一类带治疗项的非局部扩散SIR传染病模型的行波解
Traveling Waves in a Nonlocal Dispersal SIR Epidemic Model with Treatment
Received: 2018-09-13
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该文主要考虑一类非局部扩散传染病模型的行波解的存在性与不存在性.首先,利用Schauder不动点定理和取极限的方法,得到了行波解的存在性.其次,利用双边拉普拉斯变换和Fubini定理,证明了行波解的不存在性.上述结果表明,最小波速是预测疾病是否传播且以多大速度传播的重要阈值.
关键词:
This paper is concerned with the existence and nonexistence of traveling wave solutions of a nonlocal dispersal epidemic model with treatment. The existence of traveling wave solutions is established by Schauder's fixed point theorem as well as a limiting argument, while the nonexistence of traveling wave solutions is proved by two-sided Laplace transform and Fubini's theorem. From the results, we conclude that the minimal wave speed is an important threshold to predict how fast the disease invades.
Keywords:
本文引用格式
邓栋, 李燕.
Deng Dong, Li Yan.
1 引言和主要结果
本文主要考虑(1.1)的如下非局部扩散模型
其中
我们主要考虑系统(1.2)行波解的存在性和不存在性.系统(1.2)的行波解是一个形如
及边界条件
的特殊非负解,其中
定义
及
其中
因
从而
引理1.1 假设
进一步地
(Ⅰ)若
(Ⅱ)若
将
其中
引理1.2 假设
(Ⅰ)存在
(Ⅱ)若
证 (Ⅰ)因
情形1
情形2
情形3
情形4
由以上情形,令
则
图 1
图 1
对
因
定义
因
利用隐函数定理,
则对
即
这表明
且
若
(II)假设
则
又
同理,可证若
且
现在陈述本文的主要结果.
定理1.1 (ⅰ) (存在性) 设
(H1)
(H2)
则系统(1.2)存在波速为c的行波解
(ⅱ) (不存在性) 设
(NH1)
(NH2)
则系统(1.2)不存在行波解.且若
本文的剩余部分安排如下:第2节致力于证明当波速
2 行波解的存在性
本节将在假设(H2)或
(H1')
因为系统(1.3)的第四个方程是相对独立的,从而只需考虑前三个方程
且满足边界条件
对任意小的正常数
2.1 构造上下解
定义
其中
引理2.1 对所有的
引理2.2 对
及所有的
以上两个引理的证明与文献[30]中的引理2.3、引理2.4相似,此处略去证明.
引理2.3 对充分大的
证 易知,当
从而,当
当
直接计算可得
又
充分大和充分小的
2.2 辅助问题
定义
其中
进一步地,对所有的
考虑以下系统
及初值条件
定义算子
其中
引理2.4 算子
引理2.4的证明类似于文献[27,定理2.6],故略去.
由于
要得到系统(2.3)在边界条件(2.2)下解的存在性,需要对
引理2.5 对给定
其中
证 由
且
其中
进一步地,对所有的
现在证明
则
且
同理可得
且
其他情形可类似证明.证毕.
2.3 行波解存在性的证明
引理2.6 对给定
进一步地,有
证 令
的递增序列,且当
且
在
则
进一步地,由(2.6)式可得
下面,为了叙述方便,令
事实上,假设存在某个
又
从而,由以上方程可得对
下面证明
首先证明
由系统(2.5)的第一个方程可得
从而
此外,
令
从
又
从
且
从而
且
同理
最后证明
从
从而,
定理2.1 假设(H1')或(H2)成立.则系统(2.1)存在满足边界条件(2.2)的波速为
证 令系列
由引理2.5和2.6的证明,可得
同理,存在与
从而,
在
下证
又
从而,
又
满足相应的边界条件.即
证毕.
3 c=c^{*} 情形下行波解的存在性
假设
引理3.1 存在某个正常数
证 首先,将系统(2.1)第二个和第三个方程分别乘以
令
最后一个不等式由
可得.令
这表明
且
在(3.2)式两边从
定义
可得
又
从而,由(3.3)和(3.4)式,易得
又因为
可证得最终结论.证毕.
引理3.2 令
证 假设存在序列
且由
另一方面,由系统(1.2)的第一个方程,有
这与
下述引理是文献[29,命题3.7]的特殊情形.
引理3.3 假设
的可测非常数函数,则
的正根.
由引理3.3,可得到一个重要引理.
引理3.4 设
的可测函数.则
其中
证 由引理3.3,存在
因
可得
又
从而由引理3.3,当
注意
下面证明
对任意序列
对(3.8)式,讨论可以分为以下两种情况.
情形1
若存在一个常数
由引理3.3, (3.6)和(3.9)式,可得
其中
结合(3.5)和(3.8)式,不难得到
情形2
选取
即
根据情形1和情形2, (3.7)式成立.
同理可得
证毕.
现在用渐近法来证明结论.不失一般性,可以选取一列严格递减序列
引理3.5 序列
证 假设当
当
定理3.1 若
证 注意到
这表明
将
且
同理,由引理2.6中的讨论,可得
使得
接下来,分两步证明.
步骤1
现在证明
利用(3.11)式和文献[29,命题3.6],存在正常数
其中
注意
由
对所有的
此外,
则
注意
则
另一方面,由
同理,由文献[29,命题3.6],由(3.13)式的第一个方程可得
另一方面,令
从而,由引理3.4,对充分大的
其中
的两个正根.
的两个正根.再由文献[29,命题3.6],易得存在正常数
下一步,令
对充分大的
的两个正根,且
的两个正根.令
从而,由(3.16)式可得
由于
这表明
步骤2
首先,假设存在
这与
其次,要证
由
又
令
又
矛盾.另一方面,由引理2.5的类似讨论可得
4 行波解的不存在性
在本节中,主要考虑行波解的不存在性.准确地说,通过双边拉普拉斯变换得到了当
4.1 R_{0}>1 情形下的不存在性
现在证明以下引理.
引理4.1 假设(NH1)或(NH2)成立.若
证 由
以上不等式两边同乘
令
从
进一步地,通过简单计算可得
从而对任意
易得
又
同理可得
将(4.3)式和(4.4)式相加,有
又
令
从而存在一个正常数
因此,对任意
令
从而,由
对一切
又
可得
即
同理可证,
定理4.1 假设(NH1)或(NH2)成立,则系统(1.3)不存在波速为
证 首先,对
显然
令
根据引理4.1,
令
其中
下面证明
又
进一步地,下证
则由
这与(4.7)式的第二个等式矛盾.从而,
这与(4.8)式矛盾.证毕.
4.2 R_{0}<1 情形下的不存在性
定理4.2 假设
证 假设对所有
可得
由Fubini定理,可得
把以上不等式代入(4.9)式,得到
从而
又
即
从而
矛盾.证毕.
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