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生物数学论文一类单种群收获模型的稳定性分析
一类单种群收获模型的稳定性分析
摘要:本文建立了一类按年龄分组的单种群收获模型,详细的分析了该模型的稳定性,并且陈述了其稳定性的证明过程。
关键词:离散时间系统 单种群 收获模型 稳定性
一、预备知识:
1.1 差分的定义
1.11 设函数,当自变量依次取遍非负整数时,相应的函数值可以排成一个数列
将之简记为
当自变量从变到时,函数的该变量称为函数在点的差分(一阶差分),记为
1.12 当自变量从变到时,一阶差分的差分
称为函数的二阶差分,记为,即
以此类推,函数的阶差分为
1.2 差分方程
1.21 含有未知函数的差分或含有未知函数几个不同时期值得符号的方程称为差分方程,其一般形式为:
或
由差分的定义和性质可知,差分方程的不同表达形式之间可以相互转化。
1.3 差分方程的平衡点及其稳定性分析:
1.31 线性差分方程的平衡点及其稳定性:
一阶常系数线性差分方程 (其中为常数,且)(1)
的通解为 (2)
由(2)式可知:是差分方程(1)的平衡点,当且仅当时,是稳定的平衡点。
二阶常系数线性差分方程 ,(其中为常数)(3)
当=0时,
它有一特解=0;
当且。
不管是哪种情形,是方程(3)的平衡点。
1.32 一阶非线性差分方程的平衡点及稳定性:
一阶非线性差分方程 (4)
其平衡点由代数方程解出,将方程(4)的右端在点泰勒展开,只取一次项,则(4)近似为
(5)
是(4)的近似线性方程,也是(5)的平衡点,
当时,方程(5)与(4)平衡点的稳定性相同。于是得到,
当时,对于非线性方程(4),是稳定的;
当时,对于方程(4),是不稳定的。
1.4 相关定理
1.41 引理1 若,则的充分必要条件是的实部为负数。(证明略)
1.42 引理2 (霍维茨判别式)设给定常系数的次代数方程
其中,作行列式
其中,那么给定代数方程的一切根均有负实数部分
不等式同时成立:
1.43 引理2a (二阶代数方程的霍维茨判别法) 实系数方程的所有根的实部均为负数的充分必要条件是。
1.44 引理2b (三阶代数方程的霍维茨判别法) 实系数方程的所有根的实部均为负数的充分必要条件是。
二、收获模型的建立
将某种群按年龄大小间隔地分成三个年龄组,即,其中为确定的时间长度,分别称他们为幼年种群、成年种群、老年种群。种群是通过雌性个体的繁殖而增长的,所以用雌性个性数量的变化为研究对象比较方便。
记时段第年龄组种群数量为;第年龄组的繁殖率为;第年龄组的死亡率为;称为存活率。表示第时段中第年龄组的收获量,它是指该时段时,第年龄组种群的增加量;为第年龄组的收获系数,它是第时段结束后第年龄组的收获量与总数之比; 表示第时段结束后第年龄组的种群总数。
即 (1)
由以上假设,的变化规律为:
时段第1年龄组种群即幼年种群数量是各年龄组繁殖数量之和再减去
收获量而剩余的数量,即
(2)
第年龄组的种群数量是时段第年龄组存活下来的数量减去收获量而剩余的数量,即
(3)
记 时段种群按年龄分组;的分布向量为
(其中T表示转置,下同) (4)
该时段那年龄组种群的收获分布向量为
(5)
其中,
由以上五式可得:
(6)
由文献[1]得:
(7)
将(7)带入(6)得:
(8)
记,
则(8)式变为: (8a)
经计算,(8)式可变为:
(9)
式矩阵中各元素应均为非负,所以应有:
(9)事即为在考虑收获条件下,按年龄分组的单种群增长规律的差分方程。
收获模型的稳定性
通过(9)式说明收获模型是依赖于变量的,故我们通过分析h的不同取值来分析模型的稳定性。以则的可能取值范围。
收获模型(9)的特征方程是:
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