Доклады Российской академии наук. Математика, информатика, процессы управления, 2021, T. 499, № 1, стр. 35-39
ПРИМЕНЕНИЕ СПЕЦИАЛЬНЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПРОСТРАНСТВ К ИССЛЕДОВАНИЮ НЕЛИНЕЙНЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ УРАВНЕНИЙ, ВОЗНИКАЮЩИХ В РАВНОВЕСНОЙ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ЛОГИСТИЧЕСКОЙ ДИНАМИКЕ
М. В. Николаев 1, *, У. Дикман 2, 3, **, А. А. Никитин 1, 4, ***
1 Московский государственный университет
имени М.В. Ломоносова
Москва, Россия
2 Международный институт прикладного системного анализа
Лаксенбург, Австрия
3 Department of Evolutionary Studies of Biosystems,
The Graduate University for Advanced Studies (Sokendai)
Hayama, Japan
4 Национальный исследовательский университет “Высшая школа экономики”
Москва, Россия
* E-mail: nikolaev.mihail@inbox.ru
** E-mail: dieckmann@iiasa.ac.at
*** E-mail: nikitin@cs.msu.ru
Поступила в редакцию 31.03.2021
После доработки 04.04.2021
Принята к публикации 07.05.2021
Аннотация
Изучается нелинейное интегральное уравнение, возникающее в некоторой модели пространственной логистической динамики. Вопрос разрешимости данного уравнения исследуется с помощью введения специальных пространств функций, интегрируемых с точностью до константы. Устанавливаются достаточные условия на биологические характеристики, а также параметры замыкания третьего пространственного момента, гарантирующие существование решения описанного выше уравнения в некотором шаре с центром в нуле. Кроме того, показывается, что данное решение единственно в рассматриваемом шаре и не является нулевым. Это означает, что при соответствующих условиях состояние равновесия популяции некоторого вида существует и не совпадает с состоянием вымирания.
Основным предметом изучения в данной работе является параметрическое семейство нелинейных интегральных уравнений, возникающее при замыкании третьего момента в пространственной логистической модели У. Дикмана и Р. Лоу [1, 2]. Краткое описание данной модели, а также математическая постановка рассматриваемой задачи приведены в первой части нашей работы. Во втором разделе вводится специальное функциональное пространство и приводятся некоторые операторы, действующие в нем. В третьей части рассмотренные операторы используются для построения параметрического отображения, действующего в обозначенном ранее пространстве функций, неподвижные точки которого совпадают с решениями исследуемых уравнений. Кроме того, указываются достаточные условия существования неподвижных точек данного отображения и их единственность в некотором шаре при различных наборах параметров.
1. ОПИСАНИЕ ЗАДАЧИ
1.1. Модель биологических сообществ
Рассмотрим некоторую популяцию неподвижных организмов, обитающих в пространстве ${{\mathbb{R}}^{k}}$. Модель характеризуется следующими гомогенными в пространстве биологическими параметрами:
1) естественная смертность ($d \geqslant 0$),
2) агрессивность индивидов ($d{\kern 1pt} ' \geqslant 0$),
3) интенсивность рождения новых особей (b > 0),
4) ядро движения ($m = m(x)$),
5) ядро конкуренции ($w = w(x)$).
При этом ядра движения и конкуренции являются неотрицательными, радиально-симметричными, интегрируемыми функциями, с L1-нормой равной 1, которые исчезают на бесконечности. Ядро движения представляет собой плотность вероятности случайной величины, определяющей положение потомков относительно своих родителей. Ядро конкуренции описывает пространственную структуру конкуренции между индивидами.
В каждый момент времени состояние изучаемой популяции характеризуется пространственными моментами, которые являются усреднением некоторых статистических характеристик. Мы будем рассматривать первые три момента:
1) $N(t)$ – средняя плотность особей,
2) $C(x,t)$ – средняя плотность пар особей, в которых сдвиг второго индивида относительно первого равен x,
3) $T(x,y,t)$ – средняя плотность троек особей, в которых сдвиг второго и третьего индивидов относительно первого равен $x$ и y соответственно.
В настоящей статье мы будем работать с состоянием равновесия популяции, которое характеризуется отсутствием динамики моментов во времени (таким образом, моменты перестают зависеть от t). Оно описывается следующей системой интегральных уравнений (подробнее см. в [2]):
1.2. Уравнение равновесия
В работе рассматривается трехпараметрическое семейство замыканий третьего момента вида
(2)
$\begin{gathered} T(x,y) = \\ = \frac{{\alpha C(x)C(y)\, + \,\beta C(x)C(y\, - \,x)\, + \,\gamma C(y)C(y\, - \,x)\, - \,\beta {{N}^{4}}}}{{(\alpha + \gamma )N}}, \\ \end{gathered} $(3)
$Q = \frac{{\bar {m} + [\bar {m} * Q] - \bar {w}Q - \tfrac{\beta }{{\alpha + \gamma }}Q[\bar {w} * Q] - \tfrac{\gamma }{{\alpha + \gamma }}[Q\bar {w} * Q] + \tfrac{{\beta d{\kern 1pt} '}}{{\alpha + \gamma }}{{N}^{2}}}}{{d + \tfrac{{\alpha (b - d)}}{{\alpha + \gamma }}}},$Будем называть уравнение (3) уравнением равновесия. Отметим, что
поскольку в [3] было показано, что2. ПРОСТРАНСТВО $\widehat {{{L}_{1}}}({{\mathbb{R}}^{k}})$
2.1. Определение
Прежде чем приступать к дальнейшему исследованию уравнения равновесия, рассмотрим некоторое специальное пространство функций, которому, как будет показано далее, принадлежит решение уравнения (3).
Рассмотрим множество функций вида $f = F + n$, где $F \in {{L}_{1}}({{\mathbb{R}}^{k}})$, а $n \in \mathbb{R}$. Будем в дальнейшем называть функцию F функциональной частью элемента f и обозначать $\mathcal{F}f$, а n – числовой частью и обозначать $\mathcal{N}f$. Очевидно, что рассмотренное множество линейно относительно операций сложения и умножения на число. Введем на вышеупомянутом множестве структуру нормированного пространства, определив норму по правилу
Полученное пространство обозначим за $\widehat {{{L}_{1}}}({{\mathbb{R}}^{k}})$.
Замечание 1. Элементы f и g пространства $\widehat {{{L}_{1}}}({{\mathbb{R}}^{k}})$ равны тогда и только тогда, когда равны их функциональные и числовые части соответственно.
Лемма 1. Пространство $\widehat {{{L}_{1}}}({{\mathbb{R}}^{k}})$ банахово.
2.2. Некоторые операторы в $\widehat {{{L}_{1}}}({{\mathbb{R}}^{k}})$
Рассмотрим некоторые операторы, действующие в $\widehat {{{L}_{1}}}({{\mathbb{R}}^{k}})$, которые представляют наибольший интерес в данной работе.
Определим сверточный оператор ${{\mathcal{C}}_{\varphi }}$, действующий на функции из $\widehat {{{L}_{1}}}({{\mathbb{R}}^{k}})$ по правилу
Лемма 2. Оператор ${{\mathcal{C}}_{\varphi }}$ является ограниченным линейным оператором, действующим в $\widehat {{{L}_{1}}}({{\mathbb{R}}^{k}})$, норма которого равна ${{\left\| \varphi \right\|}_{{{{L}_{1}}}}}$.
Введем вспомогательное пространство функций
Определим оператор самосвертки ${{\mathcal{S}}_{\varphi }}$, действующий на функции из $\widehat {{{L}_{1}}}({{\mathbb{R}}^{k}})$ по правилу
Лемма 3. Для любой пары элементов f, $g \in \widehat {{{L}_{1}}}({{\mathbb{R}}^{k}})$ имеет место неравенство
Определим оператор произведения на свертку ${{\mathcal{P}}_{\varphi }}$, действующий из $\widehat {{{L}_{1}}}({{\mathbb{R}}^{k}})$ по правилу
Лемма 4. Для любой пары элементов $f,g \in \widehat {{{L}_{1}}}({{\mathbb{R}}^{k}})$ имеет место неравенство
3. СУЩЕСТВОВАНИЕ И ЕДИНСТВЕННОСТЬ РЕШЕНИЯ УРАВНЕНИЯ РАВНОВЕСИЯ
3.1. Оператор равновесия
Теперь мы готовы приступить к дальнейшему исследованию уравнения равновесия (3). Далее будем дополнительно считать, что ядра рождения и конкуренции почти всюду ограничены. В таком случае они принадлежат классу $B{{L}_{1}}({{\mathbb{R}}^{k}})$.
Будем искать решение уравнения (3) в пространстве $\widehat {{{L}_{1}}}({{\mathbb{R}}^{k}})$. Условие (4) позволяет нам сказать, что в таком случае $N = \mathcal{N}Q$. Учитывая это, перепишем уравнение в операторной форме
где оператор $\mathcal{A}$ действует из $\widehat {{{L}_{1}}}({{\mathbb{R}}^{k}})$ по правилу(6)
$\mathcal{A}f = \frac{{\bar {m} + [\bar {m} * f] - \bar {w}f - \tfrac{\beta }{{\alpha + \gamma }}f[\bar {w} * f] - \tfrac{\gamma }{{\alpha + \gamma }}[f\bar {w} * f] + \tfrac{{\beta d{\kern 1pt} '}}{{\alpha + \gamma }}{{{(\mathcal{N}f)}}^{2}}}}{{d + \tfrac{{\alpha (b - d)}}{{\alpha + \gamma }}}}.$С помощью введенных ранее операторов, представление (6) может быть переписано в виде
(7)
$\mathcal{A}f = \frac{{\bar {m} + {{\mathcal{C}}_{{\bar {m}}}}f - \bar {w}f - \tfrac{\beta }{{\alpha + \gamma }}{{\mathcal{P}}_{{\bar {w}}}}f - \tfrac{\gamma }{{\alpha + \gamma }}{{\mathcal{S}}_{{\bar {w}}}}f + \tfrac{{\beta d{\kern 1pt} '}}{{\alpha + \gamma }}{{{(\mathcal{N}f)}}^{2}}}}{{d + \tfrac{{\alpha (b - d)}}{{\alpha + \gamma }}}}.$Отметим, что $\mathcal{A}$ действует в $\widehat {{{L}_{1}}}({{\mathbb{R}}^{k}})$, поскольку операторы ${{\mathcal{C}}_{{\bar {m}}}}$, ${{\mathcal{P}}_{{\bar {w}}}}$ и ${{\mathcal{S}}_{{\bar {w}}}}$ действуют в этом пространстве. Фактически мы свели задачу о решении уравнения (3) к задаче нахождения неподвижной точки оператора (7). Будем называть этот оператор оператором равновесия.
3.2. Неподвижная точка оператора равновесия
С учетом рассмотренных выше лемм 2–4, можно оценить, насколько сильно меняется расстояние между двумя элементами пространства $\widehat {{{L}_{1}}}({{\mathbb{R}}^{k}})$ под действием операторов ${{\mathcal{C}}_{{\bar {m}}}}$, ${{\mathcal{S}}_{{\bar {w}}}}$ и ${{\mathcal{P}}_{{\bar {w}}}}$. Исходя из этого нетрудно найти достаточные условия сжимаемости оператора $\mathcal{A}$ в некотором шаре $B$ пространства $\widehat {{{L}_{1}}}({{\mathbb{R}}^{k}})$. Проводя оценку величин ${{\left\| \mathcal{A} \right\|}_{{\widehat {{{L}_{1}}}}}}$ при $f \in B$, можно выявить замкнутый шар $B{\kern 1pt} ' \subset B$, инвариантный относительно оператора равновесия. Однако замкнутый шар полного метрического пространства сам является полным метрическим пространством. Это позволяет нам, воспользовавшись принципом Банаха, доказать, что оператор $\mathcal{A}$ будет иметь в $B{\kern 1pt} '$ единственную неподвижную точку.
Данные рассуждения приводят нас к следующей теореме.
Теорема 1. Если выполнены условия
(8)
$\begin{gathered} - \frac{{\alpha + \gamma }}{{4\beta - 2\gamma }} \leqslant R < - \frac{{\gamma (b - d)}}{{{{{\left\| {\bar {w}} \right\|}}_{{B{{L}_{1}}}}}(4\beta - 2\gamma )}} - \frac{{\alpha + \gamma }}{{4\beta - 2\gamma }}, \\ \frac{{\gamma (b - d) - \sqrt D }}{{2{{{\left\| {\bar {w}} \right\|}}_{{B{{L}_{1}}}}}(2\beta - \gamma )}} \leqslant R \leqslant \frac{{\gamma (b - d) + \sqrt D }}{{2{{{\left\| {\bar {w}} \right\|}}_{{B{{L}_{1}}}}}(2\beta - \gamma )}}, \\ \end{gathered} $Замечание 2. В условиях теоремы 1 неподвижная точка оператора равновесия ненулевая, так как образ нулевого элемента пространства $\widehat {{{L}_{1}}}({{\mathbb{R}}^{k}})$ под действием оператора $\mathcal{A}$ не является нулевым.
Приведем пример параметров модели, удовлетворяющих условиям вышеуказанной теоремы. Пусть $\alpha = 1{\text{/}}2$, $\beta = - 7{\text{/}}16$, а $\gamma = - 1$, тогда
Если выбрать b = 1 и $d = 1{\text{/}}10$, то
Выберем ядро конкуренции в виде плотности нормального распределения с нулевым математическим ожиданием и стандартным отклонением равным ${{(10\sqrt {2\pi } )}^{{ - 1}}}$, т.е.
а также возьмем s = 1, тогда ${{\left\| {\bar {w}} \right\|}_{{B{{L}_{1}}}}} = 10$. ПоэтомуЗначение величины D при таком выборе будет равно 331/100, значит,
При этом
т.е.(9)
$ - \frac{{\alpha + \gamma }}{{4\beta - 2\gamma }} < \frac{{\gamma (b - d) + \sqrt D }}{{{{{\left\| {\bar {w}} \right\|}}_{{B{{L}_{1}}}}}(2\beta - \gamma )}}.$(10)
$\frac{{\gamma (b - d) - \sqrt D }}{{2{{{\left\| {\bar {w}} \right\|}}_{{B{{L}_{1}}}}}(2\beta - \gamma )}} < - \frac{{\gamma (b - d)}}{{{{{\left\| {\bar {w}} \right\|}}_{{B{{L}_{1}}}}}(4\beta - 2\gamma )}} - \frac{{\alpha + \gamma }}{{4\beta - 2\gamma }}.$Из (9) и (10) следует, что система (8) разрешима. Если теперь выбрать R, например, равным 2/5, то все условия теоремы 1 будут выполнены.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В настоящей работе был поставлен вопрос о существовании и единственности решения задачи о нахождении состояния равновесия некоторой популяции организмов. Было показано, что решение системы уравнений (1) можно искать в виде неподвижной точки некоторого оператора, действующего в специальном функциональном пространстве. С помощью принципа Банаха были найдены достаточные условия, накладываемые на биологические параметры модели и параметры замыкания третьего пространственного момента, гарантирующие существование и единственность неподвижной точки этого оператора в некотором шаре с центром в нуле. При этом показано, что данное состояние нетривиально.
Отметим, что ранее проводился лишь численный анализ нелинейных интегральных уравнений, получающихся после замыканий третьего момента. Аналитическое исследование подобных уравнений при трехпараметрическом замыкании (2) в случае ненулевых α, β и γ проводится впервые. Кроме того, результаты данной работы иллюстрируют важность подбора параметров замыкания (2), поскольку в статьях [4, 5] было показано, что при α = 1, $\beta = a = 0$ нетривиальное состояние равновесия существует исключительно при d = 0.
ИСТОЧНИК ФИНАНСИРОВАНИЯ
Публикация подготовлена в результате проведения исследования (проекта 20–04–021) в рамках программы “Научный фонд НИУ ВШЭ”.
Список литературы
Law R., Dieckmann U. Moment approximations of individual-based models // The Geometry of Ecological Interactions: Simplifying Spatial Complexity / Ed. by U. Dieckmann, R. Law, J. Metz. Cambridge University Press. 2000. P. 252–270.
Dieckmann U., Law R. Relaxation projections and the method of moments // The Geometry of Ecological Interactions: Simplifying Spatial Complexity / Ed. by U. Dieckmann, R. Law, J. Metz. Cambridge University Press. 2000. P. 412–455.
Murrell D. J., Dieckmann U., Law R. On moment closures for population dynamics in continuous space // J. Theor. Biology. 2004. 229. P. 421–432. russian
Давыдов А.А., Данченко В.И., Звягин М.Ю. Существование и единственность стационарного распределения биологического сообщества // Труды МИАН. 2009. Т. 267. С. 46–55.
Давыдов А.А., Данченко В.И., Никитин А.А. Об интегральном уравнении для стационарных распределений биологических сообществ // Проблемы динамического управления. Сборник научных трудов. 2010. С. 15–29.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Доклады Российской академии наук. Математика, информатика, процессы управления