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
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