带时滞的尺度等级结构种群系统的最优初始控制
Optimal Control of Initial Distributions in a Hierarchical Size-Structured Population System with Delay
收稿日期: 2020-06-8
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Received: 2020-06-8
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This article is concerned with an optimal control problem for a hierarchical size-dependent population model with delay, the control function is the initial distribution. It is expected that the difference between the terminal state and the given target can be minimized in a least costs. The uniform continuity of states in controls is established by the method of characteristic lines and priori estimates, the minimal principle is derived by the construction of a normal cone and an adjoint system, and the existence of unique optimal strategy is proved by means of the Ekeland variational theorem and fixed-point approach. These results pave the way to applications.
Keywords:
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何泽荣, 韩梦杰.
He Zerong, Han Mengjie.
1 引言
生物种群内部个体之间的等级差异对群体演化有些什么样的影响?这个问题可以用数学建模与分析给予部分回答. 为此, 国内外学者已经建立了一些数学模型, 并给出了相应的理论和数值分析, 参见文献[1-16]及其参考文献. 这些研究工作主要关注系统的动力学行为, 比如解的存在唯一性, 平衡态的存在性与(全局)稳定性, 种群的持续生存, 种群内部抢夺竞争(Scramble competition)与对抗竞争(Contest competition)的比较, 以及密度函数的数值算法, 等. 毫无疑问, 这些成果对理解等级结构种群的演化具有积极意义. 关于种群研究的另一个重要侧面是调控问题, 包括出于生态保护的种群分布优化, 以及可再生资源开发的最优收获等问题, 还很少被研究, 参见文献[17-19]. 这类调控问题的生态学与经济学意义不言而喻, 并且作为一类新的无穷维系统控制问题, 也有其数学和控制科学价值.
本文探讨一类带有个体孕育期时滞的种群系统控制问题, 主要新意体现在: 一是个体等级由其生理尺度(如动物体重与体积、植物高度与茎杆直径)决定; 二是调控手段为种群初始分布. 由于考虑了孕期时滞, 初始分布成为尺度与时间的二元函数, 而不是通常仅含时间的一元函数. 以初始分布为控制变量的实际意义很直观: 通过精心调节当前分布, 期望种群在一段时间之后达到或者接近理想状态. 但这种调控方法极少获得关注. 本文在此方面做出一点初步努力.
2 模型与问题
本文提出下列种群控制系统模型
其中
基本假设如下
(A
(A
(A
(A
其中
本文主题是分析以下最优控制问题
其中非负有界函数
文献[20] 对系统(2.1) 做了初步分析, 获得下列结果.
定理2.1 在假设(A
3 最小值原理
首先证明状态系统的解关于控制变量的连续依赖性.
引理3.1 系统(2.1) 的解
证 将系统演变时域
当
其中
下面估计
当
其中
当
其中
利用不等式(3.2)-(3.3) 和Bellmann引理, 可知存在正的常数
当
其次给出最优控制策略的精确刻画.
定理3.1 控制问题(2.1)-(2.2) 的任一最优对
其中
令
将上式变形, 并令
其中
上列极限的存在性由后面的引理3.2给出. 先假定该极限存在, 推导
因为
同理,
利用(3.7) 与(3.8) 式取极限, 可知
线性系统(3.9) 解的存在唯一性可由不动点原理确立. 将系统(3.9) 的第一式乘以
注意到
应用系统(3.5) 中的第2式和第3式, 以及(3.10)-(3.11)式, 可以导出
由共轭系统(3.5)的第一式可知
将(3.12)式代入(3.6)式中可知: 对任意
根据法锥的定义[21, p20]知
其中
以下证明下列极限的存在性以保证定理3.1证明的严格性.
引理3.2 极限
证 记
根据模型方程(2.1), 有
以及
其中
由系统(3.9) 中的第一式与(3.13)式, 有
由系统(3.9) 中的第二式与(3.14)式, 可得
综上, 变量
对系统(3.15) 中的前两式右端除首项外的其余部分取极限
其中用到了
注意(3.16) 式是一个初始条件为零的齐次线性系统, 由其解的唯一性知
4 最优控制的存在唯一性
定义泛函
引理4.1 泛函
证 设
Riesz定理告诉我们, 存在一个子序列(仍记为
在
应用Fatou定理, 即得
因此知
利用特征线法可得下列结果(略去证明).
引理4.2 记共轭系统(3.5) 相应于初始控制
其中
定理4.1 如果
证 根据Ekeland变分原理[21, p29, Th3.2]知, 对任意
由(4.2) 式知:
利用定理3.1的证明方法可知: 对任一
其中
使得
因此
首先证明最优控制的唯一性. 定义映射
其中
显然, 由定理的条件可知
再证
因此
从而当
对不等式(3.1) 取极限
从而
参考文献
Individual differences between animals and the natural regulation of their numbers
Dominance rank, copulatory behavior, and differential reproduction
DOI:10.1086/412672
Ecological stability and social hierarchy
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The dynamics of hierarchical age-structured populations
Hierarchical models of intra-specific competition: scramble versus contest
Monotone approximation for a hierarchical age-structured population model
Oscilations caused by cannibalism in a size-structured population model
Asymptotic behaviour of a model of hierarchically structured population dynamics
Existence and uniqueness for height structured hierarchical population models
DOI:10.1111/j.1939-7445.2001.tb00050.x
A quasilinear hierarchical size-structured model: Well-posedness and approximation
Basic theory for a class of models of hierarchically structured population dynamics with distributed states in the recruitment
A monotone approximation for a size-structured population model with a generalized environment
A high order WENO scheme for a hierarchical size-structured population model
Asymptotic analysis of a size-structured cannibalism modfel with infinite dimensional environmental feedback
A discrete hierarchical model of intra-specific competition
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Optimal harvesting of a hierarchical age-structured population system
DOI:10.1142/S1793524519500918 [本文引用: 1]
一类非线性年龄等级结构种群系统模型的可控性
Controllability of a hierarchical age-structured population system model
带有离散个体等级结构的种群系统的控制问题
Control problems of a discrete hierarchical population system
具有时滞的尺度等级结构种群模型
A Hierarchical size-structured population model with delay
Optimal control of population dynamics
DOI:10.1023/A:1021865709529 [本文引用: 1]
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