Ⅲ类二次系统极限环问题和一类离散捕食系统的研究

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本文的研究分为两个部分,第一部分讨论了一般Ⅲ类二次系统原点外围极限环的惟一性,第二部分分析了一类具年龄结构的离散型捕食系统.在第一部分,我们首先利用Ⅰ类系统和(Ⅲ)a=0类系统O外围具有惟一极限环这一已知结论,分析了b由零到非零时(Ⅲ)a=0类系统O外围轨线拓扑结构的变化.指出和Ⅰ类系统的主要区别是(Ⅲ)a=0系统增加了一条积分直线,其上可以有一个或两个鞍点.当d由零变为非零且dW1<0时,O外惟一的极限环随着|d|的增加而扩大,最后可以形成过积分直线1+by=0上两鞍点的有界异宿环.由于O外的极限环不会与积分直线1+by=0相交而保持在此直线的一侧,因而在O外有极限环的区域内,两者的结构是拓扑等价的. 对于一般的Ⅲ类系统,当a≠0且|a|充分小时,利用结构稳定性理论及小摄动原理我们证明了对固定的l,m,n且m(l+n)≠0(即d=a=0时,W1≠0).则当d由零变为非零且dW1<0时,O外Hopf分支产生惟一一极限环,其演变过程和(Ⅲ)a=0类系统相同,即证明了,存在a0>0足够小,使|a|≤a0时,O外极限环最多也只有一个.因而O外围轨线的结构和(Ⅲ)a=0类方程等价. 当|a|不充分小时,O外极限环惟一的性质将有可能破坏,究其原因一是W1可以等于0而使O成为高阶细焦点或中心,则由Bautin的摄动方法可知O的外围临近可出现多于一个极限环;二是当O外围形成的分界线环的稳定性和O的Hopf分支产生的极限环的稳定性相反时,可出现两(或更多)个极限环的情况,除此之外,在|d|增大的过程中,O外围跳出半稳定环分裂为两个极限环的情况.为证明此时Ⅲ类系统极限环的惟一性,必须附加条件以排除上述三种情况出现的可能性.首先,取0<n<1,因为否则的话,N(0,1/n)将成为鞍点,不难说明,如形成通过鞍点N的同宿环时它正好与O外Hopf分支所产生的环稳定性相反因而破坏系统的惟一性;另外一方面,必须假定W1≠0使O成为一阶细焦点,从而排除了上述极限环惟一性可能被破坏的前两种情形.然后在参数(l,m)平面上分别讨论了下列四组条件所界定的区域1)l>1/2,m<0;2)l<1/2,m>0;3)l<1/2,m<0;4)m>0,l>1/2,在适当的附加条件下也证明了Ⅲ类二次系统极限环的惟一性.这些结果充分说明:对上述各种条件下的参数,当d=0时Ⅲ系统在O外不存在极限环,当d向dW1<0一方变化时,出现惟一极限环,随|d|增大而单调扩大,最后形成分界线环而消失,这也就排除了上述跳出半稳定环再分裂的可能性,O外极限环的产生到消失的过程和Ⅰ类及(Ⅲ)a=0类系统基本相同. 在第二部分,我们考虑了一类具年龄结构的离散型捕食系统.利用迭代原理,紧不变性以及差分方程的比较原理证明了系统的有界性;由熟知的差分方程稳定性定理,证明了系统的强持久和弱持久性,并在附录中给出三维情形时系统食饵,捕食者n代以后的种群数量计算机数值模拟结果;利用差分方程的比较原理,单调算子的三分稳定性以及Perron-Frobnius定理在一定的条件下我们也得出了系统的一致持久性定理; 最后我们利用Maple软件,模拟了一个特殊的三维系统的动力学性态,得到系统具有年龄结构和不具有年龄结构时的异同.发现年龄结构的引入,使系统的稳定性区域增大,并且各种群的滞留率在系数中为一敏感参数值,因为它的存在,使生态群落呈现错综复杂的动力学行为包括出现混沌性态.并找出了系统的临界分支数值,为进行应用生态控制提供了数值依据.其意义在于为遭受因生态日渐被破坏,环境日益恶化而濒临灭绝的生物种群,尤其是珍稀动植物提供持续生存的依据,保持生态平衡,促进社会可持续发展,
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