具有尺度结构的生物种群模型的渐近行为和纳什均衡

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在生态学领域,生物种群的数学建模越来越受到关注,不仅是因为用数学方式描述和研究现实生物系统内部机理的需要,更有很多现实经济价值和环保价值。在考虑个体结构的生物种群建模方面,通常有两种比较主要的方式,一种是发展较为成熟的基于年龄结构的建模,另一种是近年来被广泛关注的基于尺度结构的建模。年龄简单易懂,含义单一。尺度则包含更广泛的情况,例如,尺度可以是个体的长度,表面积,体重,直径,成熟度等等表示个体特征的数量指标。如此看来,年龄结构也可以看做是尺度结构的特殊情况而被包含进去。除了包含的情况更多更广泛以外,在具体的建模过程中,实际数据的获得也较为方便,这给现实实验提供了可能和便利。再者,尺度在描述种群的演化以及经济资源方面具有明显的优势。  鉴于尺度结构模型较之年龄结构的先进性和广泛性,本文考虑的是尺度结构模型。从两个方面对其进行研究。一是研究其动力学性态(如解的存在性、唯一性、非负性、有界性、稳定性、解对模型参数的连续依赖性,渐近性等)。二是研究了涉及多个开发者的资源利用问题。综合应用泛函分析(不动点定理,切锥-法锥理论)、复变函数(Laplace变换和留数理论)、微分方程、积分方程等知识,得到一些理论成果,为模型的实际应用提供了一些科学理论依据。  本文的主要工作有:  在第二章,研究了一类线性的尺度结构种群模型的渐近行为。这主要是因为渐近行为刻画了生物种群在较长时间内的行为演化,对研究生物种群的未来的发展、存亡有重要意义。在第一节建立该模型,并且给出应用于后面的基本假设。在第二节应用特征线法,将偏微分方程转化为常微分方程,由此得到了模型的形式解。在此基础之上,经过推导,最终得到了关于出生率函数的Volterra积分方程。在第三节,利用Bellman引理、复变函数论中的Laplace变换和留数理论等,详细分析了种群出生率函数的渐近行为。最后,第四节给出了种群的长时间行为,并且得出种群的渐近行为依赖于一个重要参数——种群内禀增长率。  在第三章,考虑一个资源开发的动态博弈问题,资源模型是一个线性的尺度结构模型,博弈双方为追求利益最大化的经济人。此问题是种群建模理论和现实经济问题相结合而产生的,是生物数学理论在现实中的应用,很值得研究。在本章的第一节,提出被开发种群的数学模型,且给出了为后续讨论作出的基本假设。在第二节,主要证明了解关于开发策略的连续性,首先是将原来的模型变形,然后给出其形式解。然后定义种群出生率函数,并且推导出其Volterra积分方程,最后,应用Gronwall不等式证明了模型的解关于策略变量的连续依赖性。在第三节,主要得出了纳什均衡具有Bang-Bang结构。首先是推导出原来系统的共轭系统,然后运用切锥-法锥理论,对最优策略所满足的条件进行讨论,然后重新定义变量和积分推导,最终得到了纳什均衡的结构。在第四节,将原来的两个竞争者扩展到有限个,并且详细给出了资源模型和博弈模型,最终还给出了在有限个竞争者的情况下,博弈问题的纳什均衡。
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