一類擴(kuò)散型捕食—食餌模型非常值正穩(wěn)態(tài)解的不存在性

周文書，王書臣，王　倩

(大連民族大學(xué) 理學(xué)院，遼寧 大連116605)

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一類擴(kuò)散型捕食—食餌模型非常值正穩(wěn)態(tài)解的不存在性

周文書，王書臣，王倩

(大連民族大學(xué) 理學(xué)院，遼寧 大連116605)

研究了一類擴(kuò)散型捕食-食餌模型非常值正穩(wěn)態(tài)解的不存在性問題。 該模型能夠用來描述處于異構(gòu)環(huán)境中的兩個(gè)種群的生存狀態(tài)。利用極值原理和迭代技巧，給出了該模型不存在非常值正穩(wěn)態(tài)解的一個(gè)充分條件。這個(gè)結(jié)果是對該模型理論研究的一個(gè)補(bǔ)充。

捕食-食餌模型；穩(wěn)態(tài)解；迭代技巧

1　問題背景與主要結(jié)果

Courchamp和 Sugihara[1]構(gòu)建了如下異構(gòu)環(huán)境中的一類捕食-食餌模型：

式中,B為食餌密度，C為捕食者密度，K為異構(gòu)環(huán)境的搬運(yùn)容量，rb和rc分別為食餌和捕食者的增長率，μ為捕食者的捕食率。該模型能夠用來描述在異構(gòu)環(huán)境中的兩個(gè)種群的生存狀態(tài)。

當(dāng)考慮到種群在空間Ω中的擴(kuò)散影響時(shí)，上述ODE模型轉(zhuǎn)化為如下反應(yīng)-擴(kuò)散模型:

(1)

式中, Ω?RN為有界光滑區(qū)域，ν為?Ω上單位外法向量, db和dc分別表示兩個(gè)物種的擴(kuò)散率，亦稱擴(kuò)散系數(shù)。目前，已有很多關(guān)于擴(kuò)散型捕食-食餌模型的理論研究結(jié)果，見參考文獻(xiàn)[2-9]。

模型(1)的穩(wěn)態(tài)解滿足如下奇異橢圓方程組：

為方便討論，不妨設(shè)擴(kuò)散系數(shù)都等于1，則上述方程組轉(zhuǎn)化為

(2)

Du[9]等人研究了一個(gè)與模型(1)類似的模型:

模型(1)和(3)的本質(zhì)區(qū)別是后者的解不會(huì)發(fā)生爆破現(xiàn)象，這說明了模型(1)的復(fù)雜性。

Gaucel和Langlais[7]研究了模型(1)解的存在性、大時(shí)間行為以及解的爆破現(xiàn)象等。 然而,至今未見有關(guān)橢圓方程問題(2)的研究結(jié)果。本文的主要目的是研究問題(2)非常值正解的不存在性。主要結(jié)果如下:

定理1設(shè)rc>rb>1,rc>2，則問題(2)沒有非常值正解。

2　主要結(jié)果的證明

為證明定理1，不加證明地引用如下引理：

定理1的證明

假設(shè)(B,C)是如下問題的一個(gè)正解：

(4)

(5)

-ΔU=rb(1-U)U-φU=U(rb-rbU-φ)，

-φΔU-UΔφ-2▽U▽φ=rc(1-φ)φU

即

=rc(1-φ)φ-[rb(1-U)φ-φ2]

令u=rbU，則(φ,u)滿足

-Δu=u(rb-u-φ)，

(6)

(7)

由式(6)得

注意到, rc>rb>1,rc>2，則由引理1得

(8)

將式(8)代入式(6)得

由引理1得

(9)

(10)

將式(10)代入式(6)得

由引理1得

(11)

將式(11)代入式(7)得

(12)

將式(12)代入式(6)得

由引理1得

(13)

將式(13)代入式(7)得

由引理1得

通過歸納，知對任意自然數(shù)n成立如下關(guān)系：

以及

令n→+∞，得

以及

故φ=1,即 V=U。代入V的方程知

-ΔU=0，

這表明U是常數(shù)，于是

rb(1-U)=1，

即

從而

所以，模型(1)只有正常值解。

證畢。

[1] COURCHAMP F, SUGIHARA G. Modelling the biological control of an alien predator to protect island species from extinction[J]. Ecological Applications, 1999，9： 112-123.

[2] MURRAY J D. Mathematical Biology[M]. 3rd ed. Berlin：Biomathematics Series, Springer Verlag, 2002.

[3] WANG M X. Spreading and vanishing in the diffusive prey-predator model with a free boundary[J]. Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation, 2015, 23(1): 311-327.

[4] WANG M X, ZhAO Y G. A semilinear parabolic system with a free boundary[J]. Zeitschrift für angewandte Mathematik und Physik, 2015, 66(6): 3309-3332.

[5] GAUCEL S, PONTIER D. How predator food preference can change the destiny of native preys in predator-prey systems[J]. Biological Invasion, 2005, 7: 795-806.

[6] CHEN W, WANG M.Qualitative analysis of predator-prey models with Beddington-DeAngelis functional response and diffusion[J].Math Computer Modelling, 2005, 42: 31-44.

[7] GAUCEL S, LANGLASI M PONTIER D. Invading introduced species in insular hetero -geneous environments[J]. Ecological Modelling, 2005, 18: 62-75.

[8] GAUCEL S. Some remarks on a singular reaction-diffusion system aring in predator-prey modeling[J]. Discrete and Continuous Dynamical System, Series B, 2007, 8(1): 61-72.

[9] DU Y H, HSU S B, A diffusive predator-prey model in heterogeneous Environment [J].J Differential Equations, 2004, 203: 331-364.

[10]LOU Y, NI W M. Diffusion, self-diffusion and cross-diffusion[J]. Journal of Differential Equations, 1996, 131: 79-131.

(責(zé)任編輯鄒永紅)

Nonexistence of Non-constant Positive Stationary Solution for a Diffusive Prey-predator Model

ZHOU Wen-shu， WANG Shu-chen， WANG Qian

(School of Science, Dalian Minzu University, Dalian Liaoning 116605, China)

The nonexistence of positive stationary solution for a prey-predator model with diffusion is studied. The model can be used to describe the survival state of two species in heterogeneous environments. By means of the maximum principle and iterative technique, a sufficient condition for the nonexistence is given. This result complements some previous results on the model.

prey-predator model; stationary solutions; iterative technique

2096-1383(2016)05-0492-04

2016-05-25

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11571062); 遼寧省高等學(xué)校杰出青年學(xué)者成長計(jì)劃(LJQ2013124); 中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(DC201502050202)。

周文書(1974-)，男，黑龍江齊齊哈爾人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事非線性偏微分方程研究。

O175.2

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