具年龄结构的捕食者-食饵模型的规范型及分支分析

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捕食者-食饵关系是自然界中普遍存在的生物关系,在实际生活中有着广泛的应用场景。对于寿命较长且世代重叠的物种而言,幼年个体与成年个体的繁殖能力存在明显差异,在捕食者-食饵模型中引入年龄结构会与实际更吻合。由于年龄结构模型的规范型计算较为复杂,一些研究成果仅仅讨论了Hopf分支的存在性,没有进一步讨论分支性质。基于上述原因,本文主要研究一类具年龄结构和Holling-II功能反应项的捕食者-食饵模型,计算其规范型,探究Hopf分支方向和周期解的稳定性。首先将具有偏微分方程形式的年龄结构模型转化为抽象的非稠定Cauchy问题,研究得到系统正平衡点的存在条件以及具体表达式,并将系统在正平衡点处线性化,结合算子谱理论推导出特征方程。其次,讨论特征方程根的分布情况,使用Routh-Hurwitz准则给出时滞为零时正平衡点稳定的充要条件。时滞不为零时,验证纯虚根的存在性以及横截性条件,根据Hopf分支定理可知,系统在时滞取特殊值时会发生Hopf分支。最后,应用中心流形理论和规范型方法推导系统在中心流形上的约化方程并计算非线性算子的导算子,得到约化系统的三阶Taylor展开式并进行复坐标变换,最终给出规范型以及决定分支方向和分支周期解稳定性的参数表达式。基于上述理论研究,文章在最后选取符合Hopf分支存在条件的参数值进行数值模拟,计算决定分支性质的重要参数,绘制出捕食者和食饵种群的解曲线图,直观地呈现分支周期解的存在性以及分支方向,并且能够观察到稳定性开关现象的发生,与理论结果保持一致。
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