一类具有Beddington-DeAngelis响应函数的阶段结构捕食模型的稳定性
Stability of Stage-Structured Predator-Prey Models with Beddington-DeAngelis Functional Response
Received: 2021-03-29
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This paper deals with stage-structured predator-prey systems with Beddington-DeAngelis functional response. The local asymptotical stability is given by Routh-Hurwitz criterion, and global asymptotic stability are established from Lyapunov functions.
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李波, 梁子维.
Li Bo, Liang Ziwei.
1 引言
对捕食模型的研究已经有很多结果, 如Pang和Wang[1]研究了带有比率依赖响应函数的三种群捕食模型, 证明了对任意的扩散系数, 其唯一的正常数解对于反应扩散方程组而言是全局渐近稳定的, 从而该方程组没有非常数正平衡解. 结论表明, 对于该捕食模型, 一般扩散不能导致平衡态模式. 但是对于强耦合模型存在非常数正解, 这说明交错扩散可以导致平衡态模式, 更多关于比率依赖响应函数的捕食模型的研究见文献[2–5]. 衣凤岐等研究了Lengyel-Epstein模型, 给出了该模型的图灵不稳定性和分支[6], 这表明扩散导致了图灵不稳定性. Du和Hsu[7]研究了具有Leslie-Gower功能反应函数的扩散捕食模型, 结果表明在适当的条件下, 该系统不存在非常数正稳态解, 而当物种集中在空间栖息地的某个区域时, 该系统存在非常数正稳态解. 适当的选取系数函数, 食饵和捕食者的种群在子区域中趋于灭亡, 同时得到了异质环境中的特殊模式解. 在文献[8]中, 作者研究了具有食饵趋化项的捕食模型的正常数平衡态是局部和全局渐近稳定的. 林支桂等[9]研究了一类带Michaelis-Menten函数响应系统平衡解的局部渐近稳定性和全局渐近稳定性. 刘蒙等[10]研究了如下带有Beddington-DeAngelis响应函数的对食饵具有阶段结构的捕食模型
其中
为了研究方便, 令
下面我们研究方程组
的正常数解的存在性. 由方程组(1.2)的第一个方程, 得到
再由方程组(1.2)的第三个方程, 得到
为了寻求方程组(1.2)的正常数解, 我们在(1.3)和(1.4)式中取正号, 并且要求
设
把(1.3)式以及(1.4)式代入方程组(1.2)的第二个方程, 我们得到
令
如果
当
且
因此
从上面的分析可以看出, 如果
则
则
例如当
假设
其中
2 正常数平衡解$ \tilde {\bf{u}} $ 的局部渐近稳定性
设
定理2.1 如果
证 令
于是
其中
为了叙述方便, 记
设
对每个
其中
由(1.5)式的第二个不等式可知
又因为
直接计算得到
其中
因为
所以, 我们有
通过计算可以看出
从而
注意到当
因为
从而
取
则
故算子
3 正常数平衡解$ \tilde{\bf{u}} $ 的全局渐近稳定性
显然初边值问题(1.6)存在唯一的非负整体解. 由强极值原理可知, 当
对问题(1.6)的三个方程在
引理3.1[13] 设
定理3.1 如果
证 定义
则当
由于
由(1.6)和(3.7)式可知,
因此
由(3.8)式和Poincáre不等式可得
其中
再结合(3.9)和(3.10)式可得
由(3.1)式可知, 存在序列
因此,
再由
注 由于
所以
又因为
由此可见, 当
所以, 当
参考文献
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Qualitative analysis of a ratio-dependent predator-prey system with diffusion
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Coupling in predator-prey dynamics: ratio-dependence
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Qualitative analysis for a ratio-dependent predator-prey model with stage structure and diffusion
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Stability in a diffusive food-chain model with Michaelis-Menten functional response
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