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西 北 师 范 大 学 学 报 (自然科学版) 第 45 卷 2009 年第 5 期
Journal of Northwest Normal University (Natural Science) Vol畅45 2009 No畅5
收稿日期 : 2008桘12桘12 ;修改稿收到日期 :2009桘05桘20
基金项目 : 国家自然科学基金资助项目(60671063 ;10871122)
作者简介 : 高霞 (1979 — ) ,女 ,甘肃天水人 ,讲师 ,硕士研究生 .主要研究方向为生态数学 .
E桘mail :
g
aoxia1012@
y
ahoo畅cn
具 有 时 滞 和 干 扰 的 广 义 Logistic 模 型 的
Hopf 分 支 周 期 解
高 霞
1 ,2
,陈斯养
1
(1畅 陕西师范大学 数学与信息科学学院 ,陕西 西安 710062 ;
2畅 甘肃工业职业技术学院 基础学科部 ,甘肃 天水 741025)
摘 要 :讨论了具有时滞与干扰的广义 Logistic 模型分支周期解的存在性 、 稳定性及其近似分支周期解 . 首先根据特
征值理论得到该模型产生 Hopf 分支的条件 ; 然后用周期函数正交性方法得到其近似分支周期解的表达式 ; 最后举例
验证了定理的可实现性 , 利用 Matlab 得到了其参数取不同数值时的曲线拟合图 , 并讨论了参数对周期解的周期和振
幅的影响 .
关键词 : Logistic 模型 ;周期解 ; Hopf 分支 ;时滞 ;稳定性
中图分类号 : O 175畅7 文献标识码 : A 文章编号 :1001‐988 Ⅹ (2009)05‐0006‐07
T he Hopf bifurcation periodic solution of a general Logistic model
with time delay and interference
GAO Xia
1 ,2
, CHEN Si桘
y
ang
1
(1畅 College of Mathematics and Information Science ,Shaanxi Normal University ,Xi摧an 710062 , Shaanxi ,China ;
2畅 Department of Basic Courses , Gansu Industrial Vocational Technical College , Tianshui 741025 ,Gansu , China)
Abstract : The existence , stability and approximate expression of Hopf bifurcation periodic solution are
discussed for a class of general Logistic model with time delay and interference . First of all , the condition
of forming bifurcation periodic solution is obtained according to the eigenvalue theory . After that , the
form of approximate periodic solution is derived by the orthogonal method . In the end , the achievability
of the results is verified by examples . The fitted curves are achieved by Matlab w hen assign the different
p
armaters to the model , and the effect of parameters on the amplitude of vibration and the period of the
p
eriodic solution for the model is analysed .
Key words : Logistic model ;
p
eriodic solution ; Hopf bifurcation ; time delay ; stability
1 模型的引入
种群的持续生存和灭绝是种群动力学研究的一个重要问题 ,而时滞对种群能否持续生存有着重要的影
响
[1桘9]
, 因此研究时滞产生 Hopf 分支周期解问题具有重要的实际意义 . 文献[ 4 ]研究了非线性系统
d x(t)
dt
+
ax (t) + bx (t
-
τ
) =
f
(x(t) ,x(t
-
τ
))
的分支周期解问题 ; 文献[ 1 ]研究了一类具有固定收获率 , 且含有时滞与干扰的模型
6
2009 年第 5 期 高霞等 : 具有时滞和干扰的广义 Logistic 模型的 Hopf 分支周期解
2009 No畅5 The Hopf bifurcation periodic solution of a general Logistic model with time delay and interference
dx(t)
dt
=
K
-
rx (t)x
n
(t
-
τ
)
1
+
cx
n
(t
-
τ
)
θ
-
H ;
文献[ 8 ]讨论了模型
dx(t)
dt
=
rx (t)
1
-
c
1
x
α
(t) - c
2
x
β
(t
-
τ
)
1
+
c
3
x
β
(t
-
τ
)
的分支周期解问题 , 并给出了近似分支周期解的表达式 . 本文研究了一类具有放养率 ,且含时滞和扰动参
数
α
,
β
的广义 Logistic 模型
d x(t)
dt
=
x(t
-
τ
)
a
-
b x (t) -
c x (t)
d
+
x(t
-
τ
)
α
+
h x
β
(t) ( 1 )
的 Hopf 分支周期解问题 . 其中 a ,b ,c ,d ,h ,
τ
均为正常数 ;
α
,
β
是外界对种群密度的干扰因子 , 且
α
,
β
∈
(0 ,+ ∞ ) . 初始条件为
x(
θ
) =
φ
(
θ
) ≥ 0 ,
θ
∈
[-
τ
,0] ,
φ
(
θ
) ∈ C([-
τ
,0] ,R
+
) ,
φ
(0) > 0 . ( 2 )
2 平衡态的稳定性和局部 Hopf 分支的存在性
引理 1 模型( 1 )满足初始条件( 2 )的解都是正的 .
证明 假设存在 t
1
> 0 ,使得在[0 ,t
1
)上有 x(t) > 0 , 而 x(t
1
) = 0 , 则有
dx(t)
dt
t = t
1
≤ 0 , 而
dx(t)
dt
t = t
1
= ax(t -
τ
) > 0 , 矛盾 .故不存在使得 x(t)= 0 的 t ,又因 x(t)关于 t 连续可微 , 所以 , x(t) > 0 在其定义
域上恒成立 ,引理得证 . 】
引理 2 模型( 1 )满足初始条件( 2 )的解是全局存在的 .
证明 假设模型( 1 )的解不是全局存在的 , 则存在 t
1
> 0 ,使得 lim
t → t
1
-
x(t) = + ∞ , 设 x(t)在 t
2
处第一
次到达任意点
δ
,即 x(t
2
)=
δ
, 则
dx(t
2
)
dt
≥ 0 ,而
d x(t
2
)
dt
=
x(t
2
-
τ
)
a
-
b x (t
2
) -
c x (t
2
)
d
+
x(t
2
-
τ
)
α
+
h x
β
(t
2
) =
x(t
2
-
τ
)
a
-
b
δ
-
c
δ
d
+
x(t
2
-
τ
)
α
+
h
δ
β
<
δ
a
-
b
δ
-
c
δ
d
+
δ
α
+
h
δ
β
=
0 ,
这与假设矛盾 , 所以模型( 1 )的解 x(t)是全局存在的 . 】
定理 1 若 0 <
β
≤ 1 ,且
α
=
2m + 1
2n+ 1
(m ,n ∈ N) , 则系统( 1 )有唯一的正平衡态存在 .
证明 由模型( 1 )可知 ,其正平衡态 x
倡
应满足
a
-
b x
倡
-
c x
倡
d
+
x
倡
= -
h
1
α
x
倡
β
-
1
α
,
其中
α
=
2m + 1
2n + 1
(m ,n ∈ N) . 令 F(x)= a - bx -
cx
d + x
+ h
1
α
x
β
- 1
α
, 则 F
′
(x) = - b -
cd
(d + x)
2
+
β
- 1
α
h
1
α
x
β
-
α
- 1
α
.
若 0 <
β
≤ 1 , 此时 F(0) = a> 0 且 F(x)单调递减 ,故方程( 1 )的平衡态存在且唯一 . 】
做变换 x(t) =
y
(t) + x
倡
,则模型( 1 )变为
d
y
(t)
dt
=
[
y
(t
-
τ
) + x
倡
]
a
-
b(
y
(t) + x
倡
) -
c(
y
(t) + x
倡
)
d
+
y
(t
-
τ
) + x
倡
α
+
h[
y
(t) + x
倡
]
β
. ( 3 )
将( 3 )式右边在
y
= 0 处 Taylor 展开得
d
y
(t)
dt
+
A
y
(t) + B
y
(t
-
τ
) = F(
y
(t) ,
y
(t
-
τ
)) , ( 4 )
其中
F(
y
(t) ,
y
(t
-
τ
)) = A
20
y
2
(t) + A
11
y
(t)
y
(t
-
τ
) + A
02
y
2
(t
-
τ
) + A
30
y
3
(t) + A
21
y
2
(t)
y
(t
-
τ
) +
7
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