環境毒素對生物種群影響的隨機延遲微分方程模型分析

于輝，襲楊，李艷鳳，李欣，朱桂英

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環境毒素對生物種群影響的隨機延遲微分方程模型分析

于輝，襲楊，李艷鳳，李欣，朱桂英

（黑龍江八一農墾大學 理學院，黑龍江 大慶 163319）

在環境毒素對生物種群影響的經典模型基礎上，引入布朗運動模擬客觀存在的隨機干擾因素，且考慮到延遲因素，從而構造了環境毒素對生物種群影響的隨機延遲微分方程模型，并證明了該模型全局正解的存在性、隨機有界性和漸近性質．

環境毒素；生物種群；隨機微分方程；延遲

隨著全球環境污染的加劇和環保意識的提高，通過建立數學模型的方法研究空氣污染對生物種群的影響成為生物數學研究的一個重要內容[1]．關于環境毒素對生物種群影響模型的研究取得了一定的進展[2-5]，文獻[6-9]研究環境毒素對關系密切的2個生物種群影響模型，文獻[10]建立了工業污染背景下物種的生存狀況模型，文獻[11-12]研究了維被污染生態系統模型．檢索現有文獻發現，研究環境毒素對生物種群影響的模型都是確定性的微分方程．

事實上，在生態系統的進化發展過程中，各種形式的隨機干擾無處不在，如空氣相對濕度、大氣壓、風速、空氣逆溫層、日照、生活及工業廢氣排放量、植被吸附能力等隨機因素的變化都會影響到霧霾的濃度、狀態、危害性等各方面的不確定性變化以及生物種群的免疫力、出生率和死亡率等不可預期性結果[13]．

這些因素在現有技術條件下無法控制，不可忽略且具有隨機變化性，該類隨機變化的干擾因素綜合起來可看成是環境白噪聲（即環境中各種細小噪音干擾的綜合．由大數定律可知，這些常見的各種細小噪音干擾的綜合將會服從正態分布，這種噪音被稱為白噪聲．理想的白噪聲在數學中是不存在的，對白噪聲最好的近似就是用布朗運動或者維納過程的形式導數來進行模擬）．研究表明，環境白噪聲會不同程度地影響到增長率、環境容納量、競爭系數和其它系統參數[14-17]，而且生物種群個體數目往往也沒有達到近似看成確定性系統的要求，研究過程中若忽略這些隨機因素的作用，可能會產生較大的偏差，生態系統中的隨機波動是明顯而不容忽視的．因此，有必要在確定性微分方程模型的基礎上引入布朗運動模擬的環境白噪聲．通常情況下，環境中砷、鉛和汞等重金屬毒素進入生物種群后，只有經歷積累、化合作用等過程之后，其危害性才得以體現[18-20]．這在時間上有一定的延遲量[21-24]，因而生物種群的生理指標及癥狀不僅依賴于當前時刻的狀態，而且依賴于過去某個時刻的狀態或者某個時間段內的狀態．

本文在空氣污染的背景下，從隨機和延遲角度拓展并深化原有生物模型，建立環境毒素對生物種群影響的隨機延遲微分方程模型，并研究所建立模型的隨機動力學性質．

1環境毒素對生物種群影響的模型

模型方程（1）的矩陣形式為

2全局正解的存在唯一性

將式（6）代入式（5），有

3隨機有界性

定義[26]任取和初始函數，如果存在正數，使得方程（1）的解滿足

則稱方程（1）具有隨機有界性．

其中：

這里

由式（12）可知

4隨機漸近性

定理1~3表明，所建立的環境毒素對生物種群影響的模型（1）具有一定的理論可行性．

5結束語

在環境毒素對生物種群影響的確定性模型基礎上，從隨機和延遲角度拓展并深化原有生物模型，建立環境毒素對生物種群影響的隨機延遲微分方程模型，并研究了所建立模型的全局正解存在性、隨機有界性和漸近性質，從而表明了該模型的理論可行性．該類模型既體現了環境毒素對生物種群影響的主導因素又包容了隨機因素的影響和客觀存在的延遲因素，進一步描述了環境毒素對生物種群的影響，期望為環境污染的治理提供更合理、更接近實際狀況的理論依據．

數學模型的發展過程是一個逐漸客觀地接近事物真相的過程，隨著環境污染治理技術和相關學科理論的發展，關于環境毒素對生物種群影響的數學模型的建立及其性質的探索和研究將有很大的空間．

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技計劃項目（szdfy-2015-48）——環境毒素對生物種群影響的隨機模型研究；大慶哲學社會科學規劃研究項目——大慶產業轉型模式的分析及其隨機模型的構建

Model analysis of stochastic delay differential equations for the effect of environmental toxin to species population

YU Hui，XI Yang，LI Yan-feng，LI Xin，ZHU Gui-ying

（School of Science，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319，China）

On the basis of the classical models of the effect of environmental toxin to species population，the model of stochastic delay differential equations for the effect of environmental toxin to species population was constructed in the presence of Brown motion to simulate the objective stochastic factors and in consideration of the delay．The existence of the global positive solutions，stochastic boundedness and the asymptotic property was then given for such model．

environmental toxin；species population；stochastic differential equation；delay

O211.63∶Q-332

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2016.03.002

2015-12-01

黑龍江八一農墾大學學成、引進人才科研啟動計劃項目（XDB2014-16）——隨機微分方程的數值解法及其應用；大慶市指導性科

于輝（1979-），女，山東鄆城人，講師，博士，從事隨機微分方程研究．E-mail：yuhui163@163.com