具有尺度等级和时滞的种群系统的最优边界控制
Optimal Boundary Control for a Hierarchical Size-Structured Population Model with Delay
收稿日期: 2021-04-16
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Received: 2021-04-16
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In this article, we formulate a population control model, which is based upon the hierarchical size-structure and the incubation delay. For a given ideal population distribution, we investigate the optimal input problem: How to choose a inflow way such that the sum of the deviation between the terminal state and the given one and the total costs is minimal. The well-posedness is established by the method of characteristics, the existence of unique optimal policy is shown by the Ekeland variational principle, and the optimal policy is exactly described by a normal cone and an adjoint system. These results set a foundational framework for practical applications.
Keywords:
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何泽荣, 窦艺萌, 韩梦杰.
He Zerong, Dou Yimeng, Han Mengjie.
1 引言
针对生物种群内部个体的社会结构和行为, 生态学工作者已经作了半个多世纪的研究, 对各类种群个体的等级地位次序有了丰富的一手资料, 参见综述文献[1]及其所引用的200余份文献.若需考察具有等级差异的种群的长期演化行为, 数学模型就拥有其它手段难以比拟的优势.目前, 这方面的研究成果有一些, 虽不完善但很重要, 为我们提供了等级结构种群系统的基本认知, 可参见文献[2-17].其中, 文献[2]和[3]分析种群内部竞争, 前者运用连续模型, 后者采用离散模型.文献[4]发现非极端化的等级结构有助于系统稳定.在文献[5]中, Cushing用尺度等级结构模型分析同类自食现象, 在文献[6]中处理一类年龄等级结构模型的适定性和动力学行为.文献[7]借助尺度等级模型分析因自食导致的震荡行为.文献[8-12, 15, 16]的主题是适定性与渐近行为, 文献[13]和[17]关注等级模型的数值解法, 文献[14]研究一类等级模型的平衡态与稳定性.至于等级结构种群系统的控制问题, 相关成果报道就更少了.文献[18]以捕捞强度为控制策略, 力图以最小代价让种群分布尽可能接近某种理想状态, 这是出于优化生态角度考虑的.文献[19]从可再生种群资源的最优开发角度出发, 设计了一个最优捕捞问题, 进行了细致的理论和数值分析.这两项工作都是基于单一种群环境的.由于实际生态环境中基本上都是多种群共存, 如何调控多种群等级结构系统无疑是必须考虑的问题.文献[20]在这方面作了一点初步努力, 关于两种群竞争系统的可控性与镇定问题做了探索, 发现分布式迁移可以实现种群系统状态的有效调节.
鉴于个体尺度(如身长、体重)是决定等级的主要因素之一, 本文建模时考虑基于尺度的内部等级环境.此外, 个体孕育期时滞也将纳入繁殖过程.区别于前述3项控制问题的研究工作, 本文以幼体的动态规模作为控制策略, 目标是:经过一段指定时间后, 种群的尺度(大小)分布一方面尽可能接近预先设定的理想分布, 另一方面也要求代价尽可能的小.下一节提出模型, 设定合理的参数条件; 第3第4节分别建立状态系统解的存在唯一性、解关于控制变量的连续依赖性.第5节运用法锥和共轭系统技巧导出控制问题的最小值原理, 以此为基础, 第6节证明最优策略的存在唯一性.最后一节总结全文.
2 系统模型与控制问题
本文提出并研究下列种群模型
其中
本文的分析需要下列假设
本文研究的核心问题是:如何选取投放函数
其中
3 模型解的存在唯一性
本节作出模型的适定性分析.为了表述简便, 记
将
其中
本节余下部分应用不动点原理证明系统(2.1)存在唯一的解.
首先在时间段
其中
定义算子
其中
注意
因此,
为了证明
由(3.2)式和不等式
相应地
对任意的
其中
定理3.1 对于任意给定的
证 取定
利用(3.5)式可得
再由
4 解关于控制变量的连续性
令
其中
由上节分析有以下结果:对于任意给定的边界控制
其中
下面证明
定理4.1 存在与
证 当
当
根据(4.2)式可知
若令
此外, 由(4.2)式知
再由(4.3)–(4.4)式和(4.6)–(4.7)式导出
其中
最后, 由(4.8)式和Bellman不等式知:存在与
从而
证毕.
5 最小值原理
定理5.1 最优控制问题(2.1)–(2.2)的任一最优策略
其中
其中
证 令
令
将上式变形, 并令
其中
上列极限的存在性由后面的引理5.1给出.先假定该极限存在, 推导
因为
将系统(5.4)的第一式乘以
利用(5.2)式可知
然后, 由(5.5)–(5.6)式推知
由共轭系统(5.2)中的第一个方程可得
将(5.7)式代入(5.3)式中, 可知:对任意的
根据法锥的定义[21, p20, (2.8)式]知
其中
引理5.1 极限
证 记
根据模型方程(2.1), 有
其中
此外
其中
应用(2.1), (5.4)和(5.8)–(5.9)式导出
对系统(5.10)中的前两式右端除首项外的其余部分取极限
其中用到了
注意系统(5.11)是一个初始条件为零的齐次线性系统, 由其解的唯一性知
引理证毕.
6 最优边界控制的存在唯一性
定义泛函
引理6.1 泛函
证 设
由强收敛与逐点收敛的关系知:存在
在
利用Fatou引理[22, p146, Theorem 3.20], 得到
由此知
引理6.2[23] 如果
则存在
运用特征线方法可得下列结果(细节略去).
引理6.3 对于共轭系统(5.2), 存在一个固定的常数
其中
定理6.1 若
证 根据Ekeland变分原理[24, p180, Theorem A1.3.1]知, 对任意给定的
利用不等式(6.2)和定理5.1的证明方法可知:对任一
利用引理6.2导出:存在函数
因此
首先证明最优控制的唯一性.定义映射
由(6.4)式, 引理6.2与引理6.3可知
显然, 由定理的条件可知
再证
因此
从而当
在(6.1)式中取极限并利用引理6.1, 得到
从而
定理证毕.
7 结论
从控制理论观点看, 问题(2.1)–(2.2)是一类新的无穷维系统最优控制问题.定理6.1表明:最优解有且只有一个.定理5.1则对该解作了精细刻画, 利用共轭变量建立了反馈控制律.从生态实践观点看, 问题(2.1)–(2.2)旨在通过幼体投放优化种群分布.运用前文所得结果(5.1)–(5.2)和数值方法可以计算出具体的投放策略.
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