一类具有不连续捕获的Lasota-Wazewska模型周期解存在性及稳定性分析
Existence and Stability of Periodic Solution for a Lasota-Wazewska Model with Discontinuous Harvesting
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收稿日期: 2017-09-15
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Received: 2017-09-15
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该文研究了一类具有不连续捕获项的非光滑混合时滞Lasota-Wazewska模型.基于非光滑分析、Kakutani's不动点理论和常Lyapunov方法,建立了易于验证的与时滞无关的稳定性准则,同时保证模型的正周期解的存在性和全局指数稳定性,并给出了对应的仿真实例来验证该文中方法的正确性和有效性.
关键词:
In this paper, we study a class of mixed time-varying delayed Lasota-Wazewska model with discontinuous harvesting, which is described by a periodic nonsmooth dynamical system. Base on nonsmooth analysis, Kakutani's fixed point method and the generalized Lyapunov method, easily verifiable delay-independent criteria are established to ensure the existence and exponential stability of positive periodic solutions. Finally, we give an example to further illustrate the effectiveness of our main results.
Keywords:
本文引用格式
阳超, 李润洁.
Yang Chao, Li Runjie.
1 引言
在过去的几十年中,非线性时滞微分方程得到了广泛的研究.例如,越来越多的学者正在研究捕食-被捕食模型、传染病模型和红血细胞模型等等.而红血细胞模型最初是被Wazewska-Czyzewska和Lasota两位科学家于1976年在文章[1]中所提出来的.最初的模型刻画如下
其中
在现实世界中,由于外部因素的影响,红血细胞的生产通常是不连续的,不连续性是典型的现象.当连续性不满足时,系统的周期解是否存在?连续条件下可以得到的模型稳定性结论在不连续的条件下是否依然得到保证?在此基础上,国内外许多学者对不连续模型得到了一些结论.例如,在文章[3]中研究了一类具有离散时滞的不连续捕获Lasota-Wazewska模型,运用了常规Lyapunov函数方法得到了周期解的存在性和全局指数稳定性结果.在文章[32]中,作者调查了一类具有线性捕获的离散Wazewska-Lasota模型.通过构造Lyapunov泛函,证明了该模型的解指数收敛于概周期解.此外,一些生态模型中还出现了具有周期时滞的泛函微分方程,如动物红细胞存活模型[18-19]和渐近概周期函数[17, 20].为了克服这一困难,许多经典连续微分方程理论中的结果已被证明在不连续动力系统中无效[11-16].
然而,现有的研究大多集中在周期解、概周期解、甚至平衡点的存在性和稳定性上,因此需要一些方法来实现时滞动力系统的稳定性.而在现实世界中,分布时滞具有非常重要的生物学意义,是当前研究的热点问题之一.由于模型中分布时滞的存在,相比于其他模型会比较复杂,因此较难处理,这导致在证明全局解的存在性和稳定性时有一定的难度.而同时分布时滞在现实生物模型中又起着不可忽视的作用.例如,在文章[36]中的捕食-被捕食模型和在文章[37]中的随机Lotka-Volterra模型中,这些模型中出现的分布时滞对生态系统的作用相比于离散时滞有着更为深远的影响.而目前对于具有混合分布时滞和不连续捕获的模型,其现有的动力学定性及稳定性结果还很少.
基于上述讨论和分析,本文将考虑如下具有不连续捕获的混合时滞Lasote-Wazewska模型
其中
(H1)
为了研究在不连续定义下的系统的周期解及稳定性问题,需要给出Filippov解的性质,首先考虑如下泛函微分方程
其中
其中
根据上述定义,方程(1.3)的稳定性问题在Filippov解的意义下可以转化为微分包含(1.4)式的稳定性问题.接下来,我们利用集值映射和微分包含的上述理论,结合Filippov框架,讨论具有右端不连续的混合时滞模型(1.2)的解.
(ⅰ)
(ⅱ)存在可测函数
由于模型(1.2)是在生物学背景下定义的,故只有正解才是有意义的.因此,给出以下初始条件
令
引理1.1[5] 假设
定义1.3[12] 称
(ⅰ)
(ⅱ)
(ⅲ)
定义1.4[27] 假设
引理1.2[5] 若
最后,对于有界函数
2 周期解的存在性
本节首先基于多值映射的不动点定理和时滞微分包含理论,来研究模型(1.2)的周期解存在性问题,给出定义
并给出如下映射
其中
针对不连续捕获策略函数,再给定以下一个基本假设.
(H2)存在非负且单调非减的函数
其中
注2.1 在现有的文献中,
命题2.1 称
证 假设
即对
再根据
这就说明了
另一方面,假设一个
由于(2.2)式的右端是一个绝对连续函数,对(2.2)式两边同时乘以
由于
根据微分包含理论可知,
命题2.2(正持久性) 如果假设条件(H1)–(H2)满足.则系统(1.2)对应初值条件(1.6)的解
证 为方便起见,分别记
通过反证法,假设(2.3)式不成立,则必然存在
矛盾.故有(2.3)式成立,所以当
根据计算当
故根据(2.3)式和延拓定理可知
根据
命题2.3 如果假设条件(H1)–(H2)满足.再给出以下假设
(H3)
则对任意的
证 令
假设(2.5)式不成立,即存在
则由系统(1.2)和(2.1)可得
这就得到矛盾,则可知(2.5)式成立.
接下来证明对任意的
若不然,则存在
根据(2.1)和(2.7)计算可得
则可推出矛盾,故(2.7)式成立.综合(2.5)和(2.7)式,命题得证.
命题2.4 如果假设条件(H1)–(H3)满足,则对每一个
证 对任意
其中
令
因此对所有的
这就意味着在
命题2.5 假设条件(H1)–(H3)满足,则集值映射
证 根据Ascoli-Arzela定理,我们只需证明
首先证明
因此
其中
则可知对任意的
然后我们只需证明
同时根据假设(H1)和(H2),对任意的
这就蕴含着
当
命题2.6 假设条件(H1)–(H3)满足,则集值映射
证 只需证明
考虑线性连续算子
根据第二章的引理1.1,结合本小节的命题2.1–2.6可知,集值映射
定理2.1 假设(H1)–(H3)条件满足,则具有不连续捕获系统(1.2)具有至少一个
3 全局指数稳定性
本节在
定理3.1 如果假设条件(H1)–(H3)成立.再给出以下假设
(H4)
则对满足初值条件
也就是说系统(1.2)的解是全局指数稳定的.
证 令
根据假设条件(H4)可知必存在一个足够小的
对
显然,
用反正法证明上式成立,如不然,假设存在
则计算可得
其中
参考文献
Mathematical problems of the dynamics of a system of red blood cells
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