1. 模型的组成
近年来,关于捕食–食饵模型的动力学分析作为一个重要课题,吸引了许多学者的广泛研究。1932年,Allee通过金鱼种群增长的实验研究中发现,金鱼密度较大时有利于金鱼种群的增长,提出当种群的密度减少到一定量时,将会保持在一个很低的水平并趋于灭绝,即Allee效应
[1]
[2]
。Allee效应主要分为两类,分别为弱Allee效应和强Allee效应
[3]
-
[7]
。人们普遍认为Allee效应可能会增加低密度种群的灭绝风险。因此,Allee效应的种群生态学调查对保护生物学很重要。如果用
表示食饵种群的数量;
表示捕食者种群的数量,食饵具有Allee效应的增长模型表示为:
r表示食饵的自然增长率,k表示环境容纳量,v是表示Allee效应的阈值总体水平,且
。
此外学者们提出多种功能反应,其中Holling类型I,II,III被广泛讨论
[8]
-
[10]
。
Holling I:
Holling II:
Holling III:
在现实生活中,食饵种群大部分是有防御能力的,随着食饵种群数量的不断增加,其防御能力也会增强,对捕食者就会起到相对抑制的作用。因此,根据这类现象,Andrews提出了Holling IV型功能性反应函数。
最近几年,Cui等
[11]
考虑了具有强Allee效应和的Holling II型功能反应函数的扩散捕食者–食饵系统。但是对于研究Allee效应和Holling IV功能反应的扩散捕食者–食饵模型比较少见。因此本文研究具有Allee效应的Holling IV功能反应的捕食者–食饵模型,具体模型为虑相互作用的物种食饵和捕食者的系统,
为食饵种群的数量;
为捕食者种群的数量。
2. 解的性质
首先我们证明解的正性。事实上,设
,
由模型(1.1)可得:
,
因此:
,
.
这意味着解是正的。
引理2.2 若系统初值
,且满足初值条件的解都是有界的。
证:构造一个关于x和y的函数
:
所以
令
,
经过计算可得
在
处取得最大值M,则可得到:
其中:
,
.
根据微分比较定理可得:
当
,有
。
所以系统(1.1)的解是有界的。
3. 模型的动力学分析
本节先分析平衡点的存在性,再分析稳定性:
1) 显然系统存在平衡点
;
2) 当
时,令
可得:
可得
或
,此时系统存在两个平衡点
,
。
3) 当
时,令
可得:
再由
可得:
将其代入
可得:
,
系统(1.1)的Jacobian矩阵为:
于是通过计算各平衡点对应的Jacobian矩阵来分析局部稳定性。
3.1. 的稳定性
设J0是系统(1.1)在平衡点E0处的Jacobian矩阵,所以:
所以两特征根分别为
,系统在E0是稳定的,否则系统(1.1)是不稳定的。
3.2. 的稳定性
设J1是系统(1.1)在平衡点E1处的Jacobian矩阵,所以
所以两特征根分别为:
,
如果
系统在E1是稳定的,否则系统(1.1)是不稳定的。
3.3. 的稳定性
设J2是系统(1.1)在平衡点E2处的Jacobian矩阵,所以
所以两特征根分别为:
由于
为正,所以根据Routh-Hurwitz的稳定性条件可得,E2是不稳定的。
3.4. 的稳定性
设J3是系统(1.1)在平衡点E3处的Jacobian矩阵,所以
当参数H1满足条件:
时,正平衡点
是局部渐近稳定的。
设
,
所以特征方程为
。
所以根据根与系数的关系,可得方程的两个特征根
满足:
(1.2)
令
所以
因为
所以
所以
,因此若
,两个特征根具有负实根,此时
是局部渐近稳定的
同理对于平衡点
可得
所以不稳定。
3.5. Hopf分支
由3.4可知,系统(1.1)正平衡点
的局部稳定性需要满足一定的条件。因此,本小节主要分析系统(1.1)在平衡点
发生在Hopf分支的条件和Hopf分支的方向。
记
,
其中
和
是(1.2)中定义的,且
选取捕食者自然死亡率d作为分支参数。如果存在
,使得H2:
,
,
成立,其中
表示对d的求导。
假设条件H2成立,当
,系统会在正平衡点
处发生Hopf分支。
证:因为正平衡点E31处的Jacobian矩阵对应的特征方程如下:
(1.3)
当
时,即
特征方程可以为:
此时方程会出现一对纯虚根为:
,
现在验证横截条件,对特征方程(1.3)关于d进行求导,有:
整理可得:
则有:
当
因此此时系统(1.1)会在正平衡点
处发生Hopf分支。
下面通过计算第一系数Lyapunov系数来分析Hopf分支的方向。
首先做线性替换所以令
,
对系统(1.1)泰勒展开可得:
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
则由第一Lyapunov系数
计算可得:
其中
。
若
时:
产生次临界Hopf分支;
当
时:
产生超临界Hopf分支。