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第条

两阶段反应扩散系统的持久性

通过
罗伯特·斯蒂芬·坎特雷尔
1,*,
克里斯·科斯纳
1
萨洛梅·马丁内斯
2
1
美国佛罗里达州珊瑚山墙市迈阿密大学数学系,邮编33124
2
智利圣地亚哥智利大学,UMI 2807 CNRS-UChile,邮编:8370456
*
应向其寄送信件的作者。
数学 2020,8(3), 396;https://doi.org/10.3390/math8030396
收到的提交文件:2020年2月3日/修订日期:2020年3月2日/接受日期:2020年3月5日/发布日期:2020年3月11日

摘要

:
在这篇文章中,我们研究了异质环境中阶段结构种群的反应扩散模型中的扩散率如何影响该模型对种群持久性或灭绝的预测。对于没有阶段结构的种群,更快的扩散通常是有害的。与此相反,我们发现,在阶段结构的人群中,它既可能有害,也可能有益。如果成年人可以繁殖的区域与青少年可以成熟的区域相同,则通常会倾向于扩散较慢,但如果这些区域分开,则可能会倾向于更快的扩散。我们的分析主要包括对周围线性化系统主特征值的估计 ( 0 , 0 ) 以及它们在大小扩散率下的渐近行为的结果。我们研究的模型一般不是一个合作系统,但如果成年人只与其他成年人竞争,而青少年只与其他青少年竞争,那么它就是。在这种情况下,合作系统的一般理论暗示,当模型预测持续性时,它具有独特的正平衡。在这种情况下,我们得到了关于小扩散和大成人生殖率正平衡点渐近行为的一些结果。
AMS分类:
92D40;92D50;35P15页;35K57型

1.简介

近年来,人们对扩散如何与空间异质性相互作用以影响种群动态和物种相互作用的问题进行了广泛的研究,特别是从反应扩散系统和相关模型的角度——例如[1,2,]以及其中引用的参考文献。关于这个主题的大多数工作都假设每个种群都是由空间构成的,并且只有一种扩散模式。然而,种群通常是按年龄、阶段或其他属性构成的,个体之间的扩散速度或模式可能会有所不同。在这里,我们将研究阶段结构的存在如何影响扩散率如何影响具有两个阶段的种群的一类反应扩散模型中的种群动力学。如果种群具有逻辑增长,没有年龄或阶段结构,在时间恒定的封闭有界空间异质环境中扩散,众所周知,反应扩散模型预测,较慢的扩散速度相对于较快的扩散速度是有利的[4,5]. 中的结果[5]也适用于补丁模型。更广泛地说,出现在种群遗传学、种群动力学和相关领域的一大类模型显示了某种形式的减少原理,即扩散会导致更快的混合,通常会降低种群增长速度[6]. 然而,对于阶段结构种群,情况似乎大不相同。在[7],作者考虑了结构化种群的离散时间斑块模型,发现在某些情况下,没有针对快速扩散的选择。本论文的目标是使用空间显式反应扩散模型来理解有利于成虫繁殖和有利于幼虫生存和生长的栖息地的空间分布如何影响快速扩散对阶段结构种群是有利还是有害。我们将看到,答案取决于有利和不利栖息地的空间分布细节。
我们将研究的反应扩散模型的类型是
u个 t吨 = d日 1 Δ u个 + 第页 ( x个 ) v(v) ( x个 ) u个 ( x个 ) u个 b条 ( x个 ) u个 2 c(c) ( x个 ) u个 v(v) 在里面 Ω , t吨 > 0 , v(v) t吨 = d日 2 Δ v(v) + ( x个 ) u个 e(电子) ( x个 ) v(v) (f) ( x个 ) v(v) 2 ( x个 ) u个 v(v) 在里面 Ω , t吨 > 0 , u个 · ν = v(v) · ν = 0 Ω , t吨 > 0 .
Ω 是中的有界域 R(右) N个 、和 ν 外单位是否垂直于 Ω ,使得系统具有Neumann边界条件,即简单扩散的无通量边界条件。在这个系统中,u个v(v)表示同一物种中已达到生育年龄的青少年和个体(即分别为成年人)的人口密度。因此,术语 ( x个 ) 代表青少年成熟为成年人的速度,由达到生育年龄的个体比例和成熟速度决定,而 第页 ( x个 ) 说明了当地成年人的繁殖力 第页 ( x个 ) v(v) ( x个 ) 描述了具有密度的成年种群产生新幼仔的速度v(v)在位置x个.条款 ( x个 ) , b条 ( x个 ) , c(c) ( x个 ) , e(电子) ( x个 ) , (f) ( x个 ) 、和 ( x个 ) 解释了由于logistic自模拟导致的全脑死亡率和饱和因子。扩散系数 d日 1 d日 2 分别解释了青少年和成年人的传播速度。假设系数在 Ω ¯ 。这是中引入的阶段结构人口的模型类型[8]. 具有不同解释的相关模型在中进行了讨论[9,10]以及那些论文中的参考文献。用方程式表示的模型(1)不是显式的年龄结构模型。它假设处于青少年阶段的个体以某种空间依赖性的速度成熟,但不跟踪每个阶段中个体的年龄。在[11,12,13]. 基于延迟反应扩散方程,在[14]. 我们这里的重点是空间异质性、扩散和舞台结构是如何相互作用的,所以我们选择了最简单的舞台结构形式。在以下情况下 c(c) = = 0 ,系统是协作的,以及[15,16]方程的线性化(1)大约 ( 0 , 0 ) 是合作的,所以[15]适用于它;特别是,通过一些技术假设,它们意味着它具有主特征值。
我们将在本工作中解决的主要问题与理解方程中不同函数和系数的作用有关(1)物种的持久性。在本文的剩余部分中,我们将主要关注如何理解方程线性化的主特征值(1)大约 ( 0 , 0 ) 取决于系数以及这种依赖性在生物学上的含义。我们将看到,更快的扩散对种群的持续生存是有害的还是有益的,取决于有利于成虫繁殖和有利于幼虫生存和成熟的栖息地分布的细节。在某些情况下,较慢的扩散仍然是一个优势,但有时更快的扩散会有所帮助,甚至可能需要足够快的扩散才能持久。有利于成虫繁殖的栖息地的空间分布( 第页 ( x个 ) 大)相对于那些有利于青少年发展的( ( x个 ) 大型)在某些情况下非常重要。我们在这里的分析在精神上与在[,17,18,19]. 特别是,我们将研究系统在小扩散率、大扩散率和一般扩散率下的行为。一些流行病学模型的相关结果在[20,21].
方程的线性化(1)大约 ( 0 , 0 ) 有一个主特征值,其符号决定了模型预测的是持久性还是灭绝性。自符号的主特征值线性化方程(1)大约 ( 0 , 0 ) 决定方程式的命运(1)对于它描述的人口预测,我们将详细研究以下问题:
d日 1 Δ φ + 第页 ( x个 ) ψ ( ( x个 ) + ( x个 ) ) φ = λ φ 在里面 Ω , d日 2 Δ ψ + ( x个 ) φ e(电子) ( x个 ) ψ = λ ψ 在里面 Ω , φ · ν = ψ · ν = 0 Ω .

2.基本属性

在本节中,我们将讨论方程的一些基本性质(1). 从现在开始,我们假设 第页 , , , b条 , c(c) , e(电子) , (f) , C类 α ( Ω ¯ ) , Ω 是一流的 C类 2 , α ,并且以下假设成立:
假设 1 (H1)。
第页 ( x个 ) , ( x个 ) 0 在里面Ω,带有 第页 ( x个 第页 ) 0 , ( x个 ) 0 对一些人来说 x个 第页 , x个 Ω .
假设 2 (H2)。
( x个 ) , c(c) ( x个 ) , e(电子) ( x个 ) , ( x个 ) 0 在里面Ω.
假设  (H3)。
b条 ( x个 ) > 0 , (f) ( x个 ) > 0 在里面 Ω ¯ .
用方程式表示的模型(1)与中讨论的模型有许多共同的数学特征[9,10]对于个体可以在两种不同运动模式之间切换的人群。一个关键特征是方程的线性部分(1)是协同的,因此它将具有决定平衡稳定性的主特征值 ( 0 , 0 ) 从而导致种群的持续或灭绝。方程式的另一个关键特征(1)非线性是亚均匀的。合作线性系统(如方程右侧的线性部分)的最大值原理和主特征值的存在性(1)派生于[15]. 方程等系统的一般理论(1)开发于[16]对于完全合作的情况(其中 c(c) = = 0 ,例如成年人只与其他成年人竞争,青少年与其他青少年竞争),在一般情况下[8,9,10,22]. 正如所料,方程线性化的主特征值的符号(1)周围 ( 0 , 0 ) 为我们研究物种的持久性提供了相关信息。如果是积极的,人口将持续存在。如果是非阳性,人口将灭绝。如果系数c(c)在方程式中(1)零,这样系统是合作的,结果和方法[16]这意味着,如果线性部分的主特征值为正,则系统具有唯一的全局吸引平衡。如果这些系数很小[9,10]可以应用于显示方程(1)是渐近合作的,并且仍然具有唯一的全局吸引正平衡点。合并中给出的结果[8,9,10,15,16]或者直接遵循这些论文中使用的相同论点,我们有以下几点:
引理 1
用方程表示的特征值问题(2)具有唯一的主特征值 λ 1 具有正特征向量的 ( φ , ψ ) .
引理 2
如果 λ 1 > 0 ,然后用方程式表示系统(1)是持久的,并且至少有一个正平衡。如果 λ 1 0 ,然后 ( 0 , 0 ) 在方程中是全局渐近稳定的(1).
引理 三。
如果 λ 1 > 0 如果c和g足够小,那么方程中表示的系统(1)具有独特的全球吸引正平衡。
备注 1
在这种情况下 c(c) = = 0 ,系统用等式表示(1)是合作的,因此在适当的空间上生成单调的半流。

3.案例 d日 1 , d日 2 小型

遵循中的方法[23],我们将建立方程主特征值的渐近行为(2)何时 d日 1 , d日 2 规模较小,在完全合作的情况下(其中 c(c) 0 )方程相应稳态系统的非负解轮廓(1).
d日 1 Δ u个 + 第页 ( x个 ) v(v) ( x个 ) u个 ( x个 ) u个 b条 ( x个 ) u个 2 = 0 在里面 Ω , d日 2 Δ v(v) + ( x个 ) u个 e(电子) ( x个 ) v(v) (f) ( x个 ) v(v) 2 = 0 在里面 Ω , u个 · ν = v(v) · ν = 0 Ω ,
也。相关结果见[16]. 我们观察到,对应于方程式(1),由给出
u个 t吨 = 第页 ( x个 ) V(V) ( x个 ) ( x个 ) 单位 ( x个 ) ( x个 ) 单位 ( x个 ) b条 ( x个 ) 单位 2 ( x个 ) c(c) ( x个 ) 单位 ( x个 ) V(V) ( x个 ) = 0 , v(v) t吨 = ( x个 ) 单位 ( x个 ) e(电子) ( x个 ) V(V) ( x个 ) (f) ( x个 ) V(V) 2 ( x个 ) ( x个 ) 单位 ( x个 ) V(V) ( x个 ) = 0 ,
对于每个 x个 Ω .
对于每个x个,此系统与方程式具有相同的属性(1)在引理1-3中给出,为了方便起见,我们进行了说明。
引理 4
设置 x个 Ω .方程(0,0)的线性化(4)具有主特征值 λ 1 ( x个 ) 此外,
(i) 
如果 λ 1 ( x个 ) 0 ,则方程具有非负初始条件的所有解(4)收敛到(0,0),当 t吨 .
(ii) 
如果 λ 1 ( x个 ) > 0 ,然后是方程式(4)是持久的,并且至少有一个正平衡。
(iii) 
如果 c(c) 0 λ 1 ( x个 ) > 0 ,则公式(4)是合作的,并且承认一个唯一的正平衡点,它是所有非负非平凡解的全局吸引子。
请注意,当 d日 1 = d日 2 = 0 方程(0,0)附近线性化的特征值(4)是的根 det(探测) ( A类 ( x个 ) λ ) ,带有
A类 ( x个 ) = ( ( x个 ) + ( x个 ) ) 第页 ( x个 ) ( x个 ) e(电子) ( x个 )
通过简单的计算,我们得到最大特征值由下式给出
Λ ( x个 ) = 1 2 ( ( x个 ) + ( x个 ) + e(电子) ( x个 ) ) + ( ( x个 ) + ( x个 ) e(电子) ( x个 ) ) 2 + 4 第页 ( x个 ) ( x个 ) ,
这是积极的,前提是 ( ( x个 ) + ( x个 ) ) e(电子) ( x个 ) 第页 ( x个 ) ( x个 ) < 0 .我们的第一个结果是定理1.4的直接应用[23](中的定理A1附录A),指出这确实是具有正主特征值的必要和充分条件,当 d日 1 d日 2 都很小。
提议 1
主特征值 λ 1 方程式的(2)满足
λ 1 最大值 x个 Ω ¯ Λ ( x个 ) 作为 d日 1 , d日 2 0 .
因此,存在一个 δ > 0 这样,如果
最小值 x个 Ω ¯ ( ( ( x个 ) + ( x个 ) ) e(电子) ( x个 ) 第页 ( x个 ) ( x个 ) ) < 0 ,
方程的主特征值(2)对所有人都是积极的 0 < d日 1 , d日 2 < δ ,而如果
最小值 x个 Ω ¯ ( ( ( x个 ) + ( x个 ) ) e(电子) ( x个 ) 第页 ( x个 ) ( x个 ) ) > 0 ,
主特征值为负。
因此,如果方程式(9)成立,系统的唯一非负平衡,用方程表示()是 ( 0 , 0 ) 这种平衡在全球范围内具有吸引力,无论何时 d日 1 , d日 2 都很小;if公式(8)保持,系统用等式表示()是持久的,并且对小 d日 1 , d日 2 .如果公式(8)持有和 c(c) 0 ,然后通过引理3,系统用等式表示()具有独特的全局吸引正平衡,我们用 ( u个 d日 , v(v) d日 ) 具有 d日 = ( d日 1 , d日 2 ) .
在本节的其余部分中,我们将假设 c(c) 0 在里面 Ω ,在这种情况下,系统表示为(1)是合作的。
下一个结果确定了 ( u个 d日 , v(v) d日 ) 到唯一的非负稳态 ( 单位 ( x个 ) , V(V) ( x个 ) ) 满足
( 单位 ( x个 ) , V(V) ( x个 ) ) 积极的 哪里 ( ( x个 ) + ( x个 ) ) e(电子) ( x个 ) 第页 ( x个 ) ( x个 ) < 0 , ( 单位 ( x个 ) , V(V) ( x个 ) ) = 0 哪里 ( ( x个 ) + ( x个 ) ) e(电子) ( x个 ) 第页 ( x个 ) ( x个 ) 0 .
定理 1
假设方程式(8)持有。然后 ( u个 d日 , v(v) d日 ) ( 单位 , V(V) ) 作为 d日 0 局部一致Ω.
为了证明这个定理,我们遵循的定理1.5的证明[23]特别是他们在[23]及其假设,这些假设列在[23]如(A1)–(A4)所示,并在附录A作为(L1)-(L4),以避免与此处的方程式标签混淆。我们应该指出[23]在我们的案例中不成立,因此我们无法直接应用该结果。不同的是,我们允许在下列情况下,动力学系统用方程式表示(4)对于某些值具有正平衡 x个 Ω ¯ 但对于其他情况则不然,而条件(A2)要求所有的动力学系统都达到正平衡x个。因此,我们需要构造中参数的版本[23]那是本地的x个条件(A3)in[23]仅用于证明与等式对应的系统的非平凡次解的存在性(),独立于 d日 1 , d日 2 在下一个引理中,我们证明了在我们的例子中需要的类似局部亚解的存在性。
引理 5
假设 x个 ˜ Ω 0 ,其中
Ω 0 = { x个 Ω / ( ( x个 ) + ( x个 ) ) e(电子) ( x个 ) 第页 ( x个 ) ( x个 ) < 0 } .
然后就有了 d日 0 > 0 , ρ 0 > 0 、和函数 ̲ 0 > 0 在里面 B类 ( x个 ˜ , ρ ) Ω 0 ,它是等式的次解()为所有人 0 < d日 1 , d日 2 < d日 0 .
证明。 
= ( 1 , 2 ) ,的正特征向量 A类 ( x个 ˜ ) 具有 1 + 2 = 1 ,与其主特征值相关 σ ˜ > 0 .设置 ε > 0 而且很小。我们可以选择 ρ > 0 这样的话 B类 ( x个 ˜ , ρ ) ¯ Ω 0
| ( x个 ) ˜ | < ε , | 第页 ( x个 ) 第页 ˜ | < ε , | ( x个 ) ˜ | < ε | e(电子) ( x个 ) e(电子) ˜ | < ε 对于 全部的 x个 在里面 B类 ( x个 ˜ , ρ ) ¯ ,
哪里 ˜ = ( x个 ˜ ) , 第页 ˜ = 第页 ( x个 ˜ ) , ˜ = ( x个 ˜ ) 、和 e(电子) ˜ = e(电子) ( x个 ˜ ) .设置 η > 0 作为与 λ > 0 ,的主特征值
Δ η + λ η = 0 在里面 B类 ( x个 ˜ , ρ ) , η = 0 B类 ( x个 ˜ , ρ ) ,
具有 最大值 B类 ( x个 ˜ , ρ ) η = 1 。我们声称我们可以选择 δ , ε , ρ , d日 0 > 0 这样的话 δ η 是方程式的次解()为所有人 d日 1 , d日 2 < d日 0 为了简单起见,并保持符号与[23],我们定义 如果 ( x个 , u个 , v(v) ) = ( 如果 1 ( x个 , u个 , v(v) ) , 如果 2 ( x个 , u个 , v(v) ) ) ,带有
如果 1 ( x个 , u个 , v(v) ) = 第页 v(v) u个 u个 b条 u个 2 如果 2 ( x个 , u个 , v(v) ) = u个 e(电子) v(v) (f) v(v) 2 = 0 ,
其中我们省略了变量x个在里面 , b条 , e(电子) , 第页 , , (f) 缩短表达式。请注意
如果 1 ( x个 , δ η ) = δ η ( σ ˜ 1 + ( 第页 第页 ˜ ) 2 ( ˜ ) 1 ( ˜ ) 1 b条 δ 1 2 η ) 如果 2 ( x个 , δ η ) = δ η ( σ ˜ 2 + ( ˜ ) 1 ( e(电子) e(电子) ˜ ) 2 (f) δ 2 2 η ) ,
并使用方程式(12),如果我们选择 ε > 0 和一个小的 δ ,我们有
如果 1 ( x个 , δ η ) δ η ( σ ˜ 1 ε 2 2 ε 1 b条 δ 1 2 η ) > δ η σ ˜ 2 1 如果 2 ( x个 , δ η ) δ η ( σ ˜ 2 ε 1 ε 2 (f) δ 2 2 ) > δ η σ ˜ 2 2 .
因此,在方程式中替换这些不等式(),我们获得
d日 1 δ 1 Δ η + 如果 1 ( x个 , δ η ) δ η d日 1 1 λ + σ ˜ 2 1 d日 2 δ 2 Δ η + 如果 2 ( x个 , δ η ) δ η d日 2 2 λ + σ ˜ 2 2 ;
因此,如果我们设置 d日 0 = σ ˜ 2 λ .我们获得了预期的结果。
使用这个引理,我们可以遵循中命题5.2的证明[23]. 为了便于说明,我们将使用相同的符号。设置运算符 D类 = 诊断 ( d日 1 , d日 2 ) , = 诊断 ( Δ , Δ ) 为了证明定理1,我们将说明所需的引理,并讨论它们与[23]从而证明命题5.2。
假设方程式(8)保持,设置 ̲ 0 = η δ 如引理5所示,以及 ¯ 0 = M(M) 哪里 M(M) > 0 假设(A4)中给出 如果 1 ( x个 , u个 , v(v) ) c(c) u个 如果 2 ( x个 , u个 , v(v) ) c(c) v(v) 为所有人 u个 , v(v) M(M) x个 Ω ,带有 c(c) > 0 固定的。设置 K > 0 这样的话 K + u个 如果 1 ( x个 , u个 , v(v) ) > 0 K + v(v) 如果 2 ( x个 , u个 , v(v) ) > 0 为所有人 0 u个 , v(v) M(M) ,我们定义 z(z) = ¯ k个 作为唯一的解决方案
D类 z(z) + K z(z) = K u个 + 如果 ( x个 , u个 ) 在里面 Ω , z(z) · ν = 0 Ω ,
对于 u个 = ¯ k个 1 .
引理 6
假设方程式(8)持有。对于每个k,我们有 ̲ 0 < ¯ k个 + 1 < ¯ k个 < ¯ 0 和作为 k个 , ¯ k个 一致收敛于方程的唯一正解w(),满足 ̲ 0 < < ¯ k个 在里面Ω为所有人 k个 0 .
证明。 
我们将证明这一点 ̲ 0 < ¯ k个 通过归纳法。假设这是真的k个.请注意 ̲ 0 < ¯ 0 通过构造。在场景中, B类 ( x个 ˜ , ρ ) Ω 0 如引理5所示 ¯ k个 + 1 满足
D类 ( ¯ k个 + 1 ̲ 0 ) + K ( ¯ k个 + 1 ̲ 0 ) = K ( ¯ k个 ̲ 0 ) + 如果 ( x个 , ¯ k个 ) 如果 ( ̲ 0 ) ,
在里面 B类 ( x个 ˜ , ρ ) .通过归纳假说 ̲ 0 < ¯ k个 ,从哪里 K ¯ k个 + 如果 ( x个 , ¯ k个 ) > 0 ; 因此,通过对每个分量应用强最大值原理,我们得到了 ¯ k个 + 1 > 0 在里面 Ω ¯ 因此,我们有
D类 ( ¯ k个 + 1 ̲ 0 ) + K ( ¯ k个 + 1 ̲ 0 ) > 0 在里面 B类 ( x个 ˜ , ρ ) , ¯ k个 + 1 ̲ 0 > 0 在里面 B类 ( x个 ˜ , ρ ) ,
这样我们就有了 ¯ k个 + 1 ̲ 0 > 0 在里面 B类 ( x个 ˜ , ρ ) ¯ 证明的其余部分是一个标准的单调迭代参数,正如[23]. 我们观察到
D类 ( ¯ 1 ¯ 0 ) + K ( ¯ 1 ¯ 0 ) = K ¯ 0 + 如果 ( x个 , ¯ 0 ) K ¯ 0 < 0 在里面 Ω , [ ¯ 1 ¯ 0 ] · ν = 0 Ω ,
因此,根据强最大值原理,我们有 ¯ 1 < ¯ 0 .
类似地,如果 ¯ k个 < ¯ k个 1 ,然后
D类 ( ¯ k个 + 1 ¯ k个 ) + K ( ¯ k个 + 1 ¯ k个 ) = K ¯ k个 + 如果 ( x个 , ¯ k个 ) K ¯ k个 1 如果 ( x个 , ¯ k个 1 ) < 0 在里面 Ω , [ ¯ k个 + 1 ¯ k个 ] · ν = 0 Ω .
通过归纳,序列 { ¯ k个 } 是递减的,其范围如下 x个 { 0 , ̲ 0 ( x个 ) } 因此,根据标准椭圆理论,它收敛于方程的非负非平凡解()作为 k个 .由于通过引理3,方程的非平凡非负解()是唯一的,它与作为序列极限的构造一致 { ¯ k个 } .
定义 ¯ 0 = ¯ 0 ¯ k个 + 1 = ¯ k个 + 如果 ( x个 , ¯ k个 ) 在里面 Ω .根据中的引理5.6和5.7的证明[23],我们可以证明以下结果。
引理 7
假设方程式(8)持有。对于每个k,我们有
̲ 0 < ¯ k个 + 1 < ¯ k个 .
然后, ¯ k个 局部一致收敛到 W公司 作为 k个 ,带有
W公司 = ( 单位 ( x个 ) , V(V) ( x个 ) ) 在里面 Ω 0 , W公司 ( x个 ) = 0 在里面 Ω \ Ω 0 ,
哪里 Ω 0 由方程式给出(11).
证明。 
通过方程式观察(15),函数 ̲ 0 是动力学系统的一种亚溶液。在中重复引理5.6的证明[23],或者根据导致上述引理6证明单调性的参数,我们得到了序列 { ¯ k个 } 单调递减且有界于 ̲ 0 因此, ¯ k个 W公司 逐点,满足 如果 ( x个 , W公司 ) = 0 即动力学系统的非负平衡。因此,如果 x个 Ω 我们有这个 ( ( x个 ) + ( x个 ) ) e(电子) ( x个 ) 第页 ( x个 ) ( x个 ) 0 ,然后 W公司 ( x个 ) = 0 另一方面, W公司 ( x个 ) ̲ 0 ( x个 ) > 0 在里面 B类 ( x个 ˜ , ρ ) Ω 0 对于 x个 Ω 0 .自x个是任意的,并且序列不依赖于 ̲ 0 ,我们得到 W公司 ( x个 ) = ( 单位 ( x个 ) , V(V) ( x个 ) ) ,唯一的正动力学平衡,无论何时 x个 Ω 0 特别是, W公司 是连续的。使用的定理5.8[23],我们得到了在任意紧集上的收敛是一致的 Ω .
引理 8
对于每个k,作为 d日 1 , d日 2 0 ,我们有 ¯ k个 收敛到 ¯ k个 在中一致 Ω ¯ .
这个结果的证明与中引理5.5的证明相同[23].
证明 属于 定理 7
使用对角线参数和引理(8),唯一正解方程式的()收敛到 W公司 作为 d日 1 , d日 2 .

4.案例 d日 1 d日 2 大型

我们将首先给出一个结果的证明,这个结果被称为“民间定理”。它的表述比具体应用所需的更具普遍性。对于 = 1 , , N个 ,让 表示运算符
u个 = · μ ( x个 ) [ u个 u个 α ( x个 ) ] 对于 x个 Ω
无流量边界条件
[ u个 u个 α ] · ν = 0 对于 x个 Ω .
假设 μ ( x个 ) μ 0 > 0 Ω ¯ 为所有人.让 A类 = ( j个 ( x个 ) ) 做一个 N个 × N个 不可约矩阵 j个 0 如果 j个 .考虑特征值问题
d日 φ + j个 = 1 N个 j个 φ j个 = λ φ j个 , = 1 N个
哪里 d日 > 0 为所有人 φ 满足方程中表示的边界条件(17)对于每个注意,如果我们允许 Φ = e(电子) x个 ( α ( x个 ) ) φ ,然后 Φ 满足Neumann边界条件,使得方程中表示的系统(18)根据变量重写 Φ 仍然合作。由于经典边界条件的存在,从[15,23]可以应用于系统 Φ 值,从而使系统和方程式(18)在域上的适当条件下将具有主特征值 Ω 和系数。这个想法已经被用于没有年龄结构的单个种群或这种种群的竞争对的模型中,例如[2,24].
此外,我们还有 ( e(电子) x个 ( α ( x个 ) ) = 0 这样 为零,本征函数是 e(电子) x个 ( α ) .让 A类 ¯ 是由定义的矩阵
A类 ¯ j个 : = Ω j个 e(电子) x个 ( α ) d日 x个 Ω e(电子) x个 ( α ) d日 x个 .
表示方程的主特征值(18)作为 λ 1 ( d日 ) 哪里 d日 = ( d日 1 , , d日 N个 ) .表示的主特征值 A类 ¯ 作为 Λ ¯ .
引理 9
假设,对于某些人来说 γ ( 0 , 1 ) ,方程系数(18)满足 α C类 2 , γ ( Ω ¯ ) , μ C类 1 , γ ( Ω ¯ ) 、和 j个 C类 γ ( Ω ¯ ) 对于 , j个 = 1 N个 ,以及 Ω 是一流的 C类 2 , γ 进一步假设 A类 ¯ 是不可约的。如果 n个 { d日 : = 1 , N个 } ,然后 λ 1 ( d日 ) Λ ¯ .
证明。 
选择任意序列 d日 n个 = ( d日 1 n个 , d日 N个 n个 ) 这样的话 n个 { d日 n个 : = 1 , N个 } 。选择任何子序列,然后将其重新编号为 d日 n个 .让 λ n个 是方程的主要特征值(18)对应于 d日 n个 然后让 φ n个 ( x个 ) > 0 成为特征向量的第个分量,其中特征向量通过 x个 { φ n个 ( x个 ) : x个 Ω ¯ , = 1 , , N个 } = 1 . 集成方程的第个方程(18)超过 Ω 并进行总结产量
λ n个 Ω = 1 N个 φ n个 ( x个 ) d日 x个 = Ω , j个 = 1 N个 j个 ( x个 ) φ j个 n个 ( x个 ) d日 x个 A类 1 Ω = 1 N个 φ n个 ( x个 ) d日 x个
哪里 A类 1 是一个常量,仅取决于A类。由此可见 λ n个 从上方均匀限定。同样, λ n个 从下方均匀边界。因此 λ n个 它本身有一个收敛的子序列。然后将方程的第个方程(18)由 d日 n个 那个 φ n个 一致有界,并且 φ n个 0 作为 n个 .通过椭圆正则性,序列 φ n个 一致有界于 W公司 2 , ( Ω ) 对于任何 < 然后通过Sobolev嵌入,它有一个收敛于 C类 1 ( Ω ¯ ) 在中弱收敛 W公司 2 , ( Ω ) 。任何情况下都是如此.如果需要,再取一个子序列并重新编号,我们得到一个序列,其中 λ n个 λ * 对一些人来说 λ * φ n个 φ * 为所有人,带有 φ * = 0 。那么我们必须 φ * = c(c) e(电子) x个 ( α ) 对于一些非负常数 c(c) ,和 x个 { φ * ( x个 ) : x个 Ω ¯ , = 1 N个 } = 1 .积分方程(18)超过 Ω 并使用无流量边界条件给出
j个 = 1 N个 Ω j个 ( x个 ) φ j个 * ( x个 ) d日 x个 = λ * Ω φ * , = 1 N个 ,
这样的话
j个 = 1 N个 Ω j个 ( x个 ) e(电子) x个 ( α j个 ( x个 ) ) d日 x个 Ω e(电子) x个 ( α ( x个 ) ) d日 x个 c(c) j个 = λ * c(c) , = 1 N个 .
由此可见 ( c(c) 1 , , c(c) N个 ) 必须是的非平凡非负特征向量 A类 ¯ 按照 x个 { c(c) e(电子) x个 ( α ( x个 ) ) : x个 Ω ¯ , = 1 , N个 } = 1 。这些最后的条件唯一地确定了原始子序列的子序列的极限 { λ ( d日 n个 ) , φ n个 } .由于原始序列的每个子序列 { λ ( d日 n个 ) , φ n个 } 有一个子序列收敛到由方程式确定的值(21),对于原始序列也必须如此。由于原始的值序列 { d日 n个 } 可以是任何接近无穷大的递增序列 n个 ,引理的结论如下。
在方程式中表示的特定系统中(1)我们认为, = Δ ,使得 α μ 是常量。在这种情况下,我们有 A类 ¯ j个 = A类 ¯ j个 ,其中 ¯ j个 是的平均值 j个 结束 Ω 表示方程式中系数的平均值(1)由 第页 ¯ , ¯ 等类似于方程式中的计算(5),方程式(6),然后通过相关讨论得出以下结论:
推论 1
假设引理9的假设满足。存在一个 D类 > 0 这样,如果
e(电子) ¯ ( ¯ + ¯ ) 第页 ¯ ¯ < 0 ,
主特征值 λ 1 方程式的(2)对所有人都是积极的 d日 1 , d日 2 > D类 ,而如果
e(电子) ¯ ( ¯ + ¯ ) 第页 ¯ ¯ > 0 ,
主特征值是非正的。
备注 2
在ODE系统中,对应于方程式(1)系数平均值为Ω,一个人可以计算 R(右) 0 作为 第页 ¯ ¯ / [ e(电子) ¯ ( ¯ + ¯ ) ] 通过以下方法[25]. 推论1中的第一个不等式等价于 R(右) 0 > 1 ,而第二个相当于 R(右) 0 < 1 .通过书面形式 R(右) 0 = [ 第页 ¯ / ( ¯ + ¯ ) ] [ ¯ / e(电子) ¯ ] ,我们可以将持续性条件解释为成年人和青少年的增长项与损失项之比的乘积应大于1。

5.一般扩散率

案例1:所有扩散速率的持续性或消光
提议 2
如果
Ω 第页 d日 x个 1 2 Ω ( + + e(电子) ) d日 x个 > 0
然后 λ 1 > 0 对于所有正扩散率。
如果
n个 x个 Ω ¯ [ 4 ( ( x个 ) + ( x个 ) ) e(电子) ( x个 ) ( 第页 ( x个 ) + ( x个 ) ) 2 ] > 0
然后 λ 1 < 0 对于所有正扩散速率。
证明。 
如果我们把方程中的第一个方程分开(2)由 φ 和集成 Ω ,使用格林公式积分该项 Δ φ / φ ,我们得到了不等式
| Ω | λ 1 Ω 第页 ψ φ d日 x个 Ω ( + ) d日 x个 .
类似地,如果我们将第二个方程除以 ψ 并将我们得到的
| Ω | λ 1 Ω φ ψ d日 x个 Ω e(电子) d日 x个 .
如果我们添加方程式(24)和(25)除以2,我们得到
λ 1 1 2 | Ω | Ω 第页 ψ φ + φ ψ d日 x个 Ω ( + + e(电子) ) d日 x个 .
根据柯西不等式, 第页 z(z) + z(z) 1 2 第页 为所有人 z(z) > 0 ,因此从方程式(26)我们获得
λ 1 1 | Ω | Ω 第页 d日 x个 1 2 Ω ( + + e(电子) ) d日 x个
因此, λ 1 > 0 if公式(22)成立,所以命题2的第一部分成立。朝另一个方向,如果我们乘以方程的第一个方程(2)由 φ 和集成,在 φ Δ φ 项,并类似地将第二个方程乘以 ψ 并进行积分,然后将结果相加,我们得到
λ 1 Ω ( φ 2 + ψ 2 ) d日 x个 Ω [ ( + ) φ 2 + ( 第页 + ) φ ψ e(电子) ψ 2 ) d日 x个 ] .
方程右侧的被积函数(28)是中的二次型 φ ψ ,如果
4 ( + ) e(电子) > ( 第页 + ) 2 ,
所以 λ 1 < 0 if公式(23)持有,这证明了命题2的第二部分。
备注:注意方程中的第一个积分(22)是Bhattacharyya系数公式中出现的内容[26,27],用于比较概率分布相互匹配的程度。具体来说,如果两个概率分布P(P)具有概率密度函数 ( x个 ) q个 ( x个 ) 对于 x个 单位 R(右) n个 ,巴塔查里亚系数为
B类 C类 ( P(P) , ) = 单位 ( x个 ) q个 ( x个 ) d日 x个 .
对于任何P(P), 0 B类 C类 ( P(P) , ) 1 .如果 B类 C类 ( P(P) , ) = 1 ,然后P(P)都是一样的,也就是说, = q个 a.e.如果 B类 C类 ( P(P) , ) = 0 ,然后是q个是不相交的。如果我们写 第页 ( x个 ) = 第页 0 ρ ( x个 ) ( x个 ) = 0 σ ( x个 ) 这样的话 Ω ρ ( x个 ) = Ω σ ( x个 ) = 1 ,然后我们可以计算 第页 0 = 第页 ¯ | Ω | 0 = ¯ | Ω | .我们可以治疗 ρ σ 好像它们是分布的概率密度函数R(右)S公司。然后我们有
Ω 第页 d日 x个 = | Ω | 第页 ¯ ¯ B类 C类 ( R(右) , S公司 ) .
最大值为 B类 C类 ( R(右) , S公司 ) 为1,对应于以下情况第页是彼此的倍数,最小值为0,对应于第页是不相交的。因此 ρ σ 相互匹配对 λ 在方程式中(27).
使用方程式(30)事实上 B类 C类 ( R(右) , S公司 ) 1 在方程式中(22)显示了方程式(22)暗示 2 第页 ¯ ¯ > [ ( ¯ + ¯ ) + e(电子) ¯ ] .求两边的平方和使用柯西不等式意味着 e(电子) ¯ ( ¯ + ¯ ) 第页 ¯ ¯ < 0 如推论1的第一个例子。类似地,如果方程(22)保持,然后 2 第页 ( x个 ) ( x个 ) > ( ( x个 ) + ( x个 ) ) + e(电子) ( x个 ) 对一些人来说 x个 Ω 然后,它以与命题1第一种情况下的不等式相同的方式进行推导。If公式(23)成立,则公式(29)成立,然后根据柯西不等式,命题1的第二种情况成立。因此,方程式中表示的条件(22)和方程式(23)在命题2中,这意味着 λ 1 > 0 λ 1 < 0 对于所有的扩散率,也意味着我们对于大扩散率或小扩散率所获得的一些相应条件。
在栖息地质量的空间分布情况下第页供成年人繁殖和因为青少年的存活和成熟是完全相关的,所以 第页 ( x个 ) = 第页 1 ( x个 ) 对于某个常数 第页 1 ,方程中表示的特征值问题(2)可以通过将方程中的第二个方程相乘而改写为加权对称特征值问题(2)由 第页 1 ,它产生
d日 1 Δ φ ( x个 ) ( ( x个 ) + ( x个 ) ) φ + 第页 ( x个 ) ψ = λ φ d日 2 第页 1 Δ ψ + 第页 ( x个 ) φ 第页 1 e(电子) ( x个 ) ψ = λ 第页 1 ψ .
方程的主特征值(31)具有以下变化特征 λ 1 作为
λ 1 = 最大值 φ , ψ W公司 1 , 2 ( Ω ) Ω ( d日 1 | φ | 2 d日 2 第页 1 | ψ | 2 ( + ) φ 2 + 2 第页 φ ψ 第页 1 e(电子) ψ 2 ) d日 x个 Ω ( φ 2 + 第页 1 ψ 2 ) d日 x个 .
在这种情况下 λ 1 两者都在减少 d日 1 d日 2 ,因此较慢的扩散是有利的。
案例2:大生育率的渐近行为
假设 第页 ( x个 ) = n个 第页 0 ( x个 ) 而且 ( x个 ) 第页 0 ( x个 ) > 0 对于 x个 Ω 0 具有 Ω 0 ; 因此,存在一个成虫繁殖率和幼虫成熟率均为正的区域。因素n个衡量以下地区成年人的生育率 第页 0 ( x个 ) > 0 对于任何固定的扩散率,结果表明,对于足够大的标度系数值n个,方程的主特征值(2)是正的,所以系统用等式表示(1)是持久的。我们将主要特征值的渐近行为描述为 n个 .如果我们进一步假设 c(c) 0 ,然后用方程式表示系统(1)是合作的,所以对于n个足够大,使得方程的主特征值(2)为正,方程式(1)具有唯一的正平衡,我们将该平衡的行为描述为 n个 在这种情况下也是如此。
λ 1 n个 表示方程的主要特征值(2)带有 第页 ( x个 ) = n个 第页 0 ( x个 ) 观察一下,因为 ( x个 ) 第页 0 ( x个 ) > 0 对于 x个 Ω 0 Ω 0 ,命题2意味着 λ 1 n个 > 0 对于n个足够大,事实上通过方程式(27), λ 1 n个 作为 n个 以下命题陈述了 λ 1 n个 作为 n个 .
提议 三。
如果 第页 ( x个 ) = n个 第页 0 ( x个 ) ( x个 ) 第页 0 ( x个 ) > 0 对于 x个 Ω 0 具有 Ω 0 ,然后
n个 λ 1 n个 n个 最大值 x个 Ω ¯ ( 第页 0 ( x个 ) ( x个 ) ) .
证明。 
我们首先要注意,如果 λ 1 n个 ,然后 ( φ n个 , ψ n个 ) 是方程的主特征值和相应的特征函数(2)的 第页 ( x个 ) = n个 第页 0 ( x个 ) ; 因此, λ 1 n个 / n个 , φ ^ n个 = φ n个 、和 ψ ^ n个 = n个 ψ n个 是以下问题的主特征值和本征函数:
d日 1 n个 Δ φ ^ ( ( x个 ) + ( x个 ) ) n个 φ ^ + 第页 0 ( x个 ) ψ ^ = λ ^ φ ^ 在里面 Ω , d日 2 n个 Δ ψ ^ e(电子) ( x个 ) n个 ψ ^ + ( x个 ) φ ^ = λ ^ ψ ^ 在里面 Ω , φ ^ · ν = ψ ^ · ν = 0 Ω .
考虑椭圆算子 1 u个 = d日 1 Δ u个 ( ( x个 ) ( x个 ) ) u个 2 v(v) = d日 2 Δ v(v) e(电子) ( x个 ) v(v) , D类 = 诊断 1 n个 , 1 n个 = 诊断 ( 1 , 2 ) ,系统用等式表示(33)满足的定理1.4的假设[23]. 因此, n个
λ 1 n个 n个 最大值 x个 Ω ¯ λ ( A类 ( x个 ) ) ,
哪里
A类 ( x个 ) = 0 第页 0 ( x个 ) ( x个 ) 0 ,
它有特征值 ± 第页 0 ( x个 ) ( x个 ) 结果如下。
在以下情况下 c(c) 0 这样方程(1)是合作的,引理3暗示方程(1)如果方程的主特征值为(2)是积极的。下一个结果说明了方程唯一正平衡点的渐近行为(1)的n个在那种情况下是很大的。
提议 4
假设命题3的假设得到满足,并且 c(c) 0 .让 ( u个 n个 , v(v) n个 ) 是方程的唯一正解(). 然后 n个 2 ( u个 n个 , v(v) n个 ) ( 单位 , V(V) ) 在中一致 Ω ¯ 哪里
单位 ( x个 ) = 第页 0 ( x个 ) 2 b条 ( x个 ) 2 ( x个 ) 1 (f) ( x个 ) 1 , V(V) ( x个 ) = ( x个 ) 2 (f) ( x个 ) 2 第页 0 ( x个 ) 1 b条 ( x个 ) 1 小时 e(电子) n个 ( x个 ) 第页 0 ( x个 ) > 0 单位 ( x个 ) = 0 , V(V) ( x个 ) = 0 小时 e(电子) n个 ( x个 ) 第页 0 ( x个 ) = 0 .
证明。 
为了证明这个结果,我们使用了不同的缩放比例。经过一些简单的计算,我们发现
( n个 , z(z) n个 ) = u个 n个 n个 2 , v(v) n个 n个 1 ,
是标度系统的唯一正解
n个 2 [ d日 1 Δ ( ( x个 ) + ( x个 ) ) ] + 第页 0 ( x个 ) z(z) b条 ( x个 ) 2 = 0 在里面 Ω , n个 1 [ d日 2 Δ z(z) e(电子) ( x个 ) z(z) ] + ( x个 ) (f) ( x个 ) z(z) 2 = 0 在里面 Ω , · ν = z(z) · ν = 0 Ω .
我们设置操作员
1 = d日 1 Δ ( ( x个 ) + ( x个 ) ) 2 z(z) = d日 2 Δ z(z) e(电子) ( x个 ) z(z) ,
D类 = 诊断 n个 2 , n个 1 = ( 1 , 2 ) ,
如果 ( x个 , , z(z) ) = ( 第页 0 ( x个 ) z(z) b条 ( x个 ) 2 , ( x个 ) (f) ( x个 ) z(z) 2 ) .
为了证明这个命题,我们可以遵循与定理1的证明相同的步骤。实际上,线性化的主要特征值 ( 0 , 0 ) 方程的相关动力学系统(35)是 ( x个 ) 第页 0 ( x个 ) ,当它为正时,动力学平衡由等式右侧给出(34). 证明到此结束。

6.结论

从我们的分析中得出的最基本的结论是,在空间异质环境中具有阶段结构的种群的反应扩散模型不一定预测较慢的扩散有利于持久性。这与人口仅由空间位置构成的情况形成对比,在这种情况下,缩减原则的一个版本[6]适用;在具有不同扩散率的相同种群之间的竞争中,预测是“扩散速度较慢的种群获胜”[4,5]. 这一观察结果背后的机制是,在我们的结构化模型中,成年人有可能产生后代的区域可能与青少年能够存活并成熟为成年人的区域分开。我们发现暗示持久性的条件通常要求产品 第页 ( x个 ) ( x个 ) 成年人的生殖率和青少年的成熟率相对于其死亡率而言足够大。对于缓慢扩散,持久性的条件是 第页 ( x个 ) ( x个 ) > e(电子) ( x个 ) ( ( x个 ) + ( ( x个 ) ) 在某个时刻 x个 Ω 。对于快速扩散,它是 第页 ¯ ¯ > e(电子) ¯ ( ¯ + ¯ ) 哪里 第页 ¯ , ¯ , e(电子) ¯ 、和 ¯ 是这些量的空间平均值。如果第页密切相关,在少数地方较大,但在大多数地方较小,因此最大值为 第页 很大,但平均值 第页 ¯ ¯ 较小时,可以满足缓慢扩散的持久性条件,而快速扩散的条件可能会失败。在这种类型的环境中,缓慢的扩散显然是有利的。此外,如果第页在它们是彼此的倍数的意义上是完全相关的,决定低密度种群增长率的主特征值相对于扩散率是递减的,就像异质环境中的非结构化种群一样。另一方面,如果两者都是第页在某些区域上较大,但在它们之外非常小,并且它们较大的区域是不相交的(即彼此分离),然后产品 第页 可能到处都很小,但平均值 第页 ¯ ¯ 可能很大。在这种情况下,具有小扩散的持久性条件可能会失败,但具有快速扩散的条件可能会得到满足,从而有利于快速扩散。
我们发现,对于所有扩散速率,持久性的一个充分条件是
Ω 第页 d日 x个 1 2 Ω ( + + e(电子) ) d日 x个 > 0 .
第一个术语可以写成 第页 ¯ ¯ | Ω | B类 C类 ( 第页 ( x个 ) / 第页 ¯ , ( x个 ) / ¯ ) ,其中 B类 C类 表示Bhattacharya系数(参见[26,27])测量概率密度之间的匹配程度。对于彼此相等的分布, B类 C类 = 1 ,但对于相互排斥的分布,正的区域不相交, B类 C类 = 0 这一观察再次表明第页在确定方程式中表示的模型预测时,相互匹配非常重要(1).
最后,我们发现,如果我们将成人生殖率定为 第页 ( x个 ) = n个 第页 0 ( x个 ) 并且在第页这样的话 ( x个 ) 第页 0 ( x个 ) > 0 关于的某些子集 Ω 对于正测度,则对于任何固定的扩散速率,系统用方程表示(1)将持续存在,如果n个足够大。这意味着,只要成年人的繁殖率足够大,在成年人可以繁殖的区域和青少年可以成熟的区域之间有适度的重叠,任何扩散率的种群都可以持续存在。我们将渐近行为描述为 n个 方程的主特征值(2). 在合作案例中 c(c) 0 ,系统用等式表示(1)如果它持续存在,将有一个唯一的正平衡,在这种情况下,我们还将渐近行为描述为 n个 达到平衡。
对于本文的一般主题,还有几个需要进一步研究的方向。采取[4]并考虑由方程等系统描述的两阶段结构种群之间的竞争(1)只在扩散速度上有所不同。这将有点困难,因为它将涉及四个方程组,但至少在合作的情况下 c(c) = = 0 单调动力系统的一般理论[28]以及[10]将适用。考虑具有明确年龄结构的模型也很有意思,如[11]并在[12,13]. 最后,考虑具有空间异质性的时间周期环境的情况是很有趣的,尽管具有挑战性。在某些情况下,仅时间变化就足以在这种环境中促进更快的扩散(参见[29]),但即使没有阶段结构,与时间相关的情况也是具有挑战性的,并且有许多悬而未决的问题。

作者贡献

概念化、R.S.C.、C.C.和S.M。;数学分析、R.S.C.、C.C.和S.M。;书面——原始草案编制、C.C.和S.M。;写作——审查和编辑,R.S.C.、C.C.和S.M。;资金收购、R.S.C.、C.C.和S.M.所有作者均已阅读并同意手稿的出版版本。

基金

如随后的确认书所述,这项研究获得了外部资助。

鸣谢

R.S.C.和C.C.部分获得了NSF奖DMS 15-14792和18-53478的支持。S.M.得到了CONICYT+PIA/Concurso de Apoyo a Centros Científicos y Tecnológicos de Excelencia con Financiamiento Basal AFB170001的支持。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

附录A

在[23],作者考虑了系统的平衡和动力学
u个 t吨 = D类 u个 + 如果 ( x个 , u个 ) 在里面 Ω × ( 0 , ) , B类 u个 = 0 Ω × ( 0 , )
哪里 u个 = ( u个 1 , , u个 n个 ) T型 是平滑函数的向量, Ω 是中的有界域 R(右) N个 边界平滑, u个 = ( u个 1 ( x个 ) , u个 n个 ) T型 是平滑函数的向量, D类 = d日 ( d日 1 , d日 n个 ) 是正常数的对角矩阵, = d日 ( 1 , n个 ) 是形式为二阶一致强椭圆算子的对角矩阵
= j个 , k个 = 1 N个 α j个 k个 2 x个 j个 x个 k个 + j个 = 1 N个 β j个 x个 j个 + γ
具有平滑系数,以及 B类 = ( B类 1 , B类 n个 ) ,其中每个, B类 定义Dirichlet、Neumann或Robin边界条件。(他们将诺依曼作为罗宾的例子。)他们还考虑了相关的线性化问题,他们将其写成
D类 ϕ + A类 u个 ϕ = λ ϕ 在里面 Ω , B类 ϕ = 0 Ω ,
哪里 A类 = ( j个 ) 是一个 n个 × n个 光滑函数矩阵 j个 0 对于 j个 、和 ϕ = ( ϕ 1 ( x个 ) , ϕ n个 ( x个 ) ) T型 是平滑函数的向量。
注意,在我们的符号中,我们使用了与[23],因此他们表示 λ ,我们表示为 λ .
有关特定平滑度假设所需内容的详细信息,请参见[23]. 在这些假设下,根据Perron-Frobenius定理 x个 Ω ,矩阵A类具有主特征值,在我们的符号中表示为 Λ ( x个 ) 。的第一个主要结果[23]是他们的定理1.4,可以表述如下:
定理 答:。
(第1.4条定理[23])主特征值 λ 1 方程中表示的系统(A2类)Dirichlet、Neumann或Robin边界条件满足
x个 { d日 1 , , d日 n个 } 0 λ 1 = 最大值 x个 Ω ¯ Λ ( x个 ) .
除了不同符号所需的调整外,该定理在所有情况下都直接适用于我们的系统。
第二个主要结果是[23]给出了系统在方程式中表示的条件(A1类)扩散速率较小时,动力学系统具有相同的动力学特性
d日 单位 d日 t吨 = 如果 ( x个 , 单位 1 , , 单位 n个 ) 对于 = 1 , , n个 .
条件可以陈述如下,注意我们已经替换了中使用的A[23]使用L避免与本附录中的方程式编号混淆:
(L1) 如果 / 单位 j个 0 (即用方程式表示的系统(A1类)和(A3号)合作)。
(二级菜单)对于每个 x个 0 Ω ¯ ,系统用等式表示(A3号)具有独特的正平衡 α ( x个 0 ) ,在正解之间全局渐近稳定,并且局部线性稳定,以及 α ( x个 ) 持续依赖x个.
(L3)有一个 δ 0 > 0 这样,对于 j个 = 1 , , n个 , 如果 j个 ( x个 , 单位 ) / 单位 j个 > δ 0 为所有人 x个 Ω ¯ 假如 0 < 单位 δ 0 对于 = 1 , , n个 .
(L4)有一个 δ 0 , M(M) > 0 这样,对于 j个 = 1 , , n个 , 如果 j个 ( x个 , 单位 ) / 单位 j个 < δ 0 为所有人 x个 Ω ¯ 假如 单位 M(M) 对于 = 1 , , n个 .
的第二个结果[23]我们使用的是5.2号提案,可以如下所述:
定理 答2:。
(第5.2号提案[23])对于任何正稳态 d日 方程式的(A1类),我们有 α 在中一致Ω作为 x个 { d日 1 , , d日 n个 } 0 ,使用α假设(L2)中给出。

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分享和引用

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AMA风格

Cantrell RS、Cosner C、Martínez S。两阶段反应扩散系统的持久性。数学2020年;8(3):396.https://doi.org/10.3390/math8030396

芝加哥/图拉宾风格

坎特雷尔、罗伯特·斯蒂芬、克里斯·科斯纳和萨洛梅·马丁内斯。2020年,“两阶段反应扩散系统的持久性”数学第8,3号:396。https://doi.org/10.3390/math8030396

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