数学物理学报, 2025, 45(5): 1432-1443

一类具有合作与自限效应的 Extended Fisher-Kolmogorov 系统的定态分歧

朱超,1, 郝清明,1, 潘志刚,1, 王艳华,2,*

1西南交通大学数学学院 成都 611756

2成都锦城学院通识教育学院 成都 611731

Steady-State Bifurcation to a Class of Extended Fisher-Kolmogorov System with Cooperative and Self-Limiting Effects

Zhu Chao,1, Hao Qingming,1, Pan Zhigang,1, Wang Yanhua,2,*

1School of Mathematics, Southwest Jiaotong University, Chengdu 611756

2Chengdu Jincheng College, Chengdu 611731

通讯作者: * 王艳华,E-mail: yhwang2021@yeah.net

收稿日期: 2024-11-12   修回日期: 2025-03-28  

基金资助: 国家自然科学基金(11901408)
四川省自然科学青年基金(22NSFSC16338)
中央高校理科创新培育项目(2682022ZTPY063)

Received: 2024-11-12   Revised: 2025-03-28  

Fund supported: NSFC(11901408)
Sichuan Provincial Natural Science Youth Fund(22NSFSC16338)
Central University Basic Research Innovation Project(2682022ZTPY063)

作者简介 About authors

朱超,E-mail:zc1209931603@163.com;

郝清明,E-mail:persist18784863089@163.com;

潘志刚,E-mail:panzhigang@swjtu.edu.cn

摘要

该文研究了一类具有合作与自限效应的 Extended Fisher-Kolmogorov 系统的定态分歧. 采用拓展的 Lyapunov-Schmidt 约化方法和线性全连续场谱分解定理, 在 Dirichlet 边界条件下系统发生分歧, 给出了分歧解的具体表达式并讨论了其正则性, 揭示了生物种群出现周期性波动. 在 Neumann 边界条件下, 得到了发生超临界分歧与次临界分歧的完整判据, 讨论了分歧解的正则性. 当系统发生超临界分歧时, 种群数量缓慢扩大; 当系统发生次临界分歧时, 种群数量先急剧下降后逐渐稳定.

关键词: Extended Fisher-Kolmogorov 系统; Dirichlet 边界; Neumann 边界; 定态分歧; Lyapunov-Schmidt 约化; 正则性

Abstract

This paper investigates the steady-state bifurcation to a class of Extended Fisher-Kolmogorov system with cooperative and self-limiting effects. By using the extended Lyapunov-Schmidt reduction method and the spectral decomposition theorem for linear completely continuous fields, the bifurcation of the system under Dirichlet boundary conditions are analyzed. Explicit expressions for the bifurcating solutions are provided, and the regularity of these solutions are discussed, revealing that biological populations exhibit periodic fluctuations. Under Neumann boundary conditions, complete criteria for supercritical and subcritical bifurcations are obtained, and the regularity of the bifurcating solution is explored. When the system undergoes a supercritical bifurcation, the population size gradually expands; when it undergoes a subcritical bifurcation, the population size initially plummets before gradually stabilizing.

Keywords: Extended Fisher-Kolmogorov system; Dirichlet boundary; Neumann boundary; steady-state bifurcation; Lyapunov-Schmidt reduction; regularity

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本文引用格式

朱超, 郝清明, 潘志刚, 王艳华. 一类具有合作与自限效应的 Extended Fisher-Kolmogorov 系统的定态分歧[J]. 数学物理学报, 2025, 45(5): 1432-1443

Zhu Chao, Hao Qingming, Pan Zhigang, Wang Yanhua. Steady-State Bifurcation to a Class of Extended Fisher-Kolmogorov System with Cooperative and Self-Limiting Effects[J]. Acta Mathematica Scientia, 2025, 45(5): 1432-1443

1 引言

Fisher-Kolmogorov(FK)方程由 Fisher[1] 和 Kolmogorov[2] 在 1937 年提出, 其在生物学和物理学领域占据着重要的位置, 尤其是在描述生物种群的扩散及其适应性相互作用方面. 在此前趋化-流体耦合模型常被用于理解和预测生物群体在复杂环境中的行为, 其是一种用于描述生物群体在化学信号引导下运动, 并与周围流体相互作用的数学模型. 王[3]对趋化-流体耦合模型的起源、研究进展、研究困难进行详细的分析, 并指出此类方程组研究中一些尚待解决的问题, 潘[4]则采用热非平衡模型研究了耦合应力流体饱和多孔介质的稳定性和转变, 文献 [5]讨论了在垂直磁场作用下, 非牛顿流体水平层在热扩散和溶质扩散共同影响下的动力学转变. 而如今为了更准确地捕捉系统内复杂的动态行为, Coullet[6] 和 Saarloos[7] 对 FK[8] 方程进行了改进, 基于考虑长距离相互作用或非线性效应的情况下, 引入了一个稳定的四阶导数项, 这一改进使得方程能更真实地反映生态系统中种群的复杂动态, 由此 Extended Fisher-Kolmogorov (EFK) 系统[9,10]应运而生.

本文我们将用 EFK 系统研究生物种群的复杂动态, 尽管 EFK 系统在解的渐近性质和结构问题[11]上已有大量研究, 但在分歧现象方面的探索仍相对不足. 分歧现象对于理解生态系统的稳定性至关重要, 当生态系统内部环境或资源发生改变时, 生态系统可能会从一种稳定状态转变到另一种截然不同的稳定状态; 在数学上, 这指的是当系统参数发生变化时, 解集的结构会发生显著的变化. 这一现象在非线性偏微分方程的研究中尤为重要, 因为它有助于揭示系统的稳定性和行为转变. 在研究分歧现象时, Krein-Rutman 定理[12]保证了最大特征值及其对应特征向量的存在, 这对于系统稳定性分析是非常关键的, 全局分歧技术被用于研究非线性动力系统在其参数跨越某个临界值时发生根本性变化的长期行为, 它不局限在某个时间段上, 而是研究整个时间区域, 这对于我们理解复杂系统的动态特性很有帮助, 文献 [12] 中基于 Krein-Rutman 定理和全局分歧技术研究了四阶边值问题正解的存在性, 罗[13]讨论了 EFK 系统的整体吸引子及其分形维数估计. 我们理解非线性动力系统的基本原理一般从一维系统的分歧问题入手, 在文献 [14] 中讨论了一维闵可夫斯基-曲率问题的分歧曲线的演化, 文献 [15] 运用了 Lyapunov-Schmidt 约化方法讨论了一维空间中的 Kuramoto-Sivashinsky 方程, 张[16]讨论了 EFK 系统在 Neumann 边界下的定态分歧的工作, 且此类一维系统的分歧问题在齐次边界[17]与非齐次边界[18]上均有具体的讨论, 这些文献的研究为本文讨论 EFK 系统的分歧现象提供了理论基础.

我们注意到对于系统在参数变化时可能出现的超临界和次临界分歧, 目前还缺乏系统性的研究. 本文旨在深入探讨 EFK 方程在 Dirichlet 边界和 Neumann 边界条件下的分歧问题, 利用拓展的 Lyapunov-Schmidt 约化方法[19]来研究 EFK 系统的定态分歧, 并试图得到系统发生超临界和次临界分歧的具体判据及分歧解的具体表达式, 最后从相图分析其在无穷维空间中的超临界与次临界分歧. 张[20]和郝[21]研究了 FKPP 方程在 Dirichlet 边界、Neumann 边界和 Robin 边界条件下的定态分歧, 曹[22]和袁[23]讨论了捕食-食饵模型的稳定性和在 Dirichlet 边界条件下的分歧问题, 文献 [24-26] 则是讨论了 Cahn-Hilliard 方程在 Neumann 边界下的定态分歧以及产生超临界分歧与次临界分歧的完整判据. 基于文献 [16] 考虑了种群在某一生态环境固定区域无迁徙的情况, 我们在此基础上更进一步考虑了种群在该生态环境中边界无分布的情况, 且, 在实际生态系统中, 考虑到种群动态往往受到多种非线性效应的共同影响, 为了能更精准的反映生物种群密度作用机制, 我们考虑了具有合作与自限效应的情形并引入了 $bu^2$$du^3$, 探讨了种群间的竞争或促进关系以及高密度下引发的资源限制或竞争效应的情形, 得到了 EFK 系统更精确的分歧解具体表达式与分歧解图. 通过分析不同边界条件下的定态分歧解, 我们能够更全面地理解边界条件对系统行为的影响, 从而为理解 EFK 方程的生物意义提供更加直观的视角和理论支撑.

考虑下面 EFK 系统的定态分歧

$\begin{equation}\label{eqn-13} \begin{cases}\frac{\partial u}{\partial t}=-a \frac{\partial^4u}{\partial x^4}+\frac{\partial^2u}{\partial x^2}+\lambda u+bu^2-du^3,&(x,t)\in(0,L)\times(0,\infty),\\[2ex]u(x,0)=\varphi(x),&x\in(0,L),\end{cases} \end{equation}$

其中: $a> 0$, 它表示系统平滑效应或弹性效应的系数; $b$ 是给定常数, 它表示了系统的反馈机制; $d> 0$, 其可以确保系统不会无限增长, 有助于形成稳定的系统; $\lambda>0$, 它是一个系统参数. 更准确地说, 本文研究问题 (1.1) 对应的平衡态问题

$ -a \frac{\partial^4u}{\partial x^4}+\frac{\partial^2u}{\partial x^2}+\lambda u+bu^2-du^3=0,\qquad x\in(0,L), $

分别讨论如下两类边界条件

(i) Dirichlet 边界条件

$u(0)=u(L)=0\:;$

(ii) 带自然约束的 Neumann 边界条件

$\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}x}\mid_{x=0}=\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}x}\mid_{x=L}=0,\int_{0}^{L}u(x)\:\mathrm{d}x=0.$

对问题 (1.2) 引入如下空间

$H=L^{2}(0,L)\:.$

对于 Direchlet 边界条件, 取空间 $H_\mathrm{l}$

$H_1=\{u\in H^4[L]\mid u(0)=u(L)=0\}.$

对于 Neumann 边界条件, 取空间 $H_\mathrm{1}$

$H_1=\bigg\{u\in H^4(0,L)\mid\int_0^Lu(x)\:\mathrm{d}x=0\:, \frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}x}\mid_{x=0}=\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}x}\mid_{x= L}=0\bigg\}.$

然后定义算子 $L_\lambda=-A+B_\lambda:H_1\to H$ 如下

$ -Au= -a \frac{\partial^4u}{\partial x^4}+\frac{\partial^2u}{\partial x^2}, $
$ B_{\lambda }u= \lambda u, $
$ G(u)=bu^2-du^3, $

这样, 问题 (1.2) 在条件 (i) 或 (ii) 下均可化为抽象形式

$L_{\lambda}u+G(u)=0. $

2 预备知识

$X,X_1,Y$ 是 Banach 空间, $X_1 \subset X$ 是稠密的包含, 考虑下面算子方程

$L_{\lambda}u + G\left(u,\lambda\right) = 0, $

显然 (u, $\lambda$)=(0, $\lambda$) 是方程 (2.1) 的一个平凡解, 分歧问题就是寻求一个从某点 (0, $\lambda_0$) 产生出的一个非平凡解 ($u_\lambda$, $\lambda$)$\neq $(0, $\lambda$) 使得

$ u_\lambda \rightarrow 0,\quad \text{当}\lambda \rightarrow \lambda_0. $

${\bf定义2.1}$[27] (分歧定义) 假设 $(2.1)$ 从 (u, $\lambda$)=(0, $\lambda_0$) 处分歧出一个解 ($u_\lambda,\lambda$)$\in X\times\mathbb{R}^1$, 如果存在 (2.1) 式的一个解序列 $(u_n,\lambda_n)$, $u_n \neq$0, 使得

$ \lim_{n\to\infty}\parallel u_{n}\parallel=0,\quad \lim_{n\to\infty}\lambda_n=\lambda_0, $

此时, $(0,\lambda_0)$ 称为方程 (2.1) 的一个分歧点.

${\bf定义2.2}$[19] (正则性定义) 令 $u_\lambda\in X_1$ 是方程 (2.1) 从 $\lambda=\lambda_0$ 的分歧解, 称该分歧解是正则的, 或者说是非退化的, 如果 $L_\lambda+G(.,\lambda)$$u_\lambda$ 的导算子

$ L_{\lambda}+D_{u}G(u_{\lambda},\lambda):X_{1}\rightarrow X $

对所有 $0<\mid\lambda-\lambda_0\mid<\varepsilon$ 充分小是线性同构.

${\bf引理2.1}$[27] (隐函数定理) 令 $U\subset X\times Y$ 是一个开集, $(x_0,y_0)\in U$, $F\in C^{k}(U,Z)$$k$ 次连续可微映射 $(k\mathbf{\geqslant}1)$, 并且满足 $F(x_0,y_0)=0$. 假设 $F$$(x_0,y_0)$ 处关于 $x$ 的导算子 $D_xF(x_0,y_0):X$$\to\mathbb{Z}$ 是一个线性同构, 那么有如下结论

(1) 存在 $x_0$$y_0$ 的一个邻域 $V\subset X$$W\subset Y$, 使得对 $\forall y \in W$, 方程 $F(x,y)=0$ 有一个唯一解

$x\:=\:\Phi\left(y\right)\:\in\:V;$

(2) 映射 $\Phi{:}W{\to}V$$k$ 次可微的, 特别地, 如果 $F$ 是解析的, 则 $\Phi$ 也是解析的;

(3) 如果 $F$ 关于 $y$$m$ 阶导数在 ($x_0,y_0)$ 处为零, 即

$D_{y}^{m}F\left(x_{0},y_{0}\right)\:=\:0\:,$

那么隐函数 $\Phi$ 满足

$\frac{{\rm d}^{j}\Phi\left(y_{0}\right)}{{\rm d}y^{j}}=0\:,\quad\forall\:0\leqslant j\leqslant m.$

${\bf引理2.2}$[19] (一般线性全连续场谱理论) 令 $L:H_1\to H$ 是一个线性全连续场, 那么有如下结论

(1) 如果 $\{\lambda_k|k\geqslant1\}\subset C$$L$ 的特征值 (计入重数), 则可取 $L$ 特征向量 {$\{\varphi_k\}\subset H_1$$L^{*}$ 的特征向量$\{\varphi_k^*\}\subset H_1^*$, 使得

$ \langle \varphi _{i}, \varphi _{j}^{* }\rangle _{H}\left \{ \begin{array} { l l } {= }0, & {\text{当 }i\neq j\text{ 时}, }\\ {\neq 0, }& {\text{当 }i= j\text{ 时}; }\end{array} \right. $

(2) 如果 $\rho=\lambda_k=\cdots=\lambda_{n+k}(n\geqslant1)$ 是 L 的一个代数重数 $m=n+1$ 和几何重数 $r=1$ 的特征值, 那么对任一定数 $\sigma\neq0$ 可取 $L$ 的特征向量 $\{\varphi_k,\cdots\,\varphi_{k+n}\}$$L^*$ 的特征向量 {$\{\varphi_k^*,\cdots,\varphi_{k+n}^*\}$ 满足 (2.2) 式, 并且有

$\begin{cases}L\varphi_k = \rho\varphi_k,\\L\varphi_{k+1} = \rho\varphi_{k+1} + \sigma\varphi_k,\\...\\L\varphi_{k+n} = \rho\varphi_{k+n} + \sigma\varphi_{k+n-1},\end{cases} $
$\begin{equation} \begin{cases}L^* \varphi_{k+n}^* = \rho\varphi_{k+n}^*,\\L^* \varphi_{k+n-1}^* = \rho\varphi_{k+n-1}^* + \sigma\varphi_{k+n}^*,\\...\\L^* \varphi_k^* = \rho\varphi_k^* + \sigma\varphi_{k+1}^* ;\end{cases} \end{equation}$

(3) $H$ 能够分解为下面的空间直和

$ \begin{aligned}&H = E_{1} \oplus E_{2},\quad E_{1} = \mathrm{span} \{\varphi_{k} | k\geqslant1\},\\&E_{2} = \{ v \in H_{1} | \langle v,\varphi_{k}^{*} \rangle_{H} = 0, \forall k\geqslant1\} ;\end{aligned} $

(4) $E_1$$E_2$ 是 L 的不变子空间

$L{:}E_i\to\overline{E}_i,\quad i = 1,2,$

并且 $\mathcal{L}=L|_{E_2}$有逆$ \mathcal{L}^{-1}:\overline{E}_2\to E_2\subset\overline{E}_2$, 使得

$ \lim_{n\to\infty}\parallel\mathcal{L}^{-n}u\parallel_{H}^{\frac{1}{n}}=0,\quad\forall u \in \bar{E}_{2} ; $

(5) 对任何 $u\in H$, 有如下广义 Fourier 展开

$ u = \sum_{k}^{\infty}x_{k}\varphi_{k} + v,\quad v \in \overline{E}_{2},\quad x_{k} = \langle u,\varphi_{k}^{*} \rangle_{H}. $

3 主要结果及证明

对于 Dirichlet 边界条件, 问题 (1.2) 有如下结论

${\bf定理3.1}$ 问题 (1.2) 在 Dirichlet 边界条件 (i) 下, 从($u,\lambda)=\Big(0,\frac{\pi^2}{L^2}+a\frac{\pi^4}{L^4}\Big)$ 处分歧出一个正则分歧解, 并且分歧解表达式为

$ \overline{u}=- \frac{3\pi}{8b}\Big(\lambda-\frac{\pi^2}{L^2}-a\frac{\pi^4}{L^4}\Big)\sin\frac{\pi x}{L}+o(\mid\lambda-\frac{\pi^2}{L^2}-a\frac{\pi^4}{L^4}\mid^2). $

${\bf证}$ 下面分如下几步进行证明.

${\bf 第一步}$ 求出 $L_\lambda=-A+B_\lambda$ 的所有特征值和特征函数, 令 $\rho_k$$e_k(k=1,2,\cdots)$ 是下面问题的第 $k$ 个特征值和特征向量

$\begin{equation}\label{eq:a1} \begin{cases}-\frac{{\rm d}^2e_k}{{\rm d}x^2}=\rho_ke_k,\\e_k(0)=e_k(L)=0,\\[2ex]\int_0^Le_k^2 \mathrm{d}x=1, \end{cases} \end{equation}$

可得出方程 (3.1) 的特征值 $\left\{\rho_k\mid k=1,2,\cdots\right\}$ (计入重数) 满足

$ \rho_{k}=\frac{k^{2}\pi^{2}}{L^{2}}, $
$\text{对应的特征向量}~ \{e_k\mid k=1,2,\cdots\}\text{ 满足}$
$ e_k=\sqrt{\frac{2}{L}}\sin \frac{k\pi x}{L}, $

可得到算子 $L_\mathrm{\lambda}$ 的特征向量 $\beta_{k}(\lambda)$

$ \{\beta_{k}(\lambda)=\lambda-\frac{k^2 \pi^2}{L^2}-a\frac{k^4 \pi^4}{L^4}\mid k=1,2,\cdots\}, $

由文献 [19] 知, 算子 $L_\mathrm{\lambda}$ 的特征向量 $\left\{e_k\mid k=1, 2\cdots\right\}$ 构成 $H_\mathrm{l}$ 的一组正交基.易见 $L_\mathrm{\lambda}$ 的第一特征值为

$ \beta_{1}(\lambda)=\lambda-\frac{\pi^2}{L^2}-a\frac{\pi^4}{L^4}, $

对应的特征向量为

$ e_1=\sqrt{\frac{2}{L}}\sin\frac{\pi x}{L}, $

并且

$ \beta_j\left(\frac{\pi^2}{L^2}+a\frac{\pi^4}{L^4}\right)\neq0,\quad j\geqslant2. $

${\bf 第二步}$ 应用谱定理[19], 将空间 $H$ 和算子 $L_\mathrm{\lambda}$ 进行分解,

$\lambda=\frac{\pi^2}{L^2}+a\frac{\pi^4}{L^4}$ 的邻域内 $H$ 能被分解为

$ H_1=E_1\oplus E_2,\quad H=E_1\oplus\overline{E}_2, $

其中

$ E_1 = {\rm span}\left\{ e_1 \right\},E_2 = {\rm span}\left\{ e_2,e_3,\cdots\right\}. $
$\text{线性算子}~ L_\lambda~\text{在}~\lambda=\frac{\pi^2}{L^2}+a\frac{\pi^4}{L^4}~\text{附近可分解为}$
$ L_{\lambda}=L_{\lambda}^{1}\oplus L_{\lambda}^{2},(L_{\lambda}^{1}:E_{1}\to E_{1},L_{\lambda}^{2}:E_{2}\to\overline{E}_{2}). $

$u\in H_1$, 则 $u=u_1+u_2$, 其中 $u_1\in E_1,u_2\in E_2$.不妨设

$ u_1=x_1e_1,u_2=\sum_{j=2}^{\infty}y_je_j, \quad x_1,y_j\in\mathbb{R}. $

${\bf 第三步}$ 由拓展的 Lyapunov-Schmidt 约化方法[19]求出问题 (1.2) 的分歧解, 将 $u_1,u_2$ 代入方程 (1.3) 得

$\begin{equation}\label{eq:a2} \beta_{1}(\lambda)x_{1}+b<(x_{1}e_{1}+\sum_{j=2}^{\infty}y_{j}e_{j})^{2},e_{1}>-\\d<(x_{1}e_{1}+\sum_{j=2}^{\infty}y_{j}e_{j})^{3},e_{1}>=0, \end{equation}$
$\beta_{j}(\lambda)y_{j}+b<(x_{1}e_{1}+\sum_{j=2}^{\infty}y_{j}e_{j})^{2},e_{j}>-\\d<(x_{1}e_{1}+\sum_{j=2}^{\infty}y_{j}e_{j})^{3},e_{j}>=0, $
$\text{(3.3) 式的近似方程为}$
$ \beta_j(\lambda) y_j+b<x_1^2e_1^2,e_j>+ o( x_1^2 )=0,j\geqslant2. $

又因为 $e_{1},e_{k}(k\geq1)$ 满足

$<e_{1}^{2},e_{1}>=\frac{8 \sqrt{2}}{3\pi \sqrt{L}},$
$<e_{1}^{2},e_{j}>=0,j\geqslant2,$

可解出

$ y_{j}=o\left(x_{1}^{2}\right),j\geqslant2. $

$\beta_1(\lambda)x_1+\frac{8b\sqrt{2}}{3\pi\sqrt{L}}x_1^2+o(x_1^2)=0, $

(3.2) 式的近似方程为

$\beta_{1}\left(\lambda\right)x_{1}+\frac{8b\sqrt{2}}{3\pi\sqrt{L}}x_{1}^{2}=0, $

进而能得到所述的问题 (1.2) 的分歧解的表达式

$ \overline{u}=- \frac{3\pi}{8b}\Big(\lambda-\frac{\pi^2}{L^2}-a\frac{\pi^4}{L^4}\Big)\sin\frac{\pi x}{L}+o(\mid\lambda-\frac{\pi^2}{L^2}-a\frac{\pi^4}{L^4}\mid^2). $

可见问题 (1.2) 在 $(u,\lambda)=(0,\frac{\pi^2}{L^2}+a\frac{\pi^4}{L^4})$ 处产生分歧, 分歧出一个分歧解, 分歧解图如图 1 所示.

图1

图1   $a=1,b=1,d=1,L=1$ 时分歧解, 图 (a): $\lambda<\frac{\pi^2}{L^2}+a\frac{\pi^4}{L^4}$, 图 (b): $\lambda>\frac{\pi^2}{L^2}+a\frac{\pi^4}{L^4}$


${\bf 第四步}$ 讨论问题 (1.2) 的分歧解 $\overline{u}$ 的正则性, 首先考察方程 (3.5) 的分歧解的正则性.方程(3.5) 对应的导数为

$\beta_1\left(\lambda\right)+\frac{16b\sqrt{2}}{3\pi\sqrt{L}}x_1$

代入 $x_1=-\frac{3\beta_1\pi\sqrt{L}}{8b\sqrt{2}}$, 可得到$-\beta_1\left(\lambda\right)$, 在 $\lambda=\frac{\pi^2}{L^2}+a\frac{\pi^4}{L^4}$ 充分小的去心邻域内不为零, 说明方程 (3.5) 的分歧解是正则的.由文献 [19] 可知, (1.2) 式的分歧解 $\overline{u}$ 也是正则的.

综上, 定理得证.

对于 Neumann 边界条件, (1.2) 式有如下结论

${\bf定理3.2}$ (a) 若 $2b^2L^4>9d\pi^2L^2+45ad\pi^4 $, $\lambda<\frac{\pi^2}{L^2}+a\frac{\pi^4}{L^4}$, 则问题 (1.2) 在 Neumann 边界条件 (ii) 下, 从 $( u, \lambda ) = ( 0, \frac{\pi^2}{L^2}+a\frac{\pi^4}{L^4}$) 处产生次临界分歧, 共分歧出两个分歧解分支且每个分歧解都是正则的. 进一步, 分歧解表达为

$\begin{aligned} \overline{u}_{1}^+&=\sqrt{\frac{4(\pi^2 L^2+a\pi^{4}-\lambda L^{4})(3\pi^2 L^2+15a\pi^{4})}{2b^2L^8-9d\pi^2L^6-45ad\pi^4 L^4}}\cos\frac{\pi x}{L}\\[2mm] &~~~+o\Bigg(\sqrt{\frac{2(\pi^2 L^2+a\pi^{4}-\lambda L^{4})(3\pi^2 L^2+15a\pi^{4})}{2b^2L^7-9d\pi^2L^5-45ad\pi^4 L^3}}\Bigg),\\[2mm] \overline{u}_{1}^-&=-\sqrt{\frac{4(\pi^2 L^2+a\pi^{4}-\lambda L^{4})(3\pi^2 L^2+15a\pi^{4})}{2b^2L^8-9d\pi^2L^6-45ad\pi^4 L^4}}\cos\frac{\pi x}{L}\\[2mm] &~~~+o\Bigg(\sqrt{\frac{2(\pi^2 L^2+a\pi^{4}-\lambda L^{4})(3\pi^2 L^2+15a\pi^{4})}{2b^2L^7-9d\pi^2L^5-45ad\pi^4 L^3}}\Bigg).\\ \end{aligned} $

(b) 若 $2b^2L^4<9d\pi^2L^2+45ad\pi^4 $, $\lambda>\frac{\pi^2}{L^2}+a\frac{\pi^4}{L^4}$, 则问题 (1.2) 在 Neumann 边界条件 (ii) 下, 从 $(u,\lambda)=(0,\frac{\pi^2}{L^2}+a\frac{\pi^4}{L^4})$ 处产生超临界分歧, 共分歧出两个分歧解分支且每个分歧解都是正则的. 进一步, 分歧解表达式如 (3.7) 式所示.

${\bf证}$${\bf 第一步}$ 求出 $L_\lambda=-A+B_\lambda$ 的所有特征值和特征函数. 类似于定理 3.1 中第一步的证明, 不难得到方程 (1.3) 中算子 $L_\mathrm{\lambda}$ 的特征值为

$ \Bigg\{\beta_{k}(\lambda)=\lambda-\frac{k^2 \pi^2}{L^2}-a\frac{k^4 \pi^4}{L^4}\mid k=1,2,\cdots\Bigg\}, $

对应的特征向量为

$ \Bigg\{e_k=\sqrt{\frac{2}{L}}{\rm cos} \frac{k\pi x}{L}\mid k=1,2\cdots\Bigg\}. $

由文献 [19] 知, 算子 $L_\lambda$ 的特征向量 $\{e_k,k=1$, $2,\ldots\}$ 构成 $H_{1}$ 的一组正交基. 易见

$\beta_1\:(\frac{\pi^2}{L^2}+a\frac{\pi^4}{L^4})\:=\:0\:,$
$\quad~~~\beta_{j}\:(\frac{\pi^2}{L^2}+a\frac{\pi^4}{L^4})\neq0\:,j\geqslant2.$

${\bf 第二步}$ 应用谱定理[19], 将空间 $H$ 和算子 $L_\mathrm{\lambda}$ 进行分解, 在 $\lambda=\frac{\pi^2}{L^2}+a\frac{\pi^4}{L^4}$ 的邻域内 $H$ 能被分解为

$ H_1=E_1\oplus E_2,H=E_1\oplus\overline{E}_2, $

其中

$ E_1 = {\rm span}\left\{ e_1 \right\},E_2 = {\rm span}\left\{ e_2,e_3,\cdots\right\}. $
$\text{线性算子 }L_\lambda~\text{在}~\lambda=\frac{\pi^2}{L^2}+a\frac{\pi^4}{L^4}~\text{附近可分解为}$
$ L_{\lambda}=L_{\lambda}^{1}\oplus L_{\lambda}^{2},(L_{\lambda}^{1}:E_{1}\to E_{1},L_{\lambda}^{2}:E_{2}\to\overline{E}_{2}). $

$u\in H_1$, 则 $u=u_1+u_2$, 其中 $u_1\in E_1,u_2\in E_2$.不妨设

$ u_1=x_1e_1,u_2=\sum_{j=2}^{\infty}y_je_j,\quad x_1,y_j\in\mathbb{R}. $

${\bf 第三步}$ 由拓展的 Lyapunov-Schmidt 约化方法[27]求出问题 (1.2) 的分歧解, 将 $u_1,u_2$ 代入方程 (1.3) 得

$\beta_{1}(\lambda)x_{1}+b<(x_{1}e_{1}+\sum_{j=2}^{\infty}y_{j}e_{j})^{2},e_{1}>-\\d<(x_{1}e_{1}+\sum_{j=2}^{\infty}y_{j}e_{j})^{3},e_{1}>=0, $
$\beta_{j}(\lambda)y_{j}+b<(x_{1}e_{1}+\sum_{j=2}^{\infty}y_{j}e_{j})^{2},e_{j}>-\\d<(x_{1}e_{1}+\sum_{j=2}^{\infty}y_{j}e_{j})^{3},e_{j}>=0, $
$\text{(3.9) 式的近似方程为}$
$ \beta_j(\lambda) y_j+b<(x_{1}e_{1}+\sum_{j=2}^{\infty}y_{j}e_{j})^{2},e_{j}>+ o( x_1^2 )=0,j\geqslant2, $
$ y_j=- \beta_{j} (\lambda)^{-1} b<(x_{1}e_{1}+\sum_{j=2}^{\infty}y_{j}e_{j})^{2},e_j>+ o( x_1^2 ),j\geqslant2. $

又因为 $e_{1},e_{k}(k\geq1)$ 满足

$<e_{1}^{2},e_{1}>=0,\quad <e_{1}^{2},e_{2}>=<e_{1}e_{2},e_{1}>=\frac{1}{\sqrt 2L},\quad <e_{1}^{3},e_{1}>=\frac{3}{ 2L},\quad <e_{1}^{2},e_{j}>=0,j\geqslant3,$

可解出

$ y_{2}=- \beta_{2} (\lambda)^{-1} \frac{b}{\sqrt{2L}}x_{1}^{2}+o( x_{1}^{2} ), \quad y_{j}=o\left(x_{1}^{2}\right),j\geqslant3. $

$y_{j}$ 代入 (3.8) 式, 有

$\beta_{1}(\lambda) x_{1}+b<(x_{1} e_{1}+y_{2}e_{2})^{2},\quad e_{1}>- d<x_{1}^{3}e_{1}^{3},\quad e_{1}>+o( x_{1}^{3} )=0, $

化简后有

$ \beta_1(\lambda)x_1-\Bigg(\frac{b^2}{L\beta_2}+\frac{3d}{2L}\Bigg)x_1^3+o(x_1^3)=0, $

(3.10) 式的近似方程为

$ \beta_1(\lambda)x_1-\Bigg(\frac{2b^2+3d\beta_2 }{2L\beta_2}\Bigg)x_1^3=0. $

$2b^2L^4>9d\pi^2L^2+45ad\pi^4 $, $\lambda<\frac{\pi^2}{L^2}+a\frac{\pi^4}{L^4}$, 则方程 (3.11) 在 $( x_1, \lambda ) = ( 0, \frac{\pi^2}{L^2}+a\frac{\pi^4}{L^4}$) 的领域内存在两个非平凡解, (3.11) 式此处产生次临界分歧, 两个分歧解分支为

$\begin{aligned} &x_1^+=\sqrt{\frac{2(\pi^2 L^2+a\pi^{4}-\lambda L^{4})(3\pi^2 L^2+15a\pi^{4})}{2b^2L^7-9d\pi^2L^5-45ad\pi^4 L^3}},\\[2mm] &x_1^-=-\sqrt{\frac{2(\pi^2 L^2+a\pi^{4}-\lambda L^{4})(3\pi^2 L^2+15a\pi^{4})}{2b^2L^7-9d\pi^2L^5-45ad\pi^4 L^3}}, \end{aligned} $

从而可得到问题 (1.2) 的分歧解表达式, 分歧解图如图 2 所示

$ \begin{aligned} \overline{u}_{1}^+&=\sqrt{\frac{4(\pi^2 L^2+a\pi^{4}-\lambda L^{4})(3\pi^2 L^2+15a\pi^{4})}{2b^2L^8-9d\pi^2L^6-45ad\pi^4 L^4}}\cos\frac{\pi x}{L}\\[2mm] &~~~+o\Bigg(\sqrt{\frac{2(\pi^2 L^2+a\pi^{4}-\lambda L^{4})(3\pi^2 L^2+15a\pi^{4})}{2b^2L^7-9d\pi^2L^5-45ad\pi^4 L^3}}\Bigg),\\ \overline{u}_{1}^-&=-\sqrt{\frac{4(\pi^2 L^2+a\pi^{4}-\lambda L^{4})(3\pi^2 L^2+15a\pi^{4})}{2b^2L^8-9d\pi^2L^6-45ad\pi^4 L^4}}\cos\frac{\pi x}{L}\\[2mm] &~~~+o\Bigg(\sqrt{\frac{2(\pi^2 L^2+a\pi^{4}-\lambda L^{4})(3\pi^2 L^2+15a\pi^{4})}{2b^2L^7-9d\pi^2L^5-45ad\pi^4 L^3}}\Bigg).\\ \end{aligned} $

图2

图2   $a=1,b=1,d=1,L=4,\lambda>\frac{\pi^2}{L^2}+a\frac{\pi^4}{L^4}$ 时分歧解


$2b^2L^4 <9d\pi^2L^2+45ad\pi^4 $, $\lambda>\frac{\pi^2}{L^2}+a\frac{\pi^4}{L^4}$, 则方程 (3.11) 在 $( x_1, \lambda ) = \Big( 0, \frac{\pi^2}{L^2}+a\frac{\pi^4}{L^4}\Big)$ 的领域内存在两个非平凡解, (3.11) 式此处产生超临界分歧, 两个分歧解分支为 (3.12) 式所示, 从而分歧解表达式也和上式一样, 分歧解图如图 3 所示.

图3

图3   $a=1,b=1,d=1,L=10,\lambda<\frac{\pi^2}{L^2}+a\frac{\pi^4}{L^4}$ 时分歧解


${\bf 第四步}$ 讨论问题 (1.2) 的分歧解 $\overline{u}$ 的正则性, 首先考察方程 (3.11) 的分歧解的正则性. 方程 (3.11) 对应的导数为

$ \beta_1(\lambda)-3\Bigg(\frac{2b^2+3d\beta_2 }{2L\beta_2}\Bigg)x_1^2, $

代入

$x_1^\pm=\pm\sqrt{\frac{2(\pi^2 L^2+a\pi^{4}-\lambda L^{4})(3\pi^2 L^2+15a\pi^{4})}{2b^2L^7-9d\pi^2L^5-45ad\pi^4 L^3}},$

可得到 $-2\beta_1\left(\lambda\right)$, 在 $\lambda=\frac{\pi^2}{L^2}+a\frac{\pi^4}{L^4}$ 充分小的去心邻域内不为零, 说明方程 (3.11) 的分歧解是正则的. 由文献 [19] 可知, (1.2) 的分歧解 $\overline{u}$ 也是正则的.

4 总结

在本文中, 我们研究了 Extended Fisher-Kolmogorov (EFK) 系统的定态分歧解, 运用拓展的 Lyapunov-Schmidt 约化方法并结合线性全连续场谱分解定理给出了分歧解具体表达式, 并得到了该系统产生超临界分歧与次临界分歧的完整判据. 定理 3.1 讨论了系统在 Dirichlet 边界条件下的分歧解, 得到了当 $\lambda$ 位于 $\frac{\pi^2}{L^2}+a\frac{\pi^4}{L^4}$ 附近时系统发生分歧, 此时种群的自然增长趋势达到了临界值, 这表明生物种群出现了周期性的波动, 并不是保持在一个恒定水平上, 揭示了种群对于环境变化的响应机制, 例如资源的季节性变化或捕食者周期性变化等.

定理 3.2 讨论了系统在 Neumann 边界条件下的分歧解, 当 $\lambda>\frac{\pi^2}{L^2}+a\frac{\pi^4}{L^4}$ 时发生超临界分歧, 此时资源条件或捕食者数量的逐渐改变可能会使某物种的分布范围慢慢扩大, 即环境条件逐渐变化时, 种群可能会缓慢调整其大小或分布, 而不是立即发生大的变动; 当 $\lambda<\frac{\pi^2}{L^2}+a\frac{\pi^4}{L^4}$ 时发生次临界分歧, 生物种群可能面对的是捕食者的剧烈增多或资源条件的枯竭等, 这导致种群数量开始出现大规模的衰减, 随着时间的推移该种群逐渐适应了这种环境条件从而种群数量趋于稳定. 随着对 EFK 系统的深入研究, 我们不仅提高了对非线性动力学系统特性的理解与预测能力, 还能进一步深化对 EFK 方程动力学性质的认识, 并为生物医学中的肿瘤生长、伤口愈合, 以及材料科学中的晶体生长和相变等实际问题的进一步研究提供坚实的理论支持.

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