1. 引言
众所周知,1956年Lotka和Volterra提出了经典的Lotka-Volterra模型,用于描述捕食者和食饵种群的动态发展 [1] [2] [3] [4] ,但是Lotka-Volterra模型并没有考虑到现实生态环境的复杂性和变化性,无法那么贴切的描述真实情况。在1963年M. Rosenzweig和R. MacArthur提出的Rosenzweig-MacArthur捕食者–食饵模型考虑了更多现实影响因素,对Lotka-Volterra模型进行了扩展和改进,使模型更贴近实际情况 [5] ,研究了生态稳定以及捕食者与食饵种群之间的相互影响和动态进化发展,吸引了许多研究者的注意 [6] - [11] 。
Rosenzweig-MacArthur的猎物–捕食者系统建立在Lotka-Volterra模型的基础上,考虑了更多的生态因素,使得模型更适用于描述复杂的生态系统动态。让x1和y1如分别表示猎物和捕食者的种群大小。假设系统的动态遵循逻辑–高斯型模型:
(1.1)
在这里,
为猎物的生长率,
为捕食率,
为捕食者的死亡率,且
,其中:
a和b11为正常数,
为速率常数和
为猎物种群的承载能力。
考虑到生物多样性,在自然环境中,可能会出现突变体种群,并且突变体种群很可能拥有与原始种群不同的生存率和死亡率,对其他种群造成或大或小的影响。为了研究更适合现实情况的模型,2021年,Grunert等人 [12] 根据进化稳定策略框架对Rosenzweig-MacArthur捕食者–食饵模型进行改进,得到新的模型:
(1.2)
其中x1和y1如分别表示原始的食饵种群和捕食者种群;x2和y2分别表示相应的突变种群。
和
,a,k和c,
都是正常数。
然而,生物种群不可避免会遭受严重的环境扰动,如海、火山、鸟类流感、SARS、洪水、飓风、地震、有毒污染物等,这些现象不能用随机性来描述连续模型。因此,将跳跃过程引入到种群系统是可行的,吸引了许多研究者的注意 [13] - [22] 。在本文中,我们将Lévy跳跃引入到Rosenzweig-MacArthur捕食者–食饵模型:
(1.3)
其中
是噪声强度,
是定义在完全概率空间
上的标准维纳过程,
为有界函数。N是在可测子集
上具有特征测度入的泊松计数测度,其中
,且
。
本文的的研究目的是研究具有Lévy驱动的Rosenzweig-MacArthur捕食者–猎物模型的动力学行为。通过加入Lévy驱动,模拟真实生态环境,探究Lévy驱动对捕食者和猎物和群的动态影响。因为在现实中的环境扰动往往是比较复杂的,Lévy驱动的非线性和跳跃性质可以更好的贴近真实的捕食者–猎物种群动态过程,提高了模型对生态系统的拟合度。同时,还能为生态学研究提供新的思路,具有一定的参考意义。
2. 随机有界性
本小节,主要考虑具有Lévy跳跃驱动的Rosenzweig-MacArthur捕食者–食饵模型(1.3)的正解和有界性。
定理2.1 对于任意给定的初始条件
,则具有Lévy跳跃驱动的 Rosenzweig-MacArthur捕食者–食饵模型(1.3)存在唯一的全局正解
,
,其中
是爆炸时间。
证明:令
运用Itô公式,得到:
(2.1)
显然上面式子(2.1)的系数是满足局部Lipschitz条件的,故对于任意给定的初始条件
,对于
,存在唯一的局部解
,将局部解推广到全局解,只需证明
几乎处处存在即可。
令
充分大,使得解
在区间
中。对每个
,定义停止时间为
显然,当
时,
是单调增加的。令
,则有
几乎是处处成立的。我们需要证明
,即
且
几乎处处成立。如若不然,则存在两个常数
和
使得
。于是存在
,且
使得
,
。
让
运用Itô公式,有
(2.2)
其中
选取适当
从而,获得
(2.3)
从而,可得
,其中
对式子(2.2)两边从0到
之间积分,得到
(2.4)
对每一个g>0,定义
则有
。因此,令
,有
,这与之前的假设矛盾。因此,
,则具有Lévy驱动的Rosenzweig-MacArthur捕食者–食饵模型(1.3)存在唯一的全局解
。定理证明完毕。
定理2.2 假设对于任何初始条件
,如果下列条件成立
则具有Lévy跳跃驱动的Rosenzweig-MacArthur捕食者–食饵模型(1.3)解是随机最终有界。
证明:定义
运用Itô公式,得到
其中
(2.5)
且
运用Itô公式,得到
对
两边从0到t积分,然后取期望,则有
(2.6)
从而,则有
定理证明完毕。
3. 灭绝性与持久性
本小节,主要讨论具有Lévy驱动的Rosenzweig-MacArthur捕食者–食饵模型(1.3)的灭绝性和持久性。
定义:种群物种具有均值强持久性,如果
,其中
定理3.1
(1) 如果满足下列条件之一
则具有Lévy驱动的Rosenzweig-MacArthur捕食者–食饵模型(1.3)有如下性质:
(2) 如果满足下列条件之一
则具有Lévy驱动的Rosenzweig-MacArthur捕食者–食饵模型(1.3)有如下性质:
(3) 此外,如果满足下列条件
则具有Lévy驱动的Rosenzweig-MacArthur捕食者–食饵模型(1.3)有如下性质:
和
如果满足下列条件
则具有Lévy驱动的Rosenzweig-MacArthur捕食者–食饵模型(1.3)有如下性质:
证明:定义
(3.1)
运用Itô公式,得到
(3.2)
对式子(3.2)两边积分且除以t,可获得
(3.3)
从而,可获得
定义
运用Itô公式,可得到
(3.5)
式子(3.4)两边积分且除以t,可获得
(3.6)
从而,我们有
定义
运用Itô公式,可得到:
(3.8)
对式子(3.8)两边积分且除以t,可获得
(3.9)
从而,可获得
定义
(3.10)
运用Itô公式,可得到:
(3.11)
对式子(3.11)两边积分且除以t,可获得
(3.12)
从而,我们有
定理证明完毕。
4. 平稳分布
本小节,主要讨论具有Lévy跳跃驱动的Rosenzweig-MacArthur捕食者–食饵模型(1.3)存在唯一的平稳分布。
引理4.1 设
和
是模型(1.3)的任意两个解,如果满足下列条件
和
则有
即
证明:定义
则,我们有
(4.1)
因此,我们有
(4.2)
由于
,因此,我们获得
(4.3)
因此
类似文献 [23] 定理6.2的证明,我们可得
几乎必然成立。引理证明完毕。
引理4.2 对于任意p>0,任意的紧子集
,则有
证明:根据系统(1.3),我们有
(4.4)
结合Hölder不等式,对于
,我们获得
(4.5)
根据定理2.2,存在一个正数K(p),使得
,从而,我们获得
(4.6)
根据Burkholder-Davis-Gundy不等式,我们有
(4.7)
根据Kunita’s第一不等式,我们有
(4.8)
根据(4.5)~(4.8),我们有
类似的证明,我们可以获得
.
引理证明完毕。
让
表示在
上所有有界连续实值函数的集合,
是在
上所有概率测度的空间,其中
是在
上的Borel σ-代数。对于系统(1.3)的任意解
,众所周知,
在
上是一个马尔可夫过程。
定义4.1 [24] :系统(1.3)的解
是平稳分布,如果存在概率测度
满足
其中
和
对于
,在
上定义度量空间
其中
则众所周知,在度量
上
是完备的。
定理4.3 如果满足下列条件
和
则具有Lévy跳跃驱动的Rosenzweig-MacArthur捕食者–食饵模型(1.3)存在唯一的平稳分布。
证明:对任意给定
和
,下面证明存在一个时间
使得
(4.9)
对任意
和
。
事实上,对于任意
和
,我们获得
(4.10)
其中
和
,根据引理3.2以及引理5.1 (参考文献 [24] ),存在一个充分大的R使得
(4.11)
另一方面,根据引理3.1以及引理5.1 (参考文献 [24] ),存在一个时间
使得
(4.12)
因此,把(4.11)和(4.12)代入(4.10),得到
(4.13)
由于
的任意性,我们获得式子(4.9)成立,即
因此,系统(1.3)的解
的转移概率
弱收敛到某些测度
。另一方面,对于任意
,
具有马尔可夫性质使得
因此,对于给定
,当
,则有
故
是系统(1.3)解
的一个平稳分布。
下面我们将证明平稳分布的唯一性,如果
是系统(1.3)解
的另一个平稳分布。让
,其中
表示在
上所有有界和Lipschitz连续函数族。根据引理3.1,引理3.2和hölder不等式以及
的不变性,我们有
这意味着存在唯一性的平稳分布,即具有Lévy跳跃驱动的Rosenzweig-MacArthur捕食者–食饵模型(1.3)存在唯一的平稳分布。定理证明完毕。