污染环境下具有脉冲输入的随机捕食-食饵模型的动力学研究
Dynamics of a Stochastic Predator-Prey Model with Pulse Input in a Polluted Environment
通讯作者:
收稿日期: 2018-03-13
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Received: 2018-03-13
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该文研究了污染环境下具有脉冲输入的随机捕食-食饵模型,证明了系统的全局正解的存在唯一性,均值有界性,给出了系统边界周期解以概率1全局吸引的存在条件,并得到了种群灭绝与持续生存的阈值.最后用数值模拟进一步验证了理论结果的正确性.
关键词:
In this paper, we show a stochastic predator-prey model with pulse input in a polluted environment, the existence and uniqueness of the positive global solution and the boundedness of expectation of the system are all proved, the sufficient conditions for the existence and boundedness of periodical solution are obtained, and it is globally attractive with probability 1, and the threshold of population extinction and persistence in the mean are obtained too. Finally, some numerical simulations are carried out to illustrate the main results.
Keywords:
本文引用格式
付盈洁, 蓝桂杰, 张树文, 魏春金.
Fu Yingjie, Lan Guijie, Zhang Shuwen, Wei Chunjin.
1 引言
随着现代工业和农业的迅速发展,大量的毒物和污染物进入了全球生态系统.因此,环境污染是最重要的一个社会生态问题.环境中各种有毒物质的存在对无保护种群的生存有着极大的威胁,有毒物质的无控制输入将会导致种群走向灭绝,所以环境污染下种群的持续生存问题,成为了生物数学研究的又一个热门课题.目前,已有许多学者对此做了大量的研究,得到了许多成果[1-6].同时,我们注意到,在现实环境中,存在许多随机或偶然的因素影响着生物种群的变化[7-11],比如:地震,洪水,海啸等会对种群产生瞬时的影响,而环境噪声会不断在不同程度上影响着种群的增长率、环境容量、竞争系数和系统的其他参数.因此,研究随机环境下具有脉冲效应的种群动力学行为,得到广大学者的青睐.
其中
在本文中,我们总假设
2 预备知识
给出本文所需要的定义、引理、定理和一些记号如下:
设
的解,其中
定义2.1[14] (1)若种群
(2)若种群
(3)若存在常数
(4)若存在常数
定义2.2[14] 设
均成立,则称
考虑如下非自治随机单种群Logstic模型
其中
引理2.1[15] 系统(2.1)存在以
引理2.2[16] 系统
存在一个正周期解
其中
引理2.3[11] 设
(1)若存在正数
成立,其中
(2)若存在正数
成立,其中
定理2.1[14](伊藤公式) 设
其中
3 主要结论
定理3.1 对于任意给定的初值
证 由系统的第一个方程知
构造比较系统
由引理2.1知系统(3.1)存在唯一全局连续正解如下
再由随机微分方程的比较定理得
由系统(1.1)的第二个方程和(3.2)式知
构造比较系统
易知系统(3.3)存在唯一的全局连续正解
根据随机微分方程的比较定理可知
最后,由系统(1.1)的第三个方程, (3.2)和(3.4)式知
构造如下比较系统
根据引理2.2,可得上述脉冲微分方程的全局渐近稳定周期解为
由脉冲微分方程的比较定理得
因此,由(3.2), (3.4)和(3.6)式可知,对任意的初始值
定理3.2 如果
证 定义
当
对上式两边取期望有
易知
由于
另一方面,由(3.8)式可知
结合(3.9)和(3.10)式可知,若考虑如下脉冲微分方程
则系统(3.11)的解为
其中
由脉冲微分方程比较定理得
即系统是均值有界的.
为进一步研究系统,令
由引理2.2知系统(3.12)存在唯一正周期解
显然,在任意脉冲区间
定理3.3 如果系统(1.1)满足
则系统(1.1)的边界周期解
证 由系统(1.1)的第三个式子可知
因此考虑如下脉冲微分方程
由脉冲微分方程比较定理得
即,对任意小的
成立.
构造比较系统
利用伊藤公式,沿着系统(3.14)对
两边从
由于
当
因此当
由于
所以当
则对任意的
构造比较系统
利用伊藤公式,沿着系统(3.17)对
两边从
由于
由于
又因为
同理可证,当
因此,当
定理3.4 当
则种群
证 结合系统(3.15)和脉冲微分方程比较定理可得:
将上式代入
有
其中
由(3.20)和(3.21)式可知
令
上式两端同时从
整理得
上式两端同时取对数有
两端同时除以
由洛必达法则可得
其中
则当
同理,沿着系统的解对
两端同时从
由
则
定理3.5 当
其中
证 考虑系统
根据文献[17]及任意小的
由微分方程的比较定理,可知
根据系统(1.1)的第一个等式和(3.23)式,对
由(3.25)式可得
即
结合(3.26)式对系统(1.1)的第二个式子运用伊藤公式可得
由(3.24)式可知,对任意的
则对任意的
其中
由引理2.3和
证毕.
4 数值模拟与结论
令周期数
(1)令脉冲值
图 1
(2)令脉冲值
图 2
(3)令脉冲值
图 3
(4)令脉冲值
图 4
5 小结
本文通过研究周期脉冲毒素输入的随机捕食-食饵系统,证明了系统的均值有界性,全局正解的存在唯一性,并得到种群灭绝与持续生存的阈值
(1)当
(2)当
(3)当
由理论结果和数值模拟可知,当脉冲毒素输入超过一定阈值
参考文献
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