四种群食物网模型的分岔和混沌动力学研究

论文摘要

食物网系统的复杂动力学行为是种群动力学研究的前沿话题之一,它对于揭示食物网动力系统中种群随时间的演变规律具有重要的意义。本文针对Beddington-DeAngelis 型、Holling-II 型和 Leslie-Gower 型三类四种群食物网系统进行了动力学复杂性研究,通过稳定性、Hopf分岔、Hopf-Hopf分岔、倍周期分岔等理论分析以及相应的数值模拟,揭示出食物网系统丰富的复杂动力学以及动力学转变行为。主要研究结果如下:（1）对Beddington-DeAngelis型四种群食物链系统的研究表明:系统可产生Hopf分岔、倍周期分岔和混沌等复杂动力学行为。Hopf分岔可导致系统产生周期振荡行为,而倍周期分岔则使得周期加倍,并且引发倍周期级联和通往混沌的路径;在混沌区域,发现了 5、6、7、18、25、27、29等突发性周期窗口,以及周期窗口中的次级倍周期分岔、半周期分岔和阵发性混沌;当系统离开混沌区域时,通过半周期级联逐渐由多周期过渡到单周期行为。当系统参数发生改变时,以上动力学行为可呈现出复杂的转变现象,呈现了食物链系统的动力学复杂性。（2）在Holling-II型四种群食物网动力系统中,当满足共存平衡点稳定性条件和Hopf分岔定理时,系统产生了 Hopf分岔行为,由Hopf分岔可以引起稳定平衡状态向周期震荡状态的转变,这就表明种群的动态行为由稳定平衡突变为周期震荡状态;当满足Hopf-Hopf分岔定理时,系统产生了 Hopf-Hopf分岔,由Hopf-Hopf分岔可以引起周期震荡向拟周期震荡和不变环等非线性行为的转变,进一步表明种群的动态行为由周期震荡突变为拟周期震荡;当系统产生倍周期分岔时,系统的周期开始成倍的增加直至进入混沌状态,最后又由混沌状态退化为周期震荡状态。这些动力学行为表明,食物网动力系统中存在不同类型的分岔,这些分岔的产生揭示了种群随时间演化和外界参数条件变化的分布规律,对于预测食物网的动态平衡提供了一定的理论参考。（3）在Leslie-Gower型四种群食物网动力系统中,当满足共存平衡点的稳定性条件时,种群间趋于稳定共存状态,并在长时间行为下种群密度趋于稳定值。当满足Hopf-Hopf分岔定理时,系统产生Hopf-Hopf分岔行为,其动力学行为由稳定的极限环转变成稳定的环面,在Poincare映射图中则表现为由一个点到极限环的转变。在此基础上,选择了不同的参数作为分岔参数,发现随着分岔参数的不同,系统产生分岔的方向也不同。此外,随着分岔参数的变化,倍周期分岔产生的混沌和阵发性混沌能够同时出现导致复杂动力学行为之间的转变,这也就解释了食物网系统随参数条件的变化可能表现出复杂动力学行为之间的转变。（4）分岔行为可以改变食物网系统的全局拓扑行为。与其它分岔类型（Hopf分岔、倍周期分岔）不同的是,食物网系统的Hopf-Hopf分岔不仅能改变系统稳定态的性态,而且会引导食物网系统产生新的复杂吸引态,如拟周期震荡、混沌震荡等。食物网系统的这种全局性态的改变具有较强的规律性,当发生Hopf-Hopf分岔时,食物网系统会从周期震荡状态出发,经历分岔临界点之后,周期震荡状态将失去其周期性,食物网系统将进入拟周期震荡状态;对于Hopf分岔来讲,系统经历Hopf分岔点之后,稳定平衡状态将被打破,系统将进入周期震荡状态;对于倍周期分岔来讲,系统将进入周期加倍的震荡状态。而且,经过吸引态的不断演化,系统最终将进入混沌震荡状态,从而引起了系统动力学行为的不可预测性。然而,食物网系统进入混沌震荡态期间,可能会不时的回归周期震荡态,即混沌区域中出现的周期窗口。进一步表明四种群食物网系统的动力学行为比三种群食物网系统的动力学行为复杂的多,主要表现出现了三种群食物网系统不曾出现过的动力学行为,即阵发性混沌、Hopf-Hopf分岔等行为。此外,在相同的参数条件下,将四种群食物网中的某一种群移除之后,剩下的三种群食物网的动力学复杂性会降低,这进一步表明了四种群食物网系统的动力学行为更加复杂。因此,Hopf分岔、Hopf-Hopf分岔、倍周期分岔和半周期分岔引发的混沌以及阵发性混沌等的形成机制,是理解食物网动力学复杂性和稳定性的关键。本文基于 Beddington-DeAngelis 型、Holling-II 型和 Leslie-Gower 型研究了四种群食物网系统的动力学复杂性,探索了食物网动力系统中不同分岔引发的复杂动力学行为的形成和转变,揭示了食物网动力系统中分岔形成和混沌演化的共性规律,促进了对食物网动力系统中产生分岔和混沌的理解,这为预测食物网系统的复杂动力学行为提供了理论基础。

论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 康举

导师: 张化永

关键词: 食物网系统,分岔,倍周期分岔,混沌,复杂动力学行

来源: 华北电力大学(北京)

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 数学,生物学

单位: 华北电力大学(北京)

分类号: Q148;O175

DOI: 10.27140/d.cnki.ghbbu.2019.001330

总页数: 129

文件大小: 9053K

下载量: 61

相关论文文献

• [1].双参数平面上Duffing系统TLE的计算与分岔分析[J]. 机械科学与技术 2017(09)
• [2].蔡氏电路中模拟电感的容差分析[J]. 物理实验 2011(05)
• [3].地震检波系统的分岔与混沌演化过程研究及其控制[J]. 机械科学与技术 2011(04)
• [4].Duffing系统在双参数平面上的分岔演化过程[J]. 应用数学和力学 2018(03)
• [5].网络考试信息的交互调度模型仿真分析[J]. 计算机仿真 2016(06)
• [6].高维强非线性隔振系统谐波及分岔分析[J]. 振动与冲击 2016(11)
• [7].金融混沌创新监管分析[J]. 企业家天地(下半月刊) 2014(01)
• [8].费根鲍姆常数的实验测量[J]. 物理实验 2008(05)
• [9].一类具有食物偏好的三种群生物模型的动力学分析[J]. 兰州交通大学学报 2014(03)
• [10].外激励作用下弹性支撑浅拱的非线性动力学分析[J]. 固体力学学报 2014(04)
• [11].一类离散动力系统的混沌研究[J]. 昆明理工大学学报(理工版) 2009(04)
• [12].开关变换器倍周期分岔精细层次结构及其普适常数研究[J]. 物理学报 2008(05)
• [13].一类忆阻神经元的电活动多模振荡及Hamilton能量反馈控制[J]. 力学学报 2020(04)
• [14].环形耦合Duffing振子间的同步突变[J]. 物理学报 2011(02)
• [15].非线性KP-BBM方程行波解的动态分析[J]. 北京化工大学学报(自然科学版) 2014(04)
• [16].Rossler系统可视化分析[J]. 中国西部科技 2008(29)
• [17].复摆强迫振动中的混沌研究[J]. 商丘师范学院学报 2010(03)
• [18].Boost变换器混沌现象研究[J]. 数字技术与应用 2010(10)
• [19].杜芬方程混沌和分岔可视化研究[J]. 科技创新导报 2008(27)
• [20].一类三次方对称离散混沌系统的分岔控制[J]. 物理学报 2013(04)
• [21].空气阻力对完全非弹性蹦球动力学行为的影响[J]. 物理学报 2012(24)
• [22].周向拉杆转子系统非线性动力行为及稳定性[J]. 机械工程学报 2011(23)
• [23].一个离散混沌系统的动力学性质[J]. 桂林理工大学学报 2010(02)
• [24].一类磁性刚体航天器的混沌控制研究[J]. 动力学与控制学报 2019(02)
• [25].Henon系统动力学行为的MATLAB仿真研究[J]. 商丘师范学院学报 2011(03)
• [26].Jerk系统耦合的分岔和混沌行为[J]. 物理学报 2010(11)
• [27].完全非弹性蹦球倍周期运动的分形特征[J]. 物理学报 2009(11)
• [28].二维调制耦合系统的动力学分析[J]. 杭州电子科技大学学报(自然科学版) 2020(05)
• [29].两个自由度Duffing系统的分岔及混沌分析[J]. 重庆理工大学学报(自然科学) 2015(10)
• [30].一个新混沌纠缠系统的构造及动力学分析[J]. 河北师范大学学报(自然科学版) 2014(03)

标签：食物网系统论文;  分岔论文;  倍周期分岔论文;  混沌论文;  复杂动力学行论文;