(ⅰ) $ deg_{P} (I - A, D) = 1 $;

(ⅱ) $ ind_{P} (A, (0, 0)) = 0 $如果$ b \not = (\mu+1) \lambda_{1} $;

(ⅲ) $ ind_{P} (A, (\theta_{a}, 0)) = 0 $如果$ \lambda_{1} (- \frac{(b(1 + m \theta_{a}) + d \theta_{a}) (1 + \beta \theta_{a})}{(1 + m \theta_{a}) (\mu (1 + \beta \theta_{a}) + 1)}) < 0 $;

(ⅳ) $ ind_{P} (A, (\theta_{a}, 0)) = 1 $如果$ \lambda_{1} (- \frac{(b(1 + m \theta_{a}) + d \theta_{a}) (1 + \beta \theta_{a})}{(1 + m \theta_{a}) (\mu (1 + \beta \theta_{a}) + 1)}) > 0 $.进一步,如果$ b > (\mu + 1) \lambda_{1} $,则

(ⅴ) $ ind_{P} (A, (0, (\mu + 1)^{2} \theta_{b/(\mu + 1)})) = 0 $如果$ \lambda_{1} (\frac{c (\mu + 1) \theta_{b/(\mu + 1)} -a}{1 + \alpha (\mu + 1) \theta_{b/(\mu + 1)}}) < 0 $;

(ⅵ) $ ind_{P} (A, (0, (\mu + 1)^{2}\theta_{b/(\mu + 1)})) = 1 $如果$ \lambda_{1} (\frac{c (\mu + 1)\theta_{b/(\mu + 1)} -a}{1 + \alpha (\mu + 1) \theta_{b/(\mu + 1)}}) > 0 $.

  (ⅰ)显然,通过引理2.1我们知道算子$ A_{t} $在边界$ \partial D $无不动点.因此,我们知道Leray-Schauder度$ deg_{P}(I - A_{t}, D) $有定义,且我们有

特别地

经过简单计算我们有

$ r(A_{0}'(0, 0)) < 1 $.因此,算子$ I - A_{0}'(0, 0) $$ \bar{P}_{(0, 0)} $是可逆的且算子$ A_{0}'(0, 0) $$ \bar{P}_{(0, 0)} $$ \alpha $性质.因此, $ ind_{P} (A_{0}, (0, 0)) = 1 $.也就是说, $ deg_{P} (I - A, D) = 1 $.

(ⅱ)显然,我们有$ A'(0, 0) (U, V) = (-\Delta + p I)^{-1} ((p + a) U, (p + \frac{b}{\mu + 1}) V) $,假设存在一些$ (U, V) \in \bar{P}_{(0, 0)} $使得$ A'(0, 0) (U, V) = (U, V) $成立,则$ - \Delta U = a U, \; U|_{\partial \Omega} = 0 $.如果$ U > 0 $,则$ a = \lambda_{1} $,矛盾.因此, $ U \equiv 0 $.类似地, $ V \equiv 0 $.从而, $ I - A'(0, 0) $$ \bar{P}_{(0, 0)} $是可逆的.

由于$ a > \lambda_{1} $,从而$ r_{a} = r [(- \Delta + p)^{-1}(a + p)] > 1 $,且$ r_{a} $是算子$ (-\Delta + p)^{-1}(a + p) $的主特征值,其对应的主特征函数$ U > 0 $.$ t_{0} = r_{a}^{-1} $,则$ 0 < t_{0} < 1 $$ (I - t_{0} A'(0, 0)) (U, 0) = (0, 0) \in S_{(0, 0)} $.从而, $ A'(0, 0) $$ \alpha $性质.因此, $ ind_{P} (A, (0, 0)) = 0 $.

(ⅲ)经过简单的计算我们有

假设存在一些$ (U, V) \in \bar{P}_{(\theta_{a}, 0)} $使得$ A'(\theta_{a}, 0) (U, V) = (U, V) $成立,则

如果$ V \geq\not\equiv 0 $,则$ \lambda_{1} (- \frac{(b(1 + m \theta_{a}) + d \theta_{a}) (1 + \beta \theta_{a})}{(1 + m \theta_{a}) (\mu (1 + \beta \theta_{a}) + 1)}) = 0 $.由于$ \lambda_{1} (- \frac{(b(1 + m \theta_{a}) + d \theta_{a}) (1 + \beta \theta_{a})}{(1 + m \theta_{a}) (\mu (1 + \beta \theta_{a}) + 1)}) < 0 $,从而$ V \equiv 0 $,进而$ U \equiv 0 $.因此, $ (U, V) = (0, 0) $.也就是说, $ I - A'(\theta_{a}, 0) $$ \bar{P}_{(\theta_{a}, 0)} $是可逆的.

下面我们断言算子$ A'(\theta_{a}, 0) $$ \bar{P}_{(\theta_{a}, 0)} $$ \alpha $性质.令

$ r_{b} = r(L) > 1 $是算子$ L $的特征值,且其对应的特征函数$ V > 0 $.$ t_{0} = r_{b}^{-1} $,则$ t_{0} \in (0, 1) $.由于$ (0, V) \in \bar{P}_{(\theta_{a}, 0)} \setminus S_{(\theta_{a}, 0)} $,我们有

进而,算子$ A'(\theta_{a}, 0) $$ \alpha $性质.因此, $ ind_{P} (A, (\theta_{a}, 0)) = 0 $.

(ⅳ)类似地,我们可以证明算子$ I - A'(\theta_{a}, 0) $$ \bar{P}_{(\theta_{a}, 0)} $可逆.下面我们仅说明算子$ A'(\theta_{a}, 0) $$ \bar{P}_{(\theta_{a}, 0)} $$ \alpha $性质.我们采用反证法.假设算子$ L $$ \bar{P}_{(\theta_{a}, 0)} $$ \alpha $性质,从而存在某个$ 0 < t < 1 $$ (U, V) \in \bar{P}_{(\theta_{a}, 0)}\setminus S_{(\theta_{a}, 0)} $使得$ (I - t L) (U, V) \in S_{(\theta_{a}, 0)} $.因此

由于$ V \in K \setminus \{0\} $,我们知道$ \frac{1}{t} > 1 $是算子$ L $的特征值.由于$ \lambda_{1} (- \frac{(b(1 + m \theta_{a}) + d \theta_{a}) (1 + \beta \theta_{a})}{(1 + m \theta_{a}) (\mu (1 + \beta \theta_{a}) + 1)}) > 0 $,我们有$ r(L) < 1 $,矛盾.因此, $ L $$ \bar{P}_{(\theta_{a}, 0)} $$ \alpha $性质.根据引理, $ ind_{P} (A, (\theta_{a}, 0)) = (-1)^{\sigma} $,其中, $ \sigma $是算子$ L $所有大于1的特征值的代数重数之和.

假设$ \frac{1}{\mu} > 1 $是算子$ L $的特征值且其对应的特征函数为$ (U, V) $,则

也就是说

如果$ V \not\equiv 0 $,则

因此, $ \lambda_{1} (- \frac{(b (1 + m \theta_{a}) + d \theta_{a})(1 + \beta \theta_{a})}{(\mu(1 + \beta \theta_{a}) + 1)(1 + m \theta_{a})}) < 0 $,矛盾.从而, $ V \equiv 0, U \equiv 0 $.也就是说,算子$ L $没有大于1的特征值.进而, $ ind_{P} (A, (\theta_{a}, 0)) = 1 $.

由于情形(ⅴ)和(ⅳ)证明方法是类似地,我们在此省略其证明.

根据引理3.1我们可以建立系统(2.2)正解的存在性,由于证明过程是标准的,我们在此省略其证明仅陈述其结果.

定理3.1 假设$ a > \lambda_{1} $,则系统(2.2)有正解的充分条件为

$ \begin{equation} \lambda_{1} \Big(- \frac{(b(1 + m \theta_{a}) + d \theta_{a}) (1 + \beta \theta_{a})}{(1 + m \theta_{a}) (\mu (1 + \beta \theta_{a}) + 1)}\Big) < 0 \; \mbox{且} \; \lambda_{1} \Big(\frac{c (\mu + 1)\theta_{b/(\mu + 1)} -a}{1 + \alpha (\mu + 1) \theta_{b/(\mu + 1)}}\Big) < 0 \end{equation} $

成立.其中, $ \theta_{b/(\mu + 1)} \equiv 0 $如果$ b \leq (\mu + 1) \lambda_{1} $.

4 正解的多解性

在本节中,我们考虑参数$ \beta = m $且充分大时的情形,则当参数$ \beta = m $且充分大时,系统(1.1)可以被看成是下列的正则扰动问题

$ \begin{equation} \left\{\begin{array}{ll} -\Delta [(1 + \alpha v) u] = u (a-u), \quad & x \in \Omega, \\ -\mu \Delta v = v (b - v), \quad & x \in \Omega, \\ u = v = 0, & x\in\partial\Omega, \end{array}\right. \end{equation} $

和奇异扰动问题

$ \begin{equation} \left\{\begin{array}{ll} -\Delta [(1 + \alpha v) w] = w \Big(a - \frac{cv}{1 + w}\Big), & x \in \Omega, \\ -\Delta\Big [\Big(\mu + \frac{1}{1 + w}\Big)v\Big ] = v (b - v ), \quad & x \in \Omega, \\ w = v = 0, & x\in\partial\Omega. \end{array}\right. \end{equation} $

引理4.1 假设$ b > \mu \lambda_{1} $$ a > a^{*} $,则系统(4.1)存在正解,记为$ (\tilde{\theta}_{a, \alpha}, \mu \theta_{b/\mu}) $.

引理4.2[15]  令$ (w, v) $是系统(4.2)的任意正解,则我们有

其中, $ V = (\mu + \frac{1}{1 + w}) v $.

引理4.3 如果$ a > \lambda_{1} (c \frac{(\mu + 1)^{2}}{\mu} \theta_{b/\mu}) $,则系统(4.2)无正解.

 我们采用反证法.假设当$ a > \lambda_{1} (c \frac{(\mu + 1)^{2}}{\mu} \theta_{b/\mu}) $时,系统(4.2)有正解$ (w, v) $,则

$ \phi = (1 + \alpha v) w $,则$ w = \frac{\phi}{1 + \alpha v} $.因此

从而,我们有

也就是说, $ a < \lambda_{1} (c \frac{(\mu + 1)^{2}}{\mu} \theta_{b/\mu}) $,矛盾.证毕.

引理4.4  令$ (w, v) $是系统(4.2)的任意正解,则对任意充分小的$ \epsilon > 0 $$ b > (\mu + 1) \lambda_{1} $, $ a^{*} + \epsilon \leq a < \lambda_{1} (c \frac{(\mu + 1)^{2}}{\mu} \theta_{b/\mu}) $,存在常数$ C = C(\epsilon) > 0 $满足$ \| w \|_{C^{1}} \leq C $.

 我们采用反证法.假设存在$ \epsilon_{0} > 0, a_{i} \rightarrow a \in [a^{*} + \epsilon, \lambda_{1} (c \frac{(\mu + 1)^{2}}{\mu} \theta_{b/\mu})] $且当$ a = a_{i} $时,设$ w_{i} $是系统(4.2)的解,满足$ \| w_{i} \|_{\infty} \rightarrow \infty $,且$ v_{i} \rightharpoonup v $$ L^{2} $空间弱收敛成立.令$ \tilde{w}_{i} = \frac{w_{i}}{\|w_{i}\|_{\infty}} $,则

$ \begin{equation} -\Delta [(1 + \alpha v_{i}) \tilde{w}_{i}] = \tilde{w}_{i}\Big (a_{i} - \frac{cv_{i}}{1 + w_{i}}\Big), \; \tilde{w}_{i}|_{\partial \Omega} = 0. \end{equation} $

$ \phi_{i} = (1 + \alpha v_{i}) \tilde{w}_{i} $,则$ \tilde{w}_{i} = \frac{\phi_{i}}{1 + \alpha v_{i}} $.因此,系统(4.3)可以改写为

根据二阶椭圆型正则化理论,我们可以假设$ \phi_{i} \rightarrow \phi $$ C^{1} $空间上成立且$ \frac{1}{1 + \alpha v_{i} + \phi_{i} \| w_{i} \|_{\infty} } \rightharpoonup h $, $ v_{i} \rightharpoonup v $$ L^{2} $空间上弱收敛成立.在上述方程两边同时取极限,我们有

根据最大值原理,我们知道$ \phi > 0 $$ \Omega $上成立.因此, $ h = 0 $, $ - \Delta \phi = \frac{a}{1 + \alpha v} \phi $,且$ \lambda_{1} (- \frac{a}{1 + \alpha v}) = 0 $.经过简单计算我们知道, $ v = \mu \theta_{b/\mu} $.因此, $ \lambda_{1} (- \frac{a}{1 + \alpha \mu \theta_{b/\mu}}) = 0 $.也就是说, $ a = a^{*} $,矛盾.证毕.

$ W = (1 + \alpha v) w, V = (\mu + \frac{1}{1 + w})v $,则系统(4.2)可以改写为

$ \begin{equation} \left\{\begin{array}{ll} -\Delta W = w\Big (a - \frac{cv}{1 + w}\Big), \quad & x \in \Omega, \\ -\Delta V = v (b - v ), & x \in \Omega, \\ W = V = 0, & x \in \partial \Omega. \end{array}\right. \end{equation} $

显然,当$ b > (\mu + 1)\lambda_{1} $时,系统(4.4)存在半平凡解$ (W, V) = (0, (\mu + 1)^{2} \theta_{b/(\mu + 1)}) $.特别地,我们令参数$ a $为分歧参数且固定其他参数.

$ f (w, v) = w (a - \frac{cv}{1 + w}), g(u, v) = v (b - v) $,其中, $ w, v $$ W, V $的函数.根据在$ (W, V) $$ (W^{*}, V^{*}) $的Taylor展式,我们可以将系统(4.4)改写为

$ \begin{eqnarray} { \Delta W \choose \Delta V } & +& { f(w(W^{*}, V^{*}), v(W^{*}, V^{*}) \choose g(w(W^{*}, V^{*}), v(W^{*}, V^{*}) }+ { f^{*}_{w} \quad f^{*}_{v} \choose g^{*}_{w} \quad g^{*}_{v} } { w^{*}_{W} \quad w^{*}_{V} \choose v^{*}_{W} \quad v^{*}_{V} } { W-W^{*} \choose V-V^{*} } \\ & + &{ \rho^{1}(W-W^{*}, V-V^{*}) \choose \rho^{2}(W-W^{*}, V-V^{*}) } = { 0 \choose 0 }, \end{eqnarray} $

其中, $ f^{*}_{w} = f_{w}(w(W^{*}, V^{*}), v(W^{*}, V^{*})), w^{*}_{W} = w_{W}(W^{*}, V^{*}) $,其他记号定义类似.因此, $ \rho^{i}(W-W^{*}, V-V^{*})(i = 1, 2) $是光滑函数且满足$ \rho^{i}(0, 0) = $$ \rho^{i}_{(W, V)}(0, 0) = 0\; (i = 1, 2) $,且

如果$ (w, v) = (0, (\mu + 1) \theta_{b/(\mu + 1)}) $,则

显然, $ f(0, (\mu + 1)\theta_{b/(\mu + 1)}) = 0, \; g(0, (\mu + 1)\theta_{b/(\mu + 1)}) = - (\mu + 1)^{2} \Delta \theta_{b/(\mu + 1)} $.$ (W^{*}, V^{*}) = (0, (\mu + 1)^{2} \theta_{b/(\mu + 1)}), \overline{V} = V - (\mu + 1)^{2} \theta_{b/(\mu + 1)} $,则

其中, $ \rho^{i}(a; W, \overline{V})(i = 1, 2) $是光滑函数且满足$ \rho^{1}_{(W, \overline{V})}(a; 0, 0) = \rho^{2}_{(W, \overline{V})}(a; 0, 0) = 0 $.

令算子$ K $是算子$ - \Delta $在齐次Dirichlet边界条件下的逆算子,则

我们定义算子$ T : {\Bbb R} \times X \rightarrow X $

则算子$ T(a; W, \overline{V}) $$ X $空间的紧算子.令$ G (a; W, \overline{V}) = (W, \overline{V}) - T (a; W, \overline{V}) $,显然,算子$ G $$ C^{1} $函数且满足$ G (a; 0, 0) = 0 $并将其Fréchet导数记为$ D G_{(W, \overline{V})}(a; 0, 0) $.

根据局部分歧理论表明系统(4.4)在$ a = a^{**} $附近存在局部分歧解.

定理4.1  系统(4.4)从半平凡解$ (0, (\mu + 1)^{2} \theta_{b/(\mu + 1)}) $产生分歧的充分必要条件是$ a = a^{**} $.进一步,系统(4.4)在$ (a^{**}; 0, (\mu + 1)^{2} \theta_{b/(\mu + 1)}) \in {\Bbb R} \times X $附近的正解可以写为

其中, $ \delta > 0 $$ \phi^{**}, \psi^{**} \in X $. $ (a(s); \phi(s), \psi(s)) $关于参数$ s $是光滑函数且满足$ a(0) = a^{**}, \phi(0) = \psi(0) = 0 $.

 令$ L(a; 0, 0) = D G_{(W, \overline{V})}(a; 0, 0) $,则

$ L(a; 0, 0)(W, \overline{V}) = 0 $,则

如果$ W = 0 $,则$ \overline{V} = 0 $,矛盾.因此$ a = a^{**} $.进而, $ {\rm Ker}\; L(a^{**}; 0, 0) $ = span $ \{\phi^{**}, \psi^{**}\} $,其中, $ \psi^{**} = (-\Delta - \frac{b}{\mu + 1} + 2 \theta_{b/(\mu + 1)})^{-1}\frac{(b - 2(\mu + 1)\theta_{b/(\mu + 1)}) \theta_{b/(\mu + 1)}}{1 + \alpha (\mu + 1)\theta_{b/(\mu + 1)}} \phi^{**} $.

记算子$ L (a^{**}; 0, 0) $的伴随算子为$ L^{*}(a^{**}; 0, 0) $,则

$ L^{*}(a^{**}; 0, 0)(W, \overline{V}) = 0 $,则$ {\rm Ker}\; L^{*}(a^{**}; 0, 0) $ = span $ \{ - \Delta \phi^{**}, 0 \} $.根据Fredholm选择公理,我们知道算子$ L (a^{**}; 0, 0) $的值域为$ R (L (a^{**}; 0, 0)) = \{(h, k) \in X : \int_{\Omega} h \Delta \phi^{**} = 0 \} $.因此,算子$ L (a^{**}; 0, 0) $的值域$ R (L (a^{**}; 0, 0)) $的余维数为1.令$ L_{1} (a^{**}, 0, 0) (\phi^{**}, \psi^{**}) = D^{2}_{a, (W, \overline{V})} G(a^{**}; 0, 0) (\phi^{**}, \psi^{**}) $$ = (- K \frac{1}{1 + \alpha (\mu + 1)\theta_{b /(\mu + 1)}} \phi^{**}, 0) $.由于$ L_{1} (a^{**}; 0, 0) (\phi^{**}, \psi^{**}) \not\in R (L (a^{**}; 0, 0)) $.根据局部分歧理论[1]我们知道,结论成立.证毕.

下面,我们根据全局分歧理论将上述的局部分歧解延拓为全局分歧解.特别地,我们断言:该全局分歧解将在$ a = a^{*} $处爆破.

假设$ \sigma \geq 1 $是算子$ T'(a) $的特征值且其对应的特征函数为$ (\xi, \eta) $,则

如果$ \xi = 0 $,则$ \eta = 0 $,矛盾.也就是说, $ a = a_{i}(\sigma) (i = 1, 2, \cdot \cdot \cdot) $,其中, $ a_{i}(\sigma) $关于参数$ \sigma \geq 1 $是单调递增的且可排成$ 0 < a_{1}(\sigma) < a_{2}(\sigma) \leq \cdot \cdot \cdot, \; a_{1}(1.1) = a^{**} $.进一步,如果$ \sigma \geq 1 $,我们知道算子$ - \sigma \Delta - \frac{b}{\mu + 1} + 2 \theta_{b/(\mu + 1)} $的所有特征值是正的.因此,我们有$ \eta = (- \sigma \Delta - \frac{b}{\mu + 1} + 2 \theta_{b/(\mu + 1)})^{-1} \frac{(b - 2(\mu + 1)\theta_{b/(\mu + 1)}) \theta_{b/(\mu + 1)}}{1 + \alpha (\mu + 1)\theta_{b/(\mu + 1)}} \xi $.从而,存在一些$ i = 1, 2, \cdot \cdot \cdot $使得$ \sigma \geq 1 $是算子$ T'(a) $特征值的充要条件是$ a = a_{i}(\sigma) $.

假设$ a < a^{**} $,则对任意的$ \sigma \geq 1 $, $ i \geq 1 $我们有$ a < a_{1}(1.1) \leq a_{i}(\sigma) $.因此, $ T'(a) $没有大于1的特征值,从而, $ i (T(a, \cdot), 0) = 1 $.

假设$ a^{**} < a < a_{2}(1.1) $,则对任意的$ \sigma \geq 1, i \geq 2 $我们有$ a < a_{i}(\sigma) $.由于$ \lim\limits_{\sigma \rightarrow \infty} a_{1} (\sigma) = + \infty $,存在唯一的$ \sigma_{1} $使得$ a = a_{1}(\sigma_{1}) $.因此, $ {\rm Ker} (\sigma_{1} I - T'(a)) = {\rm span} \{(\bar{\xi}, \bar{\eta}) \}, $$ {\rm dim}\; {\rm Ker} (\sigma_{1} I - T'(a)) = 1 $,其中, $ \bar{\xi} > 0 $是下列问题的主特征函数

$ \bar{\eta} = (- \sigma_{1} \Delta - \frac{b}{\mu + 1} + 2 \theta_{b/(\mu + 1)})^{-1} \frac{(b - 2(\mu + 1)\theta_{b/(\mu + 1)}) \theta_{b/(\mu + 1)}}{1 + \alpha (\mu + 1)\theta_{b/(\mu + 1)}} \bar{\xi} $.

下面,我们断言: $ R (\sigma_{1} I - T'(a)) \cap {\rm Ker} (\sigma_{1} I - T'(a)) = 0 $.我们采用反证法.假设$ (\bar{\xi}, \bar{\eta}) \in R (\sigma_{1} I - T'(a)) $,存在$ (\xi, \eta) \in X $使得$ (\sigma_{1} I - T'(a))(\xi, \eta) = (\bar{\xi}, \bar{\eta}) $.也就是说

$ \begin{equation} \sigma_{1} \Delta \xi + \frac{a - c (\mu + 1)\theta_{b/(\mu + 1)}}{1 + \alpha (\mu + 1)\theta_{b/(\mu + 1)}} \xi = \Delta \bar{\xi}, \; \xi|_{\partial \Omega} = 0. \end{equation} $

在(4.6)式两边同时乘以$ \bar{\xi} $且分部积分,有$ \int_{\Omega} \bar{\xi} \Delta \bar{\xi} = 0 $.也就是说, $ \int_{\Omega} \frac{a - c (\mu + 1)\theta_{b/(\mu + 1)}}{1 + \alpha (\mu + 1)\theta_{b/(\mu + 1)}} \bar{\xi}^{2} = 0 $,矛盾.因此,当$ a^{**} < a < a_{2}(1.1) $时,我们有$ i (T(a, \cdot), 0) = - 1 $.

根据全局分歧理论[23],在$ {\Bbb R}^{+} \times X $中,存在从半平凡解$ (a^{**}; 0, 0) $出发的连通分支$ C_{0} $满足$ G(a; \xi, \eta) = 0 $,且在$ (a^{**}; 0, 0) $的附近, $ G(a; \xi, \eta) $的所有零点都在定理4.1中得到的那条分歧曲线$ \{(a(s); s(\phi^{**}+ \phi(s)), s(\psi^{**}+ \psi(s))): |s| < \delta\} $,其中, $ a(0) = a^{**}, \phi(0) = \psi(0) = 0 $.$ C_{1} = C_{0} - \{(a(s); s(\phi^{**}+ \phi(s)), s(\psi^{**}+ \psi(s))) : - \delta < s < 0 \} $, $ C = \{(a; W, V) : W = s(\phi^{**} + \phi(s)), V = (\mu + 1)^{2} \theta_{b/(\mu + 1)} + s(\psi^{**} + \psi(s)), (a; \xi, \eta) \in C_{1} \} $,则$ C $是系统(4.4)从$ \{(a^{**}; 0, (\mu + 1)^{2} \theta_{b/ (\mu + 1)}) \} $分歧出来的解曲线,且在$ \{(a^{**}; 0, (\mu + 1)^{2} \theta_{b/ (\mu + 1)}) \} $的小邻域内,解曲线$ C \subset P_{0} $,其中, $ P_{0} = \{W, V: W > 0, V > 0, x \in \Omega, \frac{\partial W}{\partial \upsilon} < 0, \frac{\partial V}{\partial \upsilon} < 0, x \in \partial \Omega\} $.

定理4.2   $ C - \{(a^{**}; 0, (\mu + 1)^{2} \theta_{b/ (\mu + 1)}) \} $连接半平凡解$ \{(a^{**}; 0, (\mu + 1)^{2} \theta_{b/ (\mu + 1)}) \} $在正椎$ P_{0} $内延伸至$ \infty $.进一步,对于序列$ \{(a_{i}, W_{i}, V_{i})\} \subset C $满足

 根据Rabinowitz的全局分歧理论[23]和更加一般的全局分歧理论(López-Gómez[12]和Dancer[3]),我们知道全局分歧解必居以下三条之一:

(ⅰ) $ C $连接另一个半平凡解$ \{a; 0, (\mu + 1)^{2} \theta_{b/(\mu + 1)} \} $,其中, $ a \neq a^{**}, I - T'(a) $是不可逆的;

(ⅱ) $ C $$ {\Bbb R} \times X $内延伸至无穷;

(ⅲ)存在$ a = \hat{a}, Z \in \overline{Y} \setminus \{0\} $满足$ (\hat{a}; Z) \in C $,其中, $ \overline{Y} $$ \{(- \Delta \phi^{**}, 0)\} $的补空间,其中, $ \{(- \Delta \phi^{**}, 0)\} $由定理4.1给出.

如果$ C - \{ (a^{**}; 0, (\mu + 1)^{2} \theta_{b/(\mu + 1)}) \} \not\subset P_{0} $,则存在$ (\tilde{a}; \tilde{W}, \tilde{V}) \in \{C - (a^{**}; 0, (\mu + 1)^{2} \theta_{b/(\mu + 1)}) \} $$ \cap \partial P_{0} $是下列序列的极限$ \{ (\tilde{a}_{i}; \tilde{W}_{i}, \tilde{V}_{i}) \} \subset C \cap P_{0}, \; \tilde{W}_{i} > 0, \; \tilde{V}_{i} > 0 $$ \Omega $.由于$ (\tilde{a}; \tilde{W}, \tilde{V}) \in \partial P_{0} $,我们知道存在点$ x_{0} \in \Omega $使得$ \tilde{W}(x_{0}) = 0 $或存在点$ x_{0} \in \partial \Omega $使得$ \frac{\partial \tilde{W}}{\partial \upsilon} (x_{0}) = 0 $.根据强最大值原理,我们知道$ \tilde{W} \equiv 0 $$ \Omega $上成立.类似地,对于其他情形我们有$ \tilde{V} \equiv 0 $$ \Omega $上成立.

假设$ \tilde{W} \equiv 0, \tilde{V} = (\mu + 1)^{2} \theta_{b/(\mu + 1)} $,令$ \tilde{W}_{i}^{*} = \frac{\tilde{W}_{i}}{\|\tilde{W}_{i}\|_{\infty}} $,则

根据二阶椭圆型正则化理论我们可以假设$ \tilde{W}_{i}^{*} \rightarrow \tilde{W}^{*} $, $ \tilde{V}_{i} \rightarrow \tilde{V} $$ C^{1} $空间上成立且$ \|\tilde{W}^{*}\|_{\infty} = 1 $, $ \tilde{v}_{i} \rightharpoonup \tilde{v} $$ L^{p} $空间弱收敛成立.在上述方程两边同时取极限,我们有

因此, $ a = a^{**} $,矛盾.

假设$ \tilde{W} > 0, \tilde{V} \equiv 0 $,令$ \tilde{V}_{i}^{*} = \frac{\tilde{V}_{i}}{\|\tilde{V}_{i}\|_{\infty}} $,则

根据二阶椭圆型正则化理论我们可以假设$ \tilde{W}_{i} \rightarrow \tilde{W} $, $ \tilde{V}_{i}^{*} \rightarrow \tilde{V}^{*} $$ C^{1} $空间成立且满足$ \| \tilde{V}^{*} \|_{\infty} = 1 $, $ \tilde{w}_{i} \rightharpoonup \tilde{w} $$ L^{p} $空间弱收敛成立.在上述方程两边同时取极限,我们有

$ \tilde{W} = s \phi_{1} $,其中, $ s \geq 0 $.因此, $ \lambda_{1} (- b \frac{1 + \beta s \phi_{1}}{\mu (1 + \beta s \phi_{1}) + 1}) = 0 $,矛盾.

假设$ (\tilde{W}, \tilde{V}) \equiv (0, 0) $,类似地,我们可以得到矛盾.

因此,我们必有$ C - \{ (a^{**}; 0, (\mu + 1)^{2} \theta_{b/(\mu + 1)}) \} \subset P_{0} $.从而,情形(ⅰ)不会发生.由于$ \phi^{**} > 0 $$ \Omega $上成立,补空间$ \overline{Y} $不可能包含不变号的元素,从而,情形(ⅲ)也不会发生.因此,情形(ⅱ)必然发生.也就是说,解曲线$ C $$ R \times X $空间延伸至无穷.根据引理4.3,我们知道参数$ a $是有界的,从而我们有$ \lim\limits_{i \rightarrow \infty} \|W_{i}\|_{\infty} = \infty $.现在,我们证明: $ \lim\limits_{i \rightarrow \infty} a_{i} = a^{*} $.显然, $ \lim\limits_{i \rightarrow \infty} v_{i} = \mu \theta_{b/\mu} $,因此, $ \lim\limits_{i \rightarrow \infty} V_{i} = \mu^{2} \theta_{b/\mu} $.$ W_{i}^{*} = \frac{W_{i}}{\|W_{i}\|_{\infty}} $,则

根据二阶椭圆型正则化理论我们可以假设$ W_{i}^{*} \rightarrow W^{*} $$ C^{1} $空间成立且$ \frac{1}{1 + \alpha v_{i} + W_{i}} \rightharpoonup h $$ L^{2} $空间弱收敛成立.在上述方程两边同时取极限,我们有

根据强最大值原理,我们有$ W^{*} > 0 $$ \Omega $上成立.因此, $ h = 0, -\Delta W^{*} = \frac{a}{1 + \alpha \mu \theta_{b/\mu}} $$ W^{*} $.从而, $ \lambda_{1} (- \frac{a}{1 + \alpha \mu \theta_{b/\mu}}) = 0 $.也就是说, $ a = a^{*} $.证毕.

下面的定理表明:当$ a \in [a^{*} + \epsilon, a^{**}), b > (\mu + 1) \lambda_{1} $$ m = \beta $充分大时,则系统(1.1)有两种类型的正解.

定理4.3 假设$ b > (\mu + 1) \lambda_{1} $,则存在充分小的$ \epsilon, \delta $和充分大的$ M_{1} = M_{1} (\epsilon, \delta) $,使得当$ m \geq M_{1} $$ a \in [a^{*} + \epsilon, a^{**}) $时,有$ \|u - \tilde{\theta}_{a, \alpha}\|_{C^{1}} + \|v - \mu \theta_{b/\mu}\|_{C^{1}} < \delta $$ \|m u - \tilde{w}\|_{C^{1}} + \|v - \tilde{v}\|_{C^{1}} < \delta $,其中, $ (u, v) $是系统(1.1)的正解, $ (\tilde{\theta}_{a, \alpha}, \mu \theta_{b/\mu}) $是系统(4.1)的正解, $ (\tilde{w}, \tilde{v}) $是系统(4.2)的正解.

 我们采用反证法.假设存在$ m_{i} \rightarrow \infty $, $ a_{i} \rightarrow a \in [a^{*} + \epsilon, a^{**}] $且当$ (a, m) = (a_{i}, m_{i}) $时,设$ (u_{i}, v_{i}) $是系统(1.1)的解使得$ (u_{i}, v_{i}) $满足$ \|u_{i} - \tilde{\theta}_{a, \alpha} \|_{C^{1}} + \|v_{i} - \mu \theta_{b/\mu} \|_{C^{1}} \geq \delta $,且$ \|m_{i} u_{i} - \tilde{w}\|_{C^{1}} + \|v_{i} - \tilde{v}\|_{C^{1}} \geq \delta $.这里有两种情形我们需要考虑:

情形(ⅰ)如果$ m_{i} \|u_{i}\|_{\infty} \rightarrow \infty $,则我们断言: $ u_{i} \rightharpoonup u > 0 $$ L^{2} $空间弱收敛成立.反证法.假设$ u_{i} \rightharpoonup 0 $,令$ \tilde{u}_{i} = \frac{u_{i}}{\|u_{i}\|_{\infty}} $,则

$ \begin{equation} -\Delta [(1 + \alpha v_{i}) \tilde{u}_{i} ] = \tilde{u}_{i} \Big(a_{i} - u_{i}- \frac{c v_{i}}{1 + m_{i} u_{i}}\Big), \; \tilde{u}_{i}|_{\partial \Omega} = 0. \end{equation} $

$ \phi_{i} = (1 + \alpha v_{i}) \tilde{u}_{i} $,则(4.7)式可以改写为

根据二阶椭圆型正则化理论我们知道, $ \phi_{i} \rightarrow \phi $$ C^{1} $空间成立且$ v_{i} \rightharpoonup v $, $ \frac{1}{1 + m_{i} u_{i}} \rightharpoonup h $$ L^{2} $空间弱收敛成立.在上述方程两边同时取极限,我们有

根据强最大值原理我们知道, $ \phi > 0 $$ \Omega $上成立.因此, $ u > 0 $$ \Omega $上成立且$ h = 0 $$ L^{2} $上成立.因此, $ -\Delta \phi = \frac{a}{1 + \alpha v} \phi $.也就是说, $ \lambda_{1} (- \frac{a}{1 + \alpha v}) = 0 $.显然, $ \lim\limits_{i \rightarrow \infty} (\mu + \frac{1}{1 + m_{i} u_{i}}) = \mu v $$ C^{1} $空间上成立且$ v = \mu \theta_{b/\mu} $.因此, $ \lambda_{1} (- \frac{a}{1 + \alpha \mu \theta_{b/\mu}}) = 0 $.从而, $ a = a^{*} $,矛盾.类似地,我们有$ u = \tilde{\theta}_{a, \alpha} $,矛盾.

情形(ⅱ)如果$ m_{i} \|u_{i}\|_{\infty} $是一致有界的,则$ u_{i} \rightharpoonup 0 $$ L^{2} $空间弱收敛成立.令$ \tilde{w}_{i} = m_{i} u_{i} $, $ \tilde{W}_{i} = (1 + \alpha v_{i}) w_{i} $$ \tilde{V}_{i} = (\mu + \frac{1}{1 + w_{i}}) v_{i} $.根据二阶椭圆型正则化理论我们知道, $ \tilde{w}_{i} \rightharpoonup \tilde{w} $, $ \tilde{v}_{i} \rightharpoonup \tilde{v} $$ L^{2}(\Omega) $空间上弱收敛成立且$ \tilde{W}_{i} \rightarrow \tilde{W} = (1 + \alpha \tilde{v}) \tilde{w} $, $ \tilde{V}_{i} \rightarrow \tilde{V} = (\mu + \frac{1}{1 + \tilde{w}}) \tilde{v} $$ C^{1} $上成立.因此,我们说明$ (\tilde{w}, \tilde{v}) $是系统(4.2)的解.根据最大值原理我们知道, $ \tilde{V} > 0 $$ \Omega $上成立.因此, $ \tilde{v} > 0 $$ \Omega $上成立.

进一步,我们说明当$ a = a^{**} $,我们能够证明$ m_{i} u_{i} \rightarrow \tilde{w}_{i} $,其中, $ \tilde{w}_{i} $是系统(4.2)的解且$ a = a_{i} $$ a_{i} \rightarrow a^{**} $.如果$ a < a^{**} $,则我们能够说明$ \tilde{w} $是系统(4.2)的解.证毕.

事实上,根据局部分歧理论我们知道, $ a = a^{**} $是系统(2.2)的简单分歧点.从全局分歧的角度出发,我们说明当$ a \in (a^{**}, \infty) $时,系统(2.2)至少有一个正解.进一步,我们断言当$ m = \beta $且充分大时,局部分歧解将向左延拓,从而存在一个转向点$ \tilde{a}^{*} $满足$ \tilde{a}^{*} < a^{**} $.$ a \in (\tilde{a}^{*}, a^{**}) $时,系统(2.2)至少有两个正解.由于证明过程是标准的,我们忽略其证明仅陈述其结果.

定理4.4 当$ a \in (a^{**}, \infty) $时,系统(2.2)至少有一个正解.进一步,当$ m = \beta $且充分大时,存在一个$ \tilde{a}^{*} $满足$ \tilde{a}^{*} < a^{**} $,当$ a \in (\tilde{a}^{*}, a^{**}) $时,系统(2.2)至少有两个正解.

参考文献

Crandall M G , Rabinowitz P H .

Bifurcation from simple eigenvalues

J Funct Anal, 1971, 8: 321- 340

DOI:10.1016/0022-1236(71)90015-2      [本文引用: 1]

Dancer E N .

On the indices of fixed points of mapping in cones and applications

J Math Anal Appl, 1983, 91: 131- 151

DOI:10.1016/0022-247X(83)90098-7      [本文引用: 1]

Dancer E N .

Bifurcation from simple eigenvalues and eigenvalues of geometric multiplicity one

Bull London Math Soc, 2002, 34: 533- 538

DOI:10.1112/S002460930200108X      [本文引用: 1]

Du Y H , Lou Y .

Some uniqueness and exact multiplicity results for a predator-prey model

Trans Amer Math Soc, 1997, 6: 2443- 2475

URL     [本文引用: 1]

Du Y H , Lou Y .

S-shaped global bifurcation curve and Hopf bifurcation of positive solutions to a predatorprey model

J Differential Equations, 1998, 144: 390- 440

DOI:10.1006/jdeq.1997.3394      [本文引用: 1]

Du Y H , Shi J P .

A diffusive predator-prey model with a protection zone

J Differential Equations, 2006, 229: 63- 91

DOI:10.1016/j.jde.2006.01.013      [本文引用: 1]

Du Y H , Peng R , Wang M X .

Effect of a protection zone in the diffusive Leslie predator-prey model

J Differential Equations, 2009, 246: 3932- 3956

DOI:10.1016/j.jde.2008.11.007     

李海侠.

一类食物链模型正解的稳定性和唯一性

数学物理学报, 2017, 37A (6): 1094- 1104

DOI:10.3969/j.issn.1003-3998.2017.06.009     

Li H X .

Stability and uniqueness of positive solutions for a food-chain model

Acta Math Sci, 2017, 37A (6): 1094- 1104

DOI:10.3969/j.issn.1003-3998.2017.06.009     

Li L .

Coexistence theorems of steady states for predator-prey interacting systems

Trans Amer Math Soc, 1988, 305: 143- 166

DOI:10.1090/S0002-9947-1988-0920151-1      [本文引用: 1]

Li L .

On positive solutions of a nonlinear equilibrium boundary values problem

J Math Anal Appl, 1989, 138: 537- 549

DOI:10.1016/0022-247X(89)90308-9      [本文引用: 1]

López-Gómez J , Pardo R .

Existence and uniqueness of coexistence states for the predator-prey LotkaVolterra model with diffusion on intervals

Differential Integral Equations, 1993, 6: 1025- 1031

[本文引用: 1]

López-Gómez J . Spectral Theorey and Nonlinear Functional Analysis. Boca Raton, FL: Chapman and Hall/CRC, 2001

[本文引用: 1]

Kadota T , Kuto K .

Positive steady states for a prey-predator model with some nonlinear diffusion terms

J Math Anal Appl, 2006, 323: 1387- 1401

DOI:10.1016/j.jmaa.2005.11.065      [本文引用: 2]

Kuto K , Yamada Y .

Multiple coexistence states for a prey-predator system with cross-diffusion

J Differential Equations, 2004, 197: 315- 348

DOI:10.1016/j.jde.2003.08.003      [本文引用: 1]

Kuto K .

A strongly coupled diffusion effect on the stationary solution set of a prey-predator model

Adv Diff Eqns, 2007, 12: 145- 172

[本文引用: 2]

Kuto K , Yamada Y .

Coexistence problem for a prey-predator model with density-dependent diffusion

Nonlinear Anal, 2009, 71: 2223- 2232

DOI:10.1016/j.na.2009.05.014      [本文引用: 1]

Kuto K , Yamada Y .

Positive solutions for Lotka-Volterra competition systems with cross-diffsuion

Appl Anal, 2010, 89: 1037- 1066

DOI:10.1080/00036811003627534      [本文引用: 1]

Lou Y , Ni W M .

Diffusion, self-diffusion and cross-diffusion

J Differential Equations, 1996, 131: 79- 131

DOI:10.1006/jdeq.1996.0157     

Lou Y , Ni W M .

Diffusion vs cross-diffusion:An elliptic approach

J Differential Equations, 1999, 154: 157- 190

DOI:10.1006/jdeq.1998.3559     

Lou Y , Ni W M , Wu Y P .

On the global existence of a cross-diffusion system

Discrete Contin Dyn Syst, 1998, 4: 193- 203

DOI:10.3934/dcdsa     

Lou Y , Ni W M , Yotsutani S .

On a limiting system in the Lotka-Volterra competition with cross-diffsuion

Discrete Contin Dyn Syst, 2004, 10: 435- 458

URL     [本文引用: 1]

Nakashima K , Yamada Y .

Positive steady states for prey-predator models with cross-diffusion

Adv Diff Eqns, 1996, 6: 1099- 1122

[本文引用: 1]

Rabinowitz P H .

Some global results for nonlinear eigenvalue problems

J Funct Anal, 1971, 7: 487- 513

DOI:10.1016/0022-1236(71)90030-9      [本文引用: 2]

Wang Y X , Li W T .

Stationary problem of a predator-prey system with nonlinear diffusion effects

Comput Math Appl, 2015, 70: 2102- 2124

DOI:10.1016/j.camwa.2015.08.033      [本文引用: 1]

袁海龙, 李艳玲.

一类具有Lotka-Volterra竞争模型共存解的存在性与稳定性

数学物理学报, 2017, 36A (1): 173- 184

DOI:10.3969/j.issn.1003-3998.2017.01.016      [本文引用: 1]

Yuan H L , Li Y L .

Existence and stability of coexistence states for a Lotka-Volterra competition model

Acta Math Sci, 2017, 36A (1): 173- 184

DOI:10.3969/j.issn.1003-3998.2017.01.016      [本文引用: 1]

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