数学物理学报, 2020, 40(4): 1083-1094 doi:

论文

一类具结构化的细菌种群模型中出现的迁移算子的谱分析

王胜华,, 马江山

Spectral Analysis of a Transport Operator in Structured Bacterial Population

Wang Shenghua,, Ma Jiangshan

收稿日期: 2019-05-4  

基金资助: 国家自然科学基金.  11461055

Received: 2019-05-4  

Fund supported: the NSFC.  11461055

作者简介 About authors

王胜华,E-mail:wshua@sru.jx.cn , E-mail:wshua@sru.jx.cn

摘要

该文在$L^{1}$空间上,研究了在总转变规则的边界条件下一类具结构化的细菌种群模型,讨论了该模型中出现的迁移算子的谱分析,证明了这类迁移算子生成的正不可约$C_0$半群的弱紧性,得到了该迁移算子的谱仅由至多可数个具有限代数重数的离散本征值组成,且$-\infty$是唯一可能的聚点以及该模型在一致算子拓扑意义下解的渐近行为,从而给出了该细菌种群的异步生长特性等结果.

关键词: 结构化的细菌种群 ; 总转变规则 ; 迁移算子 ; 弱紧半群 ; 谱分析

Abstract

In this paper, we study a class of structured bacterial population models under the boundary condition of total transition rule in $L^{1}$ space. The spectral analysis of the transport operators in this model is discussed, and the weak compactness of the positive irreducible $C _0$ semigroup generated by the transport operators is proved. It is concluded that the spectrum of the transport operator consists of only by at most countable isolate eigenvalues with finite algebraic multiplicities, and $-\infty$ is the only possible accumulation point, and the asymptotic behavior of the solution of the model in the topological sense of the uniform operator, so the asynchronous growth characteristics of the bacterial population are given.

Keywords: Structured bacterial population ; Aggregate transition rule ; Transport operator ; Weakly compact semigroup ; Spectral analysis

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本文引用格式

王胜华, 马江山. 一类具结构化的细菌种群模型中出现的迁移算子的谱分析. 数学物理学报[J], 2020, 40(4): 1083-1094 doi:

Wang Shenghua, Ma Jiangshan. Spectral Analysis of a Transport Operator in Structured Bacterial Population. Acta Mathematica Scientia[J], 2020, 40(4): 1083-1094 doi:

1 引言

本文研究了由Boulanouar在文献[1-2]中提出来的以细菌的成熟度和成熟速度为特征的另一类具结构化的细菌种群模型

$ \begin{equation} \frac{\partial\psi(u, v, t)}{\partial t} = -h(v)\frac{\partial\psi(u, v, t)} {\partial u}-\sigma(u, v)\psi(u, v, t) +\int_{a}^{b}r(u, v, v')\psi(u, v', t){\rm d}v'. \end{equation} $

其中$ \psi(u, v, t) $表示由细菌成熟度$ u\in(0, 1) $和细菌成熟速度$ v\in(a, b) $在时间$ t $构成的细菌密度函数, $ h(v) $表示细菌成熟速度的权重因子, $ r(u, v, v') $表示细菌成熟速度从$ v' $$ v $改变时的转变速率, $ \sigma(u, v) $为总转变截面,且

$ \begin{equation} \sigma(u, v) = \int_{a}^{b}r(u, v', v){\rm d}v'. \end{equation} $

在生物学上,每一有丝分裂时,子细菌被看成种群细菌的一部分,它们之间存在相互关系$ k(u, v, v') $,在数学上表示为下列具转变规则的边界条件

$ \begin{equation} \psi(0, v) = \frac{\alpha}{h(v)}\int^{b}_{a}\int^{1}_{0}k(u', v, v') \psi(u', v', t){\rm d}u'{\rm d}v'. \end{equation} $

这里常数$ \alpha\geq0 $表示每一有丝分裂子细菌的平均数.

文献[1-2]分别讨论了该模型(1.1)–(1.3)相应的迁移算子生成正不可约$ C_0 $半群和它的渐近行为等.之后关于这类模型的研究工作较少,文献[3-4]对该模型在更一般的边界条件下进行了讨论,文献[3]得到了该模型生成半群的Dyson-phillips展式的9阶余项$ R_9(t) $$ L^1 $空间上是弱紧的和在$ L^{p}(1< p<+\infty) $空间上是紧的,从而获得了该迁移算子的谱在某右半平面上仅由有限个具有限代数重数的离散本征值组成等结果;文献[4]讨论了该模型生成正不可约$ C_0 $半群和它的解在一致拓扑意义下的渐近行为等.但是对这类具总转变规则的结构化细菌种群模型的迁移算子生成$ C_0 $半群的紧性和它的谱分析如何?目前还未见研究成果.本文在$ L^1 $空间上对这类模型进行研究,讨论了该模型相应的迁移算子生成正不可约$ C_0 $半群的弱紧性,得到了该迁移算子的谱仅由至多可数个具有限代数重数的离散本征值组成, $ -\infty $是唯一可能的聚点以及该模型的解在一致算子拓扑意义下的渐近行为,从而给出了该细菌种群的异步生长特性等结果.

$ X = L^1(\Omega)(\Omega = (0, 1)\times(a, b) = I\times J, \; 0\leq a<b\leq \infty) $和索伯列夫空间

及迹空间$ Y = L^1(J, h(v){\rm d}v) $,它们分别按范数

构成Banach空间,边界空间为

其中$ h(v) $为有界可测函数.假设$ (A_{1}) $

$ (T(t))_{t\geq 0} $是Banach空间$ X $上的$ C_0 $半群, $ B $是它的母元,半群$ (T(t))_{t\geq 0} $的增长界和本质增长界分别定义为[2]

$ \begin{equation} \omega(T(t)) = \lim\limits_{t \rightarrow \infty}\frac{\ln\|T(t)\|}{t};\; \; \; \; \omega_{{\rm ess}}(T(t)) = \lim\limits_{t \rightarrow \infty}\frac{\ln\|T(t)\|_{{\rm ess}}}{t}, \end{equation} $

且有

$ \begin{equation} \omega_{{\rm ess}}(T(t))\leq \omega(T(t));\; \; \; \; r_{{\rm ess}}(T(t)) = e^{\omega_{{\rm ess}}(T(t))t}, \; \; \forall t\geq 0. \end{equation} $

注意$ \|C\|_{{\rm ess}} = 0 $当且仅当$ C $是紧算子.母元$ B $的谱界$ s(B) $定义为

$ \begin{equation} s(B) = \left\{ \begin{array}{ll} {\rm sup}\{{\rm Re}\lambda: \lambda\in \sigma(B)\}, &{\rm if}\; \sigma(B)\neq \emptyset, \\ -\infty, &{\rm if}\; \sigma(B) = \emptyset. \end{array} \right. \end{equation} $

$ X = L^p(1\leq p<\infty) $,则[2, 5]

$ \begin{equation} \omega(T(t)) = s(B). \end{equation} $

引理1.1[2, $ \rm Lemma $1.1]  设$ (T(t))_{t\geq 0} $$ \rm Banach $格空间$ X $上的正不可约强连续半群,且有$ \omega_{{\rm ess}}(T(t))<\omega(T(t)) $,则存在$ X $上秩1投影算子$ P $$ \varepsilon>0 $,使得$ \forall \eta\in(0, \varepsilon) $,存在$ M(\eta)\geq 1 $,有

引理1.2[2, $ \rm Lemma $2.1]  设$ S $$ T $$ X $上的有界算子,

1)若$ S $$ T $是弱紧算子,则$ ST $是紧算子;

2)若$ T $是弱紧算子和$ 0\leq S\leq T $,则$ S $也是弱紧算子;

3)若$ T $是弱紧算子和$ 0\leq |S|\leq T $,则$ S $也是弱紧算子.

引理1.3[2, $ \rm Lemma $2.2]  设$ (T(t))_{t\geq 0} $$ (U(t))_{t\geq 0} $$ X $上的强连续半群,若对某$ t_0>0 $, $ T(t_0)-U(t_0) $是弱紧算子,则$ \omega_{{\rm ess}}U(t) = \omega_{{\rm ess}}T(t) $.

引理1.4[2, $ \rm Lemma $2.3]  设$ A $$ A+B $$ X $上的强连续半群$ (T(t))_{t\geq 0} $$ (U(t))_{t\geq 0} $的生成元, $ B $$ X $上的有界算子.若$ BT(t)B $是弱紧算子,则$ \omega_{{\rm ess}}U(t) = \omega_{{\rm ess}}T(t) $.

定义下列边界算子

$ \begin{equation} H_{\alpha}\varphi = \frac{\alpha}{h(v)}\int_0^1\int_{a}^{b}k(u', \cdot, v')\varphi(u', v'){\rm d}u'{\rm d}v'. \end{equation} $

$ \begin{equation} \left\{ \begin{array}{ll} { } T_{\alpha} \varphi(u, v) = -h(v)\frac{\partial\varphi(u, v)}{\partial u}, \\ { } D(T_{\alpha}) = \bigg\{\varphi\in X : h(v)\varphi\in X, h(v)\frac{\partial\varphi}{\partial u}\in X;\varphi(0, \cdot) = H_{\alpha}\varphi\bigg\}. \end{array} \right. \end{equation} $

引理1.5[2, $ \rm Lemma 3.1;\;Lemma 3.2 $]  假设$ (A_1) $成立,则

1) $ H_{\alpha} $$ X $$ Y $上的有界正算子;

2)算子$ T_{\alpha} $$ X $上产生一个正$ C_0 $半群$ U_{\alpha}(t) $,且

$ \begin{equation} \|U_{\alpha}(t)\|_{L(X)}\leq e^{(\alpha \overline{k})t}, \; \; 0\leq U_{0}(t)\leq U_{\alpha}(t), \; \; t\geq 0 \end{equation} $

$ \begin{equation} U_{\alpha}(t) = U_{0}(t)+B_{\alpha}(t)+D_{\alpha}(t), \; \; t\geq 0, \end{equation} $

其中

$ \begin{equation} U_{0}(t)\varphi(u, v) = \chi(u, h(v), t)\varphi(u-th(v), v), \end{equation} $

$ \begin{equation} B_{\alpha}(t)\varphi(u, v) = \alpha\frac{\xi (u, h(v), t)}{h(v)}\int_{0}^{1}\int_{a}^{b}k(u', v, v')U_{0}(t-\frac{u}{h(v)})\varphi(u', v'){\rm d}u'{\rm d}v', \end{equation} $

$ \begin{eqnarray} D_{\alpha}(t)\varphi(u, v) & = &\alpha^2\frac{\xi (u, h(v), t)}{h(v)}\int_{0}^{1}\int_{a}^{b}\int_{0}^{1}\int_{a}^{b} \xi (u', h(v'), (t-\frac{u}{h(v)})){}\\ && \times \frac{k(u', v, v')k(u'', v', v'')}{h(v')} U_{\alpha}(t-\frac{u}{h(v)}-\frac{u'}{h(v')})\varphi(u'', v''){\rm d}u''{\rm d}v''{\rm d}u'{\rm d}v', {\qquad} \end{eqnarray} $

对几乎所有$ (u, v)\in \Omega $,有

$ \begin{equation} \chi(u, y, t) = \left\{ \begin{array}{ll} 1, \; \; \; \; {\rm if}\; ty\leq u, \\ 0, \; \; \; \; {\rm if}\; ty>u. \end{array} \right. \; \; \; \; \xi(u, y, t) = \left\{ \begin{array}{ll} 1, \; \; \; \; {\rm if}\; ty> u, \\ 0, \; \; \; \; {\rm if}\; ty\leq u. \end{array} \right. \end{equation} $

定义算子

$ \begin{equation} S\varphi(u, v) = -\sigma(u, v)\varphi(u, v), \end{equation} $

$ \begin{equation} B_{\alpha} = T_{\alpha}+S, \; \; \; D(B_{\alpha}) = D(T_{\alpha}). \end{equation} $

假设$ (A_{2}) $

$ \begin{equation} \underline{r} = {\rm ess}\inf\limits_{(u, v)\in \Omega}\int_{a}^{b}|r(u, v, v')|{\rm d}v'; \; \overline{r} = {\rm ess}\sup\limits_{(u, v)\in \Omega}\int_{a}^{b}|r(u, v, v')|{\rm d}v'<\infty. \end{equation} $

$ S $$ X $上的有界算子,且根据扰动定理[12]可知如下引理.

引理1.6[2, $ \rm Lemma $3.3]  假设$ (A_1)(A_{2}) $成立,则算子$ B_{\alpha} $$ X $上产生一个正$ C_0 $半群$ V_{\alpha}(t) $,且

$ \begin{equation} 0\leq V_{\alpha}(t)\leq e^{-t\underline{r}}U_{\alpha}(t), \; \; t\geq 0 \end{equation} $

$ \begin{equation} 0\leq V_{\alpha}(t)-V_{0}(t)\leq U_{\alpha}(t)-U_{0}(t), \; \; t\geq 0. \end{equation} $

引理1.7[2, $ \rm Corollary $3.5]  假设$ (A_{1})(A_{2}) $成立,若$ \underline{h} = {\rm ess}\inf\{h(v):v\in J\}>0 $,则

$ \begin{equation} \omega_{{\rm ess}}(V_0(t)) = -\infty. \end{equation} $

定义

$ P_{r} $$ X $上的有界算子,且迁移算子$ A_{\alpha} $定义为

$ \begin{equation} A_{\alpha} = B_{\alpha}+P_{r}, \; \; \; \; D(A_{\alpha}) = D(B_{\alpha}). \end{equation} $

根据引理1.6和扰动定理[6]知如下定理.

定理1.8[2, $ \rm Lemma $3.6]  假设$ (A_{1}) $$ (A_{2}) $成立,则算子$ A_{\alpha} $$ X $上产生一个正$ C_0 $半群$ W_{\alpha}(t) $,且

$ \begin{equation} -\overline{r}+\omega(U_{\alpha}(t))\leq \omega(W_{\alpha}(t)). \end{equation} $

$ \alpha>0 $,则正半群$ (W_{\alpha}(t))_{t\geq 0} $是不可约的.

2 主要结果

文献[1-2]对该模型证明其产生正不可约$ C_0 $半群和它的渐近行为,而本文在此基础上进一步证明了该迁移半群$ (W_{\alpha}(t))_{t\geq 0} $是弱紧的,从而获得了其相应的迁移算子的谱仅由至多可数个具有限代数重数的离散本征值组成, $ -\infty $是唯一可能的聚点等结果.为此先引入辅助算子

$ \begin{equation} L_{\alpha, \lambda}\psi(v) = \frac{\alpha}{h(v)}\int_0^1\int_a^b e^{-\frac{\lambda u'}{h(v')}}k(u', v, v')\psi(v'){\rm d}u'{\rm d}v'. \end{equation} $

引理2.1[2, $ \rm Lemma $4.1]  假设$ (A_{1}) $成立,则当$ \lambda>0 $时, $ L_{\alpha, \lambda} $$ Y $上的有界算子,且

$ \begin{equation} \| L_{\alpha, \lambda}\|_{L(Y)}\leq \frac{\alpha \overline{k}}{\lambda}. \end{equation} $

又若$ \alpha>0 $,则$ L_{\alpha, \lambda} $$ Y $上的严格正算子.

定理2.2  假设$ (A_1)(A_{2}) $成立,若$ \alpha>0 $,则$ L_{\alpha, \lambda} $$ Y $上的正弱紧算子.

  设$ \lambda> 0 $,令$ \psi\in (Y)_{+} $,则对几乎所有的$ v\in (a, b) $,有

$ \begin{eqnarray} |L_{\alpha, \lambda}\psi(v)|&\leq&\frac{\alpha}{h(v)} \int_a^b\int_0^1 e^{-\frac{\lambda u'}{h(v')}}|k(u', v, v')|\psi(v'){\rm d}u'{\rm d}v'{}\\ &\leq&\frac{\alpha \overline{k}(v)}{h(v)} \int_a^b \bigg[\int_0^1 e^{-\frac{\lambda u'}{h(v')}}{\rm d}u'\bigg]\psi(v'){\rm d}v'{}\\ & = &\frac{\alpha \overline{k}(v)}{h(v)} \int_a^b\bigg[\frac{h(v')}{\lambda} (1-e^{-\frac{\lambda}{h(v')}})\bigg]\psi(v'){\rm d}v'{}\\ &\leq&\frac{\alpha\overline{k}(v)}{\lambda h(v)}\int_0^1\int_a^b\psi(v')h(v'){\rm d}v'{\rm d}u. \end{eqnarray} $

因为

所以(2.3)式的右边是秩1算子,从而知$ L_{\alpha, \lambda} $$ Y $上的正弱紧算子.

定理2.3  假设$ (A_1)(A_{2}) $成立,若$ \alpha >0 $, $ {\rm Re}\lambda>0 $,则

$ \begin{equation} \lambda\in\sigma(T_{\alpha})\Rightarrow 1\in\sigma_p(L^2_{\alpha, \lambda}). \end{equation} $

  设$ 1\in \rho(L^2_{\alpha, \lambda}) $,则$ \forall g\in Y $,由引理1.5和定理2.1,有

则存在唯一$ \psi_{\lambda}\in Y $,使得

从而

所以

$ \begin{equation} \psi_{\lambda} = L_{\alpha, \lambda}\psi_{\lambda}+H_\alpha(\lambda-T_{0})^{-1}g. \end{equation} $

$ \begin{equation} \varphi_{\lambda}(u, v) = \theta(u, v)\psi_{\lambda}(v)+(\lambda-T_{0})^{-1}g, \end{equation} $

其中$ \theta(u, v) = e^{-\frac{\lambda u}{h(v)}} $,则$ \varphi_{\lambda}\in D(T_{\alpha}) $.事实上,因为

类似地,有

所以$ \varphi_{\lambda}\in X $.又因为对几乎所有的$ (u, v)\in\Omega $,有

所以

最后,由(2.6)式知

因此$ \varphi_{\lambda}(0, \cdot) = H_{\alpha}\varphi_{\lambda} $,故有$ \varphi_{\lambda}\in D(T_{\alpha}) $.所以方程

有唯一解$ \psi\in Y $,故$ \lambda\in \rho(T_{\alpha, p}) $.因为$ L_{\alpha, \lambda}^2 $是紧算子,则由谱映象定理[7]

所以定理2.2获证.

定理2.4  假设$ (A_1) $$ (A_{2}) $成立, $ \alpha>0 $,令$ \lambda_{r} = \overline{r}-\underline{r}>0 $,则算子$ L_{\alpha, \lambda} $的谱半径$ r(L_{\alpha, \lambda}) $是一个严格递减的连续函数,且

$ \begin{equation} \omega(U_{\alpha}(t))>0, \; \; \; \; r(L_{\alpha, \omega(U_{\alpha})}) = 1. \end{equation} $

  设$ \lambda_2>\lambda_1\geq \lambda_{r} $, $ \varphi\in Y_{+}, \varphi\neq 0 $,则对几乎所有的$ v\in (a, b) $,有

$ \begin{equation} L_{\alpha, \lambda_2}\varphi(v)< L_{\alpha, \lambda_1}\varphi(v). \end{equation} $

因为$ L_{\alpha, \lambda}(\lambda\geq\lambda_r) $$ Y $上的正弱紧算子,根据文献[8], $ r(L_{\alpha, \lambda})>0 $且存在严格正函数$ \varphi_{\lambda}\in Y_+ $, $ \varphi_{\lambda}^*\in Y^*_+ $,使得

$ \begin{equation} L_{\alpha, \lambda}\varphi_{\lambda} = r(L_{\alpha, \lambda})\varphi_{\lambda}, \; \; L^*_{\alpha, \lambda}\varphi^*_{\lambda} = r(L_{\alpha, \lambda})\varphi^*_{\lambda}, \end{equation} $

其中$ \|\varphi_{\lambda}\| = \|\varphi^*_{\lambda}\| = 1 $, $ L^*_{\alpha, \lambda} $$ L_{\alpha, \lambda} $的共轭算子.所以

从而由(2.8)式和$ \varphi_{\lambda_1} $的严格正性知

$ \begin{equation} r(L_{\alpha, \lambda_2})- r(L_{\alpha, \lambda_1}) = \frac{(\varphi^*_{\lambda_1}, (L_{\alpha, \lambda_1}-L_{\alpha, \lambda_2})\varphi_{\lambda_2})}{(\varphi^*_{\lambda_1}, \varphi_{\lambda_2})}>0. \end{equation} $

$ r(L_{\alpha, \lambda}) $$ (\lambda_r, \infty) $上的严格递减函数.又由(2.10)式知

$ \begin{equation} |r(L_{\alpha, \lambda_1})- r(L_{\alpha, \lambda_2})|\leq \frac{1}{(\varphi^*_{\lambda_1}, \varphi_{\lambda_2})} \parallel L_{\alpha, \lambda_1}\varphi_{\lambda_2}-L_{\alpha, \lambda_2}\varphi_{\lambda_2}\parallel_{Y}. \end{equation} $

又因为

所以由Lebesgue控制收敛定理知

从而由(2.11)式知

$ r(L_{\alpha, \lambda}) $$ (\lambda_r, \infty) $上的连续函数.根据(2.2)式可得

$ \begin{equation} \lim\limits_{\lambda \rightarrow \infty} r(L_{\alpha, \lambda}) \leq \lim\limits_{\lambda \rightarrow \infty} \parallel L_{\alpha, \lambda}\parallel_{Y} = 0. \end{equation} $

所以由$ r(L_{\alpha, \lambda_r})>1 $和(2.12)式及$ r(L_{\alpha, \lambda}) $$ (\lambda_r, \infty) $上的严格递减连续函数知:存在唯一$ \lambda_0>\lambda_r>0 $,使得

$ \begin{equation} r(L_{\alpha, \lambda_0}) = 1. \end{equation} $

$ \lambda\in\sigma(T_{\alpha}), {\rm Re}\lambda>\lambda_r $,由定理2.3,存在$ \psi_{\lambda}\neq 0 $,使得$ L^2_{\alpha, \lambda}\psi_{\lambda} = \psi_{\lambda} $.则由(2.1)式知

从而

$ \begin{equation} |\psi_{\lambda}| = \mid L_{\alpha, \lambda}^2\psi_{\lambda}\mid \leq L_{\alpha, {\rm Re}\lambda}^2\mid\psi_{\lambda}\mid. \end{equation} $

所以$ \forall n\geq 1 $,有$ L_{\alpha, {\rm Re}\lambda}^{2n}|\psi_{\lambda}|\geq |\psi_{\lambda}| $,因此, $ r(L_{\alpha, {\rm Re}\lambda})\geq 1 $.

因为$ r(L_{\alpha, \lambda}) $是严格退减的,则由(2.13)式知: $ {\rm Re}\lambda\leq \lambda_0 $,且由(1.6)式知

$ \begin{equation} s(T_{\alpha})\leq \lambda_0. \end{equation} $

反过来,由(2.9)式, (2.13)式及文献[9, Prop 2.1]知:存在$ \psi_{\lambda_0}\in( Y)_{+} $$ \psi_{\lambda_0}\neq 0 $,使得

$ \begin{equation} L_{\alpha, \lambda_0}\psi_{\lambda_0} = \psi_{\lambda_0}. \end{equation} $

$ \begin{equation} \varphi_{\lambda_0}(u, v) = \theta_{\lambda_0}(u, v)\psi_{\lambda_0}, \end{equation} $

其中$ \theta_{\lambda_0}(u, v) = e^{-\frac{\lambda_0 u}{h(v)}} $.则由(2.16)式和(2.17)式,即为(2.5)式和(2.6)式中$ g = 0 $的情况,所以$ \varphi_{\lambda_0}\in D(T_{\alpha}) $.由此对几乎所有$ (u, v)\in \Omega $,有

$ \lambda_0\in \sigma_p(T_{\alpha})\subset \sigma(T_{\alpha}), $从而

$ \begin{equation} \lambda_0\leq s(T_{\alpha}). \end{equation} $

所以,由(2.15)式和(2.18)式知$ s(T_{\alpha}) = \lambda_0>\lambda_{r}>0 $.根据(1.7)式知$ \omega(U_{\alpha}) = s(T_{\alpha}) $,故$ \omega(U_{\alpha}) = \lambda_0>0 $.从而定理2.3获证.

定理2.5  假设$ (A_1)-(A_{2}) $成立,则$ \forall t\geq 0 $, $ U_{\alpha}(t)-U_{0}(t) $$ X $上的弱紧算子.

  设$ t\geq 0 $,则由(1.11)式知

$ \begin{equation} U_{\alpha}(t)-U_{0}(t) = B_{\alpha}(t)+D_{\alpha}(t), \end{equation} $

其中$ U_{0}(t), B_{\alpha}(t) $$ D_{\alpha}(t) $分别由(1.12)式, (1.13)式和(1.14)式给出.

1)先证$ B_{\alpha}(t) $$ X $上的弱紧算子.设$ \varphi\in X $,对几乎所有的$ (u, v)\in \Omega $,有

$ \begin{eqnarray} |B_{\alpha}(t)\varphi(u, v)| &\leq& \frac{\alpha\overline{\chi}(u, h(v), t)}{h(v)}\int_0^1\int_a^{b}|k(u', v, v')||U_{0}(t-\frac{u}{h(v)})\varphi(u', v')|{\rm d}u'{\rm d}v'{}\\ &\leq&\frac{\alpha\overline{\chi}(u, h(v), t)\overline{k}(v)}{h(v)}\int_0^1\int_a^{b}|U_{0}(t-\frac{u}{h(v)})\varphi(u', v')|{\rm d}u'{\rm d}v' {}\\ &\leq&\frac{\alpha\overline{\chi}(u, h(v), t)\overline{k}(v)}{h(v)}\int_0^1\int_a^{b} \chi(u', h(v'), t-\frac{u}{h(v)}){}\\ &&\times |\varphi(u'-(t-\frac{u}{h(v)})h(v'), v')|{\rm d}u'{\rm d}v'. \end{eqnarray} $

$ x = u'-(t-\frac{u}{h(v)})h(v') $,则$ {\rm d}x = {\rm d}u' $,所以

$ \begin{equation} |B_{\alpha}(t)\varphi(u, v)| \leq\frac{\alpha\overline{\chi}(u, h(v), t)\overline{k}(v)}{h(v)}\int_0^1\int_a^{b}|\varphi(x, v')|{\rm d}x{\rm d}v'. \end{equation} $

又令

$ \begin{equation} f_{t}(u, v) = \frac{\overline{k}(v)\overline{\chi}(u, h(v), t)}{h(v)}, \end{equation} $

$ \begin{equation} \parallel f_{t}\parallel_{X} = \int_a^b\bigg[\int_0^{1}\overline{\chi}(u, h(v), t){\rm d}u\bigg]\frac{\overline{k}(v)}{h(v)}{\rm d}v = t\|\overline{k}\|_{L(J)}<\infty. \end{equation} $

$ f_{t} $$ X $上的一个正秩1算子,从而由(2.21)式和[2, Lemma 2.1]知:$ B_{\alpha}(t) $$ X $上的弱紧算子.

2)再证$ D_{\alpha}(t) $$ X $上的弱紧算子.设$ \varphi\in X $,对几乎所有的$ (u, v)\in \Omega $,有

$ \begin{eqnarray} |D_{\alpha}(t)\varphi(u, v)| &\leq& \frac{\alpha^2\overline{\chi}(u, h(v), t)}{h(v)}\int_0^1\int_a^{b}\int_0^1\int_a^{b}\overline{\chi}(u', h(v'), t-\frac{u}{h(v)}) \frac{|k(u', v, v')||k(u'', v', v'')|}{h(v')}{}\\ &&\times|U_{\alpha}(t-\frac{u}{h(v)}-\frac{u'}{h(v')})\varphi(u'', v'')|{\rm d}u''{\rm d}v''{\rm d}u'{\rm d}v' {}\\ &\leq&\frac{\alpha^2\overline{\chi}(u, h(v), t)\overline{k}(v)}{h(v)}\int_0^1\int_a^{b}\int_0^1\int_a^{b}\overline{\chi}(u', h(v'), t-\frac{u}{h(v)}){}\\ &&\times\frac{|k(u'', v', v'')|}{h(v')}|U_{\alpha}(t-\frac{u}{h(v)}-\frac{u'}{h(v')})\varphi(u', v')|{\rm d}u''{\rm d}v''{\rm d}u'{\rm d}v' {}\\ & = &\alpha^2 f_{t}\int_0^1\int_a^{b}\int_0^1\int_a^{b}\overline{\chi}(u', h(v'), t-\frac{u}{h(v)})\frac{|k(u'', v', v'')|}{h(v')}{}\\ &&\times|U_{\alpha}(t-\frac{u}{h(v)}-\frac{u'}{h(v')})\varphi(u', v')|{\rm d}u''{\rm d}v''{\rm d}u'{\rm d}v', \end{eqnarray} $

其中$ f_{t} $为(2.22)式给定.令$ x = t-\frac{u}{h(v)}-\frac{u'}{h(v')} $,则$ {\rm d}x = -\frac{1}{h(v')}{\rm d}u' $,所以

$ \begin{eqnarray} |D_{\alpha}(t)\varphi(u, v)| &\leq& \alpha^2 f_{t}\int_0^t\int_a^{b}\int_0^1\bigg[\int_a^{b}|k(u'', v', v'')|{\rm d}v' |U_{\alpha}(x)\varphi(u'', v'')|{\rm d}u''{\rm d}v''\bigg]{\rm d}x{}\\ &\leq& \alpha^2 f_{t}\overline{k}\int_0^t\bigg[\int_a^{b}\int_0^1 |U_{\alpha}(x)\varphi(u'', v'')|{\rm d}u''{\rm d}v''\bigg]{\rm d}x{}\\ &\leq &\alpha^2 f_{t}\overline{k}\int_0^t \|U_{\alpha}(x)\varphi\|_{X}{\rm d}x \leq \alpha^2 f_{t}\overline{k}\int_0^t e^{(\alpha\overline{k})x}\|\varphi\|_{X}{\rm d}x. \end{eqnarray} $

从而

$ \begin{equation} |D_{\alpha}(t)\varphi(u, v)| \leq \alpha f_{t}(e^{(\alpha\overline{k})t}-1)\int_0^1\int_a^{b}\varphi(u, v) {\rm d}u{\rm d}v, \; \; \forall \varphi\geq 0. \end{equation} $

由于$ f_{t} $$ X $上的一个正秩1算子,所以由(2.26)式和[2, Lemma2.1]知:$ D_{\alpha}(t) $$ X $上的弱紧算子.

3)最后由(2.19)式知:$ U_{\alpha}(t)-U_{0}(t) $$ X $上的弱紧算子,从而定理2.4获证.

定理2.6  假设$ (A_1) $$ (A_{2}) $成立,则$\forall t>0, P_{r}U_{\alpha}(t) P_{r}$$ X$上的弱紧算子.

  设$ t> 0, \varphi\in X $,则对几乎所有的$ (u, v)\in \Omega $,有

所以

$ x = u-th(v') $,则$ {\rm d}x = -th'(h^{-1}(\frac{u-x}{t})){\rm d}v' $,所以

根据(1.15)式知:$ \chi(u, \frac{u-x}{t}, t) = 1 $的充要条件是$ x>0 $,所以

$ \begin{equation} | P_{r}U_{0}(t) P_{r}\varphi| \leq \frac{\widetilde{r}\|r\|_{\infty}}{th'}\int_{0}^{1}\int_a^{b}\varphi(x, v''){\rm d}v''{\rm d}x, \; \; \forall \varphi\geq 0. \end{equation} $

$ \widetilde{r}\geq 0 $时,又因为

所以(2.27)式的右边是正秩一算子,因此由定理2.3即知本定理成立.

定理2.7  假设$ (A_{1}) $$ (A_{2}) $成立,则

$ \begin{equation} \omega_{{\rm ess}}(W_{\alpha}(t)) = -\infty, \end{equation} $

且迁移算子$ A_{\alpha} $的谱$ \sigma(A_{\alpha}) $仅由至多可数个具有限代数重数的离散本征值组成, $ -\infty $是唯一可能的聚点.

  因为由(1.20)式知

所以由定理2.4和引理1.2知:$ V_{\alpha}(t)-V_{0}(t) $$ X $上的弱紧算子,从而引理1.3知

$ \begin{equation} \omega_{{\rm ess}}(V_{\alpha}(t)) = \omega_{{\rm ess}}(V_{0}(t)). \end{equation} $

又因为

$ \begin{equation} 0\leq P_{r}V_{\alpha}(t)P_{r}\leq e^{-t\underline{r}}P_{r} U_{\alpha}(t)P_{r}, \; \; t\geq 0. \end{equation} $

所以由引理1.2知:$ P_{r}V_{\alpha}(t)P_{r} $也是$ X $上的弱紧算子,且由引理1.4知

$ \begin{equation} \omega_{{\rm ess}}(W_{\alpha}(t)) = \omega_{{\rm ess}}(V_{\alpha}(t)). \end{equation} $

因此由(2.29)式和(2.31)式及引理1.7即知(2.28)式成立.从而由(1.4)式即知$ \|W(t)\|_{{\rm ess}} = 0 $,即半群$ W(t) $是(弱)紧算子,故由谱映像定理知:其母元即迁移算子$ A_{\alpha} $的谱$ \sigma(A_{\alpha}) $仅由至多可数个具有限代数重数的离散本征值组成, $ -\infty $是唯一可能的聚点.从而定理2.6获证.

定理2.8  假设$ (A_1) $$ (A_{2}) $成立,设$ \alpha>0, \lambda_{r}>0 $,有

$ \begin{equation} r(L_{\alpha, \lambda_r})>1, \end{equation} $

$ \begin{equation} \omega_{{\rm ess}}(W_{\alpha}(t))<\omega(W_{\alpha}(t)), \end{equation} $

且存在$ X $上秩1投影$ P $$ \varepsilon>0 $,使得$ \forall \eta\in(0, \varepsilon) $,有$ M(\eta)\geq 1 $,满足

  由(2.7)式和(2.32)式,有

从而由定理2.3知

$ \begin{equation} \overline{r}-\underline{r}<\omega(U_{\alpha}(t)). \end{equation} $

所以由(2.29)式, (2.34)式和(1.23)式知

$ \begin{equation} \omega_{{\rm ess}}(W_{\alpha}(t)) = -\infty\leq -\underline{r} <-\overline{r}+\omega(U_{\alpha}(t)) \leq \omega(W_{\alpha}(t)). \end{equation} $

因此(2.33)式成立.由于$ (W_{\alpha}(t))_{t\geq 0} $是正不可约$ C_0 $半群,故由引理1.1即知定理2.7成立.

根据文献[10, Theorem 8.7]知:投影算子$ P $可写成$ P\varphi = (\varphi_0, \varphi_0^{*})\varphi_0 $,其中$ \varphi_0\in X_+ $是一个拟内元和$ \varphi_0^{*}\in (X^*){_+} $是一个严格正元使得$ (\varphi_0, \varphi_0^{*}) = 1 $,从而由定理2.7结论的第二部分说明迁移方程的解关于内在生长常数$ \omega(W_{\alpha}(t)) $具有异步指数增长特性,而且还描述了具有独特方向$ P $的细菌种群的分布图等.

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