aam Advances in Applied Mathematics 2324-7991 2324-8009 beplay体育官网网页版等您来挑战! 10.12677/aam.2024.137319 aam-91919 Articles 数学与物理 一类基于Allee效应的捕食者–食饵模型的动力学研究
Global Dynamics in a Predator-Prey Model with Allee Effect
王恬静 孙福芹 天津职业技术师范大学理学院,天津 04 07 2024 13 07 3332 3340 17 6 :2024 11 6 :2024 11 7 :2024 Copyright © 2024 beplay安卓登录 All rights reserved. 2024 This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ 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。通过对Allee效应的研究,可以发现种群自身适应度与种群自身的生长密度等其他方面的正相关关系。本文从数学和生物学的角度出发,建立了带有Allee效应和具有Holling IV功能反应的捕食者–食饵模型。针对模型,对其有界性、解的性质、平衡点的存在性以及其局部稳定性和分支进行了分析。
In recent years, the dynamical analysis of predator-prey models has emerged as a significant topic, garnering extensive research attention from scholars worldwide. Through the study of the Allee effect, it has been observed that there is a positive correlation between a population’s fitness and its growth density, among other factors. This paper constructs a predator-prey model incorporating the Allee effect and featuring the Holling type IV functional response from both mathematical and biological perspectives. The analysis of the model includes its boundedness, the properties of solutions, the existence of equilibrium points, as well as the local stability and Hopf bifurcation.
Holling IV功能反应,Allee效应,存在性,稳定性,Hopf分支
Holling Type IV Functional Response
Allee Effect Existence Stability Hopf Bifurcation
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 x ( t ) 表示食饵种群的数量; y ( t ) 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:

d x d t = r x ( 1 x k ) ( x v )

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 0 < v < k

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:

f ( x ) = { b a x , 0 < x < a b , x > a

Holling II:

f ( x ) = α x γ + x

Holling III:

f ( x ) = α x 2 γ + x 2

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。

f ( x , y ) = m x y α + β x + x 2

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, x ( t ) 为食饵种群的数量; y ( t ) 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

φ 1 ( x , y ) = r ( 1 x k ) ( x v ) m y α + β x + x 2 φ 2 ( x , y ) = e m x α + β x + x 2 d

由模型(1.1)可得:

d x d t = x φ 1 ( x , y ) d y d t = y φ 2 ( x , y )

因此:

x ( t ) = x ( 0 ) e 0 t φ 1 ( x ( s ) , y ( s ) ) d s > 0 y ( t ) = y ( 0 ) e 0 t φ 2 ( x ( s ) , y ( s ) ) d s > 0 .

这意味着解是正的。

引理2.2 若系统初值 ( x 0 , y 0 ) R + 2 ,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 w ( t )

w ( t ) = e x ( t ) + y ( t )

所以

d w ( t ) d t = e r ( 1 x k ) ( x v ) d y = e r v x ( 1 x k ) ( x v 1 ) d y = e r v x d y + e r k x 2 ( x + k + v )

= e r k x 2 ( x + k + v )

经过计算可得 x = ( 2 k + 2 v ) / 3 处取得最大值M,则可得到:

d w ( t ) d t M e r v x d y M δ w

其中:

δ = min { r v , d } M = 4 27 e v k ( k + v ) 3 .

根据微分比较定理可得:

0 w ( x ( t ) , y ( t ) ) δ ( 1 e M t ) M + w ( x ( 0 ) , y ( 0 ) ) e M t

t + ,有 0 w ( t ) δ / M

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 E 0 = ( 0 , 0 )

2) 当 x 0 , y = 0 时,令

r x ( 1 x k ) ( x v ) m x y α + β x + x 2 = 0

可得:

r x ( 1 x k ) ( x v ) = 0

可得 x = k x = v ,此时系统存在两个平衡点 E 1 = ( k , 0 ) E 2 = ( v , 0 )

3) 当 x 0 , y 0 时,令

e m x y α + β x + x 2 d y = 0

可得:

x i * = e m β d ± e 2 m 2 2 e β d m + β 2 d 2 4 d 2 α 2 d

再由

e m x y α + β x + x 2 d y = 0

可得:

m x y α + β x + x 2 = d y e

将其代入

r x ( 1 x k ) ( x v ) m x y α + β x + x 2 = 0

可得:

r x ( 1 x k ) ( x v ) = d y e

y i * = e d r x i * ( 1 x i * k ) ( x i * v ) , i = 1 , 2

系统(1.1)的Jacobian矩阵为:

J = ( r ( 1 x k ) ( x v ) r x ( x v ) k + r x ( 1 x k ) + m ( α x ) 2 y ( α + β x + x 2 ) 2 m x α + β x + x 2 e m ( α x ) 2 y ( α + β x + x 2 ) 2 e m x α + β x + x 2 d )

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. <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <msub> <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> <mi> E </mi> </mstyle> <mn> 0 </mn> </msub> <mo> = </mo> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <mn> 0 </mn> <mo> , </mo> <mn> 0 </mn> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> </mrow> </math>的稳定性

设J0是系统(1.1)在平衡点E0处的Jacobian矩阵,所以:

J 0 = ( r v 0 0 d )

所以两特征根分别为 λ 1 = r v , λ 2 = d ,系统在E0是稳定的,否则系统(1.1)是不稳定的。

3.2. <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <msub> <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> <mi> E </mi> </mstyle> <mn> 1 </mn> </msub> <mo> = </mo> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> <mi> k </mi> </mstyle> <mo> , </mo> <mn> 0 </mn> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> </mrow> </math>的稳定性

设J1是系统(1.1)在平衡点E1处的Jacobian矩阵,所以

J 1 = ( r ( k v ) m k α + β x + x 2 0 e m k α + β k + k 2 d )

所以两特征根分别为:

λ 1 = r ( k v ) , λ 2 = e m k α + β k + k 2 d

如果

d > e m k α + β k + k 2

系统在E1是稳定的,否则系统(1.1)是不稳定的。

3.3. <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <msub> <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> <mi> E </mi> </mstyle> <mn> 2 </mn> </msub> <mo> = </mo> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> <mi> v </mi> </mstyle> <mo> , </mo> <mn> 0 </mn> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> </mrow> </math>的稳定性

设J2是系统(1.1)在平衡点E2处的Jacobian矩阵,所以

J 2 = ( r v ( 1 v k ) m v α + β x + x 2 0 m v α + β v + v 2 d )

所以两特征根分别为:

λ 1 = r v ( 1 v k ) , λ 2 = e m v α + β v + v 2 d

由于 λ 1 为正,所以根据Routh-Hurwitz的稳定性条件可得,E2是不稳定的。

3.4. <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <msub> <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> <mi> E </mi> </mstyle> <mn> 3 </mn> </msub> <mo> = </mo> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <msup> <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> <mi> x </mi> </mstyle> <mo> ∗ </mo> </msup> <mo> , </mo> <msup> <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> <mi> y </mi> </mstyle> <mo> ∗ </mo> </msup> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> </mrow> </math>的稳定性

设J3是系统(1.1)在平衡点E3处的Jacobian矩阵,所以

J 3 = ( r ( 1 x * k ) ( x * v ) r x * ( x * v ) k + r x * ( 1 x * k ) + m ( α x * ) 2 y * ( α + β x * + x * 2 ) 2 m x * α + β x * + x * 2 e m ( α x * ) 2 y * ( α + β x * + x * 2 ) 2 e m x * α + β x * + x * 2 d )

当参数H1满足条件:

r ( 1 x * k ) ( x * v ) r x * ( x * v ) k + r x * ( 1 x * k ) + m ( α x * ) 2 y * ( α + β x * + x * 2 ) 2 < 0

时,正平衡点 E 31 = ( x 1 * , y 1 * ) 是局部渐近稳定的。

A = r ( 1 x 1 * k ) ( x 1 * v ) r x 1 * ( x 1 * v ) k + r x 1 * ( 1 x 1 * k ) + m ( α x 1 * ) 2 y 1 * ( α + β x 1 * + x 1 * 2 ) 2

B = m x 1 * α + β x 1 * + x 1 * 2 C = e m ( α x 1 * ) 2 y 1 * ( α + β x 1 * + x 1 * 2 ) 2

D = 0 所以特征方程为 λ 2 A λ + B C = 0

所以根据根与系数的关系,可得方程的两个特征根 λ 1 , λ 2 满足:

λ 1 + λ 2 = A , λ 1 λ 2 = B C = e m 2 ( α x 1 * ) 2 x 1 * y 1 * ( α + β x 1 * + x 1 * 2 ) 3 (1.2)

x 1 * = e m β d e 2 m 2 2 e β d m + β 2 d 2 4 d 2 α 2 d

x 2 * = e m β d + e 2 m 2 2 e β d m + β 2 d 2 4 d 2 α 2 d

所以

α x 1 * 2 = α [ e m β d e 2 m 2 2 e β d m + β 2 d 2 4 d 2 α 2 d ] 2 = α ( e m β d ) 2 + ( e 2 m 2 2 e β d m + β 2 d 2 4 d 2 α ) 2 ( e m β d ) e 2 m 2 2 e β d m + β 2 d 2 4 d 2 α 2 d = 8 α d 2 2 ( e m β d ) 2 + 2 ( e m β d ) e 2 m 2 2 e β d m + β 2 d 2 4 d 2 α 4 d 2 = 4 α d 2 ( e m β d ) 2 + ( e m β d ) ( e m β d ) 2 4 d 2 α 2 d 2 > 0

因为

( e m β d ) > ( e m β d ) 2 4 d 2 α

所以

4 α d 2 ( e m β d ) 2 + ( e m β d ) e 2 m 2 2 e β d m + β 2 d 2 4 d 2 α 2 d 2 > 4 α d 2 ( e m β d ) 2 + ( e m β d ) 2 4 α d 2 2 d 2 = 0

所以 λ 1 λ 2 > 0 ,因此若 λ 1 + λ 2 < 0 ,两个特征根具有负实根,此时 E 31 = ( x 1 * , y 1 * ) 是局部渐近稳定的

同理对于平衡点 E 32 = ( x 2 * , y 2 * ) 可得 λ 1 λ 2 < 0 所以不稳定。

3.5. Hopf分支

由3.4可知,系统(1.1)正平衡点 E 31 = ( x 1 * , y 1 * ) 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 E 31 = ( x 1 * , y 1 * ) 发生在Hopf分支的条件和Hopf分支的方向。

η 1 = λ 1 + λ 2 η 2 = λ 1 λ 2 其中 λ 1 λ 2 是(1.2)中定义的,且 η 2 > 0 选取捕食者自然死亡率d作为分支参数。如果存在 d = d * > 0 ,使得H2 η 1 ( d * ) = 0 η 12 ( d * ) < 0 2 η 12 η 2 + η 1 η 21 0 成立,其中 η 12 η 21 表示对d的求导。

假设条件H2成立,当 d = d * ,系统会在正平衡点 E 31 = ( x 1 * , y 1 * ) 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:

λ 2 η 1 λ + η 2 = 0 (1.3)

d = d * 时,即 η 1 = 0 特征方程可以为:

λ 2 + η 2 = 0

此时方程会出现一对纯虚根为:

λ 1 = i η 2 λ 2 = i η 2

现在验证横截条件,对特征方程(1.3)关于d进行求导,有:

2 λ d λ d d λ η 12 d λ d d η 1 + η 21 = 0

整理可得:

d λ d d = λ η 12 η 21 2 λ η 1

则有:

d λ d d = 2 λ η 12 η 2 η 1 η 21 4 η 2 + η 1 2 + i 2 η 21 η 2 η 1 η 2 η 21 4 η 2 + η 1 2 λ = i η 2

因此此时系统(1.1)会在正平衡点 E 31 = ( x 1 * , y 1 * ) 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 u = x x * v = y y * 对系统(1.1)泰勒展开可得:

d u d t = a 10 u + a 01 v + a 11 u v + a 20 u 2 + a 02 v 2 + a 30 u 3 + a 21 v 3 + a 12 u 2 v + a 03 u v 2 + P ( u , v )

d v d t = b 10 u + b 01 v + b 11 u v + b 20 u 2 + b 02 v 2 + b 30 u 3 + b 21 v 3 + b 12 u 2 v + b 03 u v 2 + Q ( u , v )

a 10 = r ( 1 x * k ) ( x * v ) r x * ( x * v ) k + r x * ( 1 x * k ) + m ( α x * ) 2 y * ( α + β x * + x * 2 ) 2

a 01 = m x * α + β x * + x * 2 a 11 = m ( α x * 2 ) ( α + β x * + x * 2 ) 2

a 20 = r ( x * v ) k + r ( 1 x * k ) r x * k m ( α x * ) y * ( α + β x * + x * 2 ) 2 m ( β + 2 x * ) ( α x * 2 ) y * ( α + β x * + x * 2 ) 2 a 02 = 0

a 30 = r k + m y * 3 ( α + β x * + x * 2 ) 2 + 2 m ( β + 2 x * ) ( α x * 2 ) y * 3 ( α + β x * + x * 2 ) 3 2 m ( α x * 2 ) y * 3 ( α + β x * + x * 2 ) 3 + 2 m ( β + 2 x * ) x * y * 3 ( α + β x * + x * 2 ) 3 + m ( β + 2 x * ) 2 ( α x * 2 ) y * ( α + β x * + x * 2 ) 4

a 03 = 0 a 21 = m ( α x * ) ( α + β x * + x * 2 ) 2 + m ( β + 2 x * ) ( α x * 2 ) ( α + β x * + x * 2 ) 3 a 12 = 0

b 10 = e m ( α x * ) 2 y * ( α + β x * + x * 2 ) 2 = e y * a 11 b 01 = 0 b 11 = e a 11 b 20 = e y * a 21 b 02 = 0

b 30 = e ( r k + a 30 ) b 03 = 0 b 21 = e a 21 b 12 = 0

P ( u , v ) = i + j = 4 + a i j u i v j Q ( u , v ) = i + j = 4 + b i j u i v j

则由第一Lyapunov系数 σ 计算可得:

σ = 3 π 2 a 01 Δ 3 2 { [ a 10 b 10 ( a 11 b 02 + a 02 b 11 + a 11 2 ) + a 10 a 01 ( a 20 b 11 + a 11 b 02 + b 11 2 ) + b 10 2 ( a 11 a 02 + 2 a 02 b 02 ) 2 a 10 b 10 ( b 02 2 a 20 a 02 ) 2 a 10 a 01 ( a 20 2 b 20 b 02 ) a 01 2 ( 2 a 20 b 20 + b 11 b 20 ) + ( a 10 b 01 2 a 10 2 ) ( b 11 b 02 a 11 a 20 ) ] ( a 10 2 + a 01 b 10 ) [ 3 ( b 10 b 03 a 01 a 30 ) + 2 a 10 ( a 21 + b 12 ) + ( b 10 a 21 a 01 b 21 ) ] }

其中 Δ = a 10 b 01 a 01 b 10

σ > 0 时: E 31 = ( x 1 * , y 1 * ) 产生次临界Hopf分支;

σ < 0 时: E 31 = ( x 1 * , y 1 * ) 产生超临界Hopf分支。

4. 结语

本文研究了具有Allee效应和具有Holling IV功能反应的捕食者–食饵模型。对其有界性、解的性质、平衡点的存在性以及其局部稳定性和分支进行了分析。通过构造函数得出了解的有界性。最后对模型线性化处理,通过计算Lyapunov系数来分析Hopf分支的方向。

References Allee, W.C. and Bowen, E.S. (1932) Studies in Animal Aggregations: Mass Protection against Colloidal Silver among Goldfishes. Journal of Experimental Zoology, 61, 185-207. >https://doi.org/10.1002/jez.1400610202 Allee, W.C. (1931). Animal Aggregations, a Study in General Sociology. The University of Chicago Press. >https://doi.org/10.5962/bhl.title.7313 van Voorn, G.A.K., Hemerik, L., Boer, M.P. and Kooi, B.W. (2007) Heteroclinic Orbits Indicate Overexploitation in Predator-Prey Systems with a Strong Allee Effect. Mathematical Biosciences, 209, 451-469. >https://doi.org/10.1016/j.mbs.2007.02.006 Wang, J., Shi, J. and Wei, J. (2010) Predator–Prey System with Strong Allee Effect in Prey. Journal of Mathematical Biology, 62, 291-331. >https://doi.org/10.1007/s00285-010-0332-1 Wang, M. and Kot, M. (2001) Speeds of Invasion in a Model with Strong or Weak Allee Effects. Mathematical Biosciences, 171, 83-97. >https://doi.org/10.1016/s0025-5564(01)00048-7 Keitt, T.H., Lewis, M.A. and Holt, R.D. (2001) Allee Effects, Invasion Pinning, and Species’ Borders. The American Naturalist, 157, 203-216. >https://doi.org/10.1086/318633 Lewis, M.A. and Kareiva, P. (1993) Allee Dynamics and the Spread of Invading Organisms. Theoretical Population Biology, 43, 141-158. >https://doi.org/10.1006/tpbi.1993.1007 Zhang, S. and Chen, L. (2005) A Holling II Functional Response Food Chain Model with Impulsive Perturbations. Chaos, Solitons&Fractals, 24, 1269-1278. >https://doi.org/10.1016/j.chaos.2004.09.051 Liu, X. and Chen, L. (2003) Complex Dynamics of Holling Type II Lotka-Volterra Predator-Prey System with Impulsive Perturbations on the Predator. Chaos, Solitons&Fractals, 16, 311-320. >https://doi.org/10.1016/s0960-0779(02)00408-3 Sarwardi, S., Haque, M. and Venturino, E. (2010) Global stability and Persistence in LG-Holling Type II Diseased Predator Ecosystems. Journal of Biological Physics, 37, 91-106. Cui, R., Shi, J. and Wu, B. (2014) Strong Allee Effect in a Diffusive Predator-Prey System with a Protection Zone. Journal of Differential Equations, 256, 108-129. >https://doi.org/10.1016/j.jde.2013.08.015
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