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本文主要研究下列空间异质环境下Lotka-Volterra交错扩散方程组
其中:Ω是
$\mathbb{R}$ N(N≤3)中的有界区域;c(x)>0和d(x)≥0都是连续函数,ρ(x)>0是光滑函数并且$\partial $ νρ=0,x∈$\partial $ Ω;u和v是被捕食者和捕食者;a,k是正常数,b是实数,a,b代表被捕食者和捕食者的出生率.交错扩散项Δ[ρ(x)vu]=▽[u▽(ρ(x)v)+ρ(x)v▽u]描述u扩散到ρ(x)v浓度低的区域的一种趋势.已有一些文章研究了关于空间异质环境对种群浓度的影响.文献[1-3]对于一些扩散的Lotka-volterra方程组研究了种内之间的退化效果;文献[4-7]研究了对于一些带扩散项的竞争方程组,空间异质环境下的出生率问题;文献[8]对于方程组(1)所对应的平衡解的方程组,证明了当ρ,c,d是常数的时候,方程组由分岔参数b分岔出来的正解的集合Γp形成一个有界的曲线,并且当a和|b|小,k很大时,ρ(x),d(x)使得Γp关于b形成一个型的曲线;文献[9]研究了带两个趋化参数的趋化模型非常数平衡解的存在性.本文主要研究文献[8]中得到的分岔平衡解在分岔点(0,b*,b*)处的稳定性.
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方程组(1)所对应的平衡解问题为:
令
则方程组(2)变为
易知方程组(3)有半平凡解集为Γv=(0,b,b):b>0.定义空间
其中
对于固定的(k,ρ(x),c(x),d(x)),引进集合如下:
为了后面证明的需要,先给出引理1.
引理1[8] 任意固定(k,ρ(x),c(x),d(x)),则存在一个单调递增的光滑函数b=b*(a)满足
使得
定义正函数φ*为下列线性椭圆方程解
引理2[8] 任意固定(k,ρ(x),c(x),d(x)),则下列结论成立:
方程组(3)从Γv处分岔当且仅当b=b*>0,存在一个正数δ*和函数ψ*∈X使得在(U,v,b)=(0,b*,b*)∈X×
$\mathbb{R}$ 附近所有正解有如下形式:其中
是有界函数满足
且
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在方程组(1)中,令
则方程组(1)变为
在(U(s),v(s))处线性化方程组(5),相应的特征值问题为
定义算子H:X×
$\mathbb{R}$ →Y为经过简单计算可得:
由式(4)可得
其中
方程组(6)可被改写为
引进一算子L:X×
$\mathbb{R}$ Y为则方程组(6)可记为
根据文献[10]中定理2.1和式(4.5)定义函数如下:
定理1 对任意固定的(a,k,ρ(x),c(x),d(x)),由引理2定义的方程组(5)的分岔解(U(s),v(s))是局部渐近稳定的.
证 首先证明0是L(0,b*,b*)的第一特征值.对任意固定的(U,v)∈X满足
由φ*和ψ*的定义易知
因此0是L(0,b*,b*)的一个特征值,下面证明0是L(0,b*,b*)的第一特征值.反证法,假设0不是L(0,b*,b*)的第一特征值,则存在L(0,b*,b*)的一个正的特征值λ1及相应的特征函数U1v1∈X使得
即
如果U1=0且v1≠0,则方程组(9)的第二个方程推出
进而
这是矛盾的,因为当-λ1v1为负时(-Δ+b*)-1(-λ1v1)是负的,因此U1≠0,则方程组(9)的第一个方程为
由式(4)及单个椭圆方程定理,0是式(4)的第一特征值与λ1>0矛盾,因此0是L(0,b*,b*)的第一特征值且其它特征值都是负的.应用文献[11]中的命题I.7.2,对0<s<δ,存在扰动特征值σ(s)及连续可微函数φ1(s),φ2(s)∈X∩Range(L(U,v)(0,b*,b*))满足
及
类似地,存在扰动特征值σ(b)及连续可微函数φ1(b),φ2(b)∈X∩Range(L(U,v)(0,b*,b*))满足
及
在式(10)中对b进行求导及利用
可推出
其中
由式(7)可推出
由式(8)可计算如下方程
由式(11)及(12)可得到
由文献[11]中的公式得到
其中
由引理2及式(13)可知σ(0)<0.由此可推出当s>0且很小时σ(s)<0,因此引理2得到的分岔解(U(s),v(s))是局部渐近稳定的.