多种群强耦合种群动态模型的稳定性分析

摘要

在数学生态学中，一个生态系统共存态的存在性及各种群的长时间行为是种群动态模型研究的主要内容.近年来，随着对种群动态模型研究的深入，同时考虑了扩散、自扩散和交错扩散作用的强耦合反应扩散方程组受到越来越多的关注.在这篇博士学位论文中，我们主要考虑种群动力学中的一类具有代表性的强耦合非线性反应扩散系统，通过对此类系统解的整体性态以及非常数稳态解存在性的研究，得到了一系列新的结果.整篇论文由五章组成， 第一章，介绍数学生态学及种群动态模型的背景、发展、研究进展及现状，给出本文所要讨论的主要问题和研究思想。 第二章，给出文中要用到的一些重要引理、命题等辅助知识。 第三章，讨论一类带非线性耗散的强耦合反应扩散系统的整体解.这类系统是同时考虑了扩散、自扩散和交错扩散作用的n种群SKT模型.以H。Amann建立的非负解的局部存在性为基础，采用PDE中标准的能量估计方法，结合恰当的Gagliardo-Nirenberg型插值不等式，我们在扩散矩阵和竞争矩阵正定的条件下得到该类系统解的整体存在性和一致有界性，并进一步由Lyapunov函数法得出非常数正平衡态的不存在性。 第四章，主要考虑三种群强耦合HP食物链模型.在零流边界条件下，运用Leray-Schauder度理论，得到这个强耦合系统的非常数正稳态解的存在性，同时，由种群动力学中的一些基本概念及方法，讨论该模型的常数正平衡点的稳定性，结果表明，对于强耦合情形，当第二个种群的扩散或自扩散作用较强时，系统不存在非常数正平衡态，而当第二个种群相对于第一个种群或第三个种群相对于第二个种群的交错扩散足够大时，系统至少存在一个非常数正稳态解.在弱耦合情形，当第三个种群的扩散充分大时会出现非常数正平衡态。因此，较强的扩散或交错扩散对系统生成稳态模式(stationary patterns)起着促进作用。 第五章，运用Rabinowitz局部和全局分歧定理，研究零边界条件下强耦合竞争-竞争-互惠模型的平衡态问题正解的大范围分歧.以第一个种群的内禀增长率作为分歧参数，根据Rabinowitz局部分歧定理得到了平衡态系统在第一个分量为0的半平凡平衡解支上的分歧解.进一步，由Rabinowitz正解的大范围分歧定理可知这个分歧解是全局存在的，因此当三个种群的内禀增长率适当大，并且某个相关的带非线性扩散项的特征值问题的第一特征值为0且为奇代数重数时，这三个种群至少有一个共存态。

目录

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英文文摘

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第1章综述

§1.1生物数学的一个重要分支——种群动力学

§1.2种群动力学模型的研究方法与现状

§1.3本文的主要工作及内容安排

第2章 准备知识

§2.1常用不等式

§2.2平衡点的稳定性

§2.3度理论方法的预备知识

§2.4分歧定理

第3章 n-种群互惠模型的整体解

§3.1解的整体存在性与一致有界性

§3.1.1主要结论

§3.1.2定理3.1.1的证明

§3.2正平衡点的全局稳定性

§3.3小结

第4章 HP食物链模型的稳定性分析

§4.1模型背景

§4.2 ODEs和PDEs的常数正平衡点的稳定性

§4.3强耦合系统的先验估计

§4.4强耦合系统的非常数正稳态解(交错扩散的作用)

§4.4.1非常数正稳态解的不存在性

§4.4.2 正平衡点处的局部化讨论

§4.4.3强耦合系统非常数正稳态解的存在性

§4.5弱耦合系统的非常数正稳态解(扩散的作用)

§4.5.1正平衡点的稳定性

§4.5.2正解的先验估计

§4.5.3弱耦合系统非常数正稳态解的不存在性和存在性

§4.6 小结

第5章 竞争-竞争-互惠模型的稳定性分析

§5.1模型背景

§5.2半平凡正解集｛[(0，θb，θc)｝上的分歧

§5.2.1先验估计

§5.2.2局部分歧

§5.3全局分歧

§5.3.1半平凡解的不存在性

§5.3.2三个种群的共存

参考文献

在学期间的研究成果

致谢