具有空間擴(kuò)散和尺度結(jié)構(gòu)的非線性害鼠模型的最優(yōu)不育控制

張?zhí)┠?,雒志學(xué),王汝軍

(1.蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院,甘肅蘭州 730070;2.蘭州交通大學(xué)數(shù)理學(xué)院,甘肅蘭州 730070;3.河西學(xué)院數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院,甘肅張掖 734000)

1 引言

近年來(lái),鼠害已成為惡化草地生態(tài)環(huán)境、遏制畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展的生物災(zāi)害.害鼠可以傳播多種病毒性和細(xì)菌性疾病,對(duì)人體健康造成直接危害,對(duì)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)造成巨大損失.鼠類繁殖次數(shù)多、孕期短、產(chǎn)仔率高,數(shù)量能在短期內(nèi)急劇增加.目前主要的防治方法有: 生物防治、化學(xué)防治、物理防治、生態(tài)防治.此外,不育控制是國(guó)際上興起的控制害鼠新技術(shù)之一,主要通過(guò)減少繁殖以控制其數(shù)量.這種技術(shù)比傳統(tǒng)的治理方法更能達(dá)到防治的目的,還具有操作安全和不易對(duì)環(huán)境造成污染等特點(diǎn).于是,利用不育技術(shù)防治害鼠引起不少學(xué)者的關(guān)注[1–3].

個(gè)體尺度是描述種群動(dòng)力學(xué)行為的重要參數(shù)之一,例如,要描述植物或魚類的動(dòng)力學(xué)行為,個(gè)體尺度比年齡更好地模擬種群演化.種群的擴(kuò)散與其空間分布密度息息相關(guān),諸多學(xué)者對(duì)具有擴(kuò)散的年齡結(jié)構(gòu)種群系統(tǒng)的最優(yōu)控制進(jìn)行了研究,取得了較為豐富的成果[4–11],其中,專著[4]研究具有擴(kuò)散的線性和非線性系統(tǒng)的最優(yōu)控制問(wèn)題,且非線性系統(tǒng)更貼近實(shí)際狀況.文獻(xiàn)[7]討論了依賴年齡和空間擴(kuò)散的n維食物鏈模型的最優(yōu)收獲策略.另一方面,對(duì)于尺度結(jié)構(gòu)的種群系統(tǒng),目前對(duì)擴(kuò)散的情形研究較少,這里簡(jiǎn)介近年幾項(xiàng)研究成果.文獻(xiàn)[12]首次提出具有空間擴(kuò)散的線性尺度結(jié)構(gòu)種群模型.文獻(xiàn)[13]研究一類具有空間擴(kuò)散和尺度結(jié)構(gòu)競(jìng)爭(zhēng)種群系統(tǒng)的最優(yōu)收獲問(wèn)題.受上述工作的啟發(fā),本文考慮如下的最優(yōu)化問(wèn)題:

的解;控制變量α ∈U={h ∈L2(Q3);0 ≤h(s,t)≤La.e.(s,t)∈Q3},這里L(fēng)>0表示害鼠個(gè)體誤食雌性不育劑的最大量.? ?Rn(n=1,2,3)是一個(gè)具有充分光滑邊界??的非空有界區(qū)域,v是??處的外法單位向量.Q=(0,l)×(0,T)×?,Σ=(0,l)×(0,T)×??,Q1=(0,T)×?,Q2=(0,l)×?,Q3=(0,l)×(0,T).p(s,t,x)表示害鼠位于x處在t時(shí)刻尺度為s的個(gè)體密度;k表示害鼠在?內(nèi)的擴(kuò)散率;g(s,t)表示害鼠個(gè)體尺度的增長(zhǎng)率;β(s,t)表示個(gè)體的出生率;m(s,t)表示雌性個(gè)體比例;P(t,x)表示t時(shí)刻在空間x處害鼠的總數(shù)量;α(s,t)表示害鼠個(gè)體誤食雌性不育劑的平均量,δ2α(s,t)表示雌性個(gè)體的不育率.可分離死亡率μ的結(jié)構(gòu)為

其中:μ0(s,t)表示個(gè)體的自然死亡率;μ1(P(t,x))表示個(gè)體因種內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致的額外死亡率;δ1α(s,t)表示個(gè)體因誤食不育劑導(dǎo)致的額外死亡率.

本文做如下基本假設(shè):

3)g(s,t)是有界的連續(xù)函數(shù),且關(guān)于s滿足局部利普希茨條件.對(duì)任意(s,t)∈Q3,g(s,t)>0,且對(duì)任意t ∈[0,T],有g(shù)(l,t)=0,g(0,t)=1;

4)u0∈L2(0,l),u0(s) ≥0 a.e.s ∈(0,l),q0∈L2(?),q0(x)≥0 a.e.x ∈?;

5)0 ≤δiα(s,t)<1,0

6)g1:R→R+是非負(fù)連續(xù)凸函數(shù),且有界.

2 狀態(tài)系統(tǒng)的適定性

狀態(tài)系統(tǒng)(2)屬于“可分離”模型類,定義可分離形式解為

其中:u(s,t)是下列線性系統(tǒng)(3)的解

q(t,x)是下列非線性系統(tǒng)(4)的解

定義1初值問(wèn)題s′(t)=g(s,t),s(t0)=s0的唯一解s=φ(t;t0,s0,x0)稱為系 統(tǒng)(2)通過(guò)點(diǎn)(t0,s0,x0)的特征曲線.特別地,記z(t)=φ(t;0,0,x0)為系統(tǒng)(2)過(guò)點(diǎn)(0,0,x0)的特征曲線.

定義2若函數(shù)p ∈L2(Q)沿著每條特征曲線φ都絕對(duì)連續(xù),且滿足

則稱p為系統(tǒng)(2)的解.這里Dφp(s,t,x)表示p沿特征曲線φ的方向?qū)?shù),即

定理1對(duì)任意的α ∈U,則子系統(tǒng)(3)–(4)有唯一的非負(fù)有界解(u(s,t),q(t,x)).

證首先證明系統(tǒng)(3)有唯一的非負(fù)有界解.不失一般性,假設(shè)α(s,t)≡0.對(duì)于系統(tǒng)(3),在sot平面上任意固定點(diǎn)(s,t),當(dāng)s≤z(t)時(shí),定義其初始時(shí)刻τ=τ(s,t),則φ(t;τ,0)=s ?φ(τ;t,s)=0.當(dāng)s>z(t)時(shí),定義其初始尺度η=η(s,t),類似的有φ(t;0,η)=s ?φ(0;t,s)=η.從而利用特征曲線法,系統(tǒng)(3)的解可寫為

其 中:τ=t-z-1(s),T>z-1(l).當(dāng)T≤z-1(l)時(shí)同法處理.

令b(t)=g(0,t)u(0,t),則

則b(t)滿足如下積分方程:

由假設(shè)知,K(t,z(δ);α)≥0,Fα(t)≥0 且Fα(t)∈L∞(0,T),K(t,z(δ);α)∈L∞(Q3).

對(duì)式(6)做積分變換,得到

對(duì)任意的α∈U,定義算子Aα:L∞(0,T)→L∞(0,T),則

在空間L∞(0,T)上定義等價(jià)范數(shù)如下:

對(duì)于任意的ρ1,ρ2∈L∞(0,T)有

當(dāng)λ>‖K‖L∞(Q3)時(shí),Aα為(L∞(0,T),‖·‖)上的壓縮算子.根據(jù)Banach不動(dòng)點(diǎn)定理知,算子Aα有唯一的不動(dòng)點(diǎn),即式(6)有唯一解b(t)∈L∞(0,T).

進(jìn)一步,根據(jù)Banach不動(dòng)點(diǎn)定理,式(6)的解是如下迭代序列的極限:

由K(t,z(δ);α) ≥0 a.e.(z(δ),t)∈Q3,Fα(t) ≥0 a.e.t ∈(0,T),則bn≥0,其極限b(t)≥0.因此對(duì)任意的α ∈U,系統(tǒng)(3)有唯一非負(fù)解uα ∈L∞(Q3).

由式(5)可得

根據(jù)Bellman引理,得到

接下來(lái)證明系統(tǒng)(4)有唯一的非負(fù)有界解.對(duì)任意的y ∈L2(Q1;R+),考慮如下系統(tǒng):

由定理4.1.3[4]知,式(7)有唯一非負(fù)解qy ∈L2(Q1;R+).根據(jù)比較原理知,qy(t,x)≤(t,x),其中(t,x)為系統(tǒng)(4)相應(yīng)于μ1=0的解.

對(duì)任意的(y1,y2)∈L2(Q1;),其相應(yīng)的解為(q1,q2).令w=q1-q2,則w滿足下列系統(tǒng):

在系統(tǒng)(8)中的第一式兩端同乘以w(t,x)并在Q1上積分,可得

由Bellman引理,得到

由式(9)可得

因此,映射F是空間(B,‖·‖?)上的壓縮映射.根據(jù)Bana ch不動(dòng)點(diǎn)定理知,映射F存在唯一的不動(dòng)點(diǎn).即q(t,x)為系統(tǒng)(4)的唯一解.令M1=Ess sup|(t,x)|,則有0≤q(t,x)≤M1a.e.(t,x)∈Q1.綜合以上分析,子系統(tǒng)(3)–(4)有唯一的非負(fù)有界解(u(s,t),q(t,x)).

證畢.

3 最優(yōu)策略的存在性

定理2最優(yōu)控制問(wèn)題(1)至少存在一個(gè)最優(yōu)解.

由式(12)得

對(duì)系統(tǒng)(14)取極限,得到系統(tǒng)(2)對(duì)應(yīng)于α?的解p?,即p?=pα?.由式(10)知

另一方面,由假設(shè)(A6)以及式(11)(13)可得

4 最優(yōu)性條件

定理3若(α?,pα?)是最優(yōu)控制問(wèn)題(1)的最優(yōu)對(duì),pα?是系統(tǒng)(2)相應(yīng)于α?的解,則最優(yōu)策略α?有如下結(jié)構(gòu):

其中ξ(s,t,x)為下列共軛系統(tǒng)(16)的解:

證對(duì)任意ν ∈TU(α?)(集合U在α?處的切錐),當(dāng)ε>0充分小時(shí),有αε:=α?+εν.令pαε為系統(tǒng)(2)相應(yīng)于α=αε的解.由α?的最優(yōu)性知

將式(17)兩邊同時(shí)除以ε,并令ε →0+可得

在系統(tǒng)(19)的第1式兩邊同乘以ξ(s,t,x),然后在區(qū)域Q上積分,得到

將式(20)代入式(18)有

從 而[δ2β(s,t)m(s,t)ξ(0,t,x)+δ1ξ(s,t,x)-1]×pα?(s,t,x)∈NU(α?)(表示U在α?處的法錐),再利用法錐性質(zhì)[14],結(jié)論成立.證畢.

5 數(shù)值模擬

圖1 自然出生率Fig.1 Natural fertility

圖2 自然死亡率Fig.2 Natural mortality

圖3 系統(tǒng)(3)的數(shù)值解Fig.3 The numerical solution of system(3)

圖4 系統(tǒng)(4)的數(shù)值解Fig.4 The numerical solution of system(4)

對(duì)于自然出生率和死亡率的變化趨勢(shì),由圖1–2可知,當(dāng)害鼠達(dá)到中等尺度時(shí)其出生率最高,當(dāng)尺度達(dá)到其最大或者最小時(shí)其死亡率最高,這符合實(shí)際情形,因此參數(shù)β(s,t)和μ0(s,t)的選取合理.在模擬過(guò)程中還發(fā)現(xiàn),隨著時(shí)間的增加,β(s,t)和μ0(s,t)呈現(xiàn)周期性變化.

6 結(jié)論

系統(tǒng)(2)的解關(guān)于尺度和空間位置可分離,在一組并不苛刻的假設(shè)條件下,定理1表明存在唯一的非負(fù)有界解.接著,第3節(jié)和第4節(jié)分別給出了最優(yōu)策略的存在性和必要性條件.最后,通過(guò)數(shù)值模擬主要驗(yàn)證了第2節(jié)理論結(jié)果的正確性.在實(shí)際應(yīng)用時(shí),結(jié)合狀態(tài)系統(tǒng)(2)和共軛系統(tǒng)(16)計(jì)算出最優(yōu)狀態(tài)、最優(yōu)指標(biāo)和J(α?).由定理3得到以下結(jié)論:當(dāng)δ2β(s,t)m(s,t)ξ(0,t,x)+δ1ξ(s,t,x)<1時(shí),即害鼠的有效繁殖率較低時(shí),不需要投放雌性不育劑;當(dāng)δ2β(s,t)m(s,t)ξ(0,t,x)+δ1ξ(s,t,x)>1時(shí),即害鼠的有效繁殖率較高時(shí),對(duì)害鼠種群進(jìn)行干預(yù)控制其出生率,需要投放雌性不育劑,且投放量L為最優(yōu).

容易驗(yàn)證,當(dāng)g(s,t)≡1,?(s,t)∈Q3時(shí),本文討論的內(nèi)容即為具有擴(kuò)散的年齡結(jié)構(gòu)種群系統(tǒng)的相應(yīng)結(jié)果.