On the Free Boundary Problem for the Predator-Prey Model



Download 244 Kb.
Pdf ko'rish
Sana01.01.2022
Hajmi244 Kb.
#303121
Bog'liq
Innopolis University Alimardon 21



On the Free Boundary Problem for the

Predator-Prey Model

Journal of Physics:

Conference Series

A.

 

Elmurodov,



Institute

 

of



 

Mathematics,

 

Tashkent,



 

Uzbekistan

 

100174,


 

Tashkent


 

city,


 

Olmazor


 

district,

 

University



 

46th


 

Street,


E-mail:

 

 



elmurodov8111@mail.ru,

Abstract.

In this article, we investigate the free boundary problem for the classical predator-

prey model with double free boundaries. This system mimics the spread of invasive or new

predator species, in which free boundaries represent the expanding fronts of predator species and

are described by the Stefan condition. For this system, the existence and uniqueness of solutions

is checked, and the behavior of positive solutions is also considered. A priori estimates for the

required functions are established. For this model, the dichotomy of spread and disappearance

has been proven.

Free boundary; Biological invasions; Predator-prey; Spreading-vanishing dichotomy.

1. Introduction

Migration

 

of

 



a

 

new



 

or

 



invasive

 

species



 

is

 



one

 

of



 

the


 

most


 

important

 

topics


 

in

 



mathematical

 

ecology.



 

Many


 

mathematicians

 

have


 

tried


 

to

 



develop

 

various



 

invasion


 

models


 

and


 

investigate

 

them


 

from


 

the


 

point


 

of

 



view

 

of



 

mathematical

 

ecology.


 

For


 

example,


 

in

 



[1-2],

 

population



 

models


 

with


 

a

 



free

 

reaction-diffusion



 

boundary


 

are


 

proposed


 

in

 



order

 

to



 

understand

 

the


 

process


 

of

 



creating

 

a



 

new


 

or

 



invasive

 

population.



 

In

 



fact,

 

the



 

spatial


 

distribution

 

of

 



prey

 

and



 

predator


 

is

 



not

 

uniform



 

within


 

a

 



fixed

 

bounded



 

areal,


 

so

 



it

 

is



 

more


 

realistic

 

to

 



introduce

 

reaction-diffusion



 

equations

 

to

 



describe

 

the



 

spatial


 

distribution

 

of

 



each

 

species.



 

H.W.


 

Yin


 

et

 



al.

 

Investigated



 

a

 



modified

 

Leslie-Gower



 

predator-prey

 

model


 

with


 

Crowley-Martin

 

functional



 

response


 

and


 

spatial


 

diffusion

 

under


 

uniform


 

Neumann


 

boundary


 

conditions

 

[3].


 

They


 

obtained


 

the


 

existence

 

of

 



a

 

global



 

positive


 

solution,

 

as

 



well

 

as



 

local


 

and


 

global


 

asymptotic

 

stability



 

of

 



constant

 

equilibria.



 

In

 



addition,

 

they



 

found


 

the


 

presence


 

and


 

absence


 

of

 



intermittent

 

positive



 

stable


 

states.


Our main goal is to investigate the long-term behavior of a predator-prey model with a

Leslie-Gower free boundary. In this article, we consider the following model:

To find functions

u

(



t, x

),

v



(

t, x


),

s

(



t

),

h



(

t

) in the domain (



D

Q



)

Q

=



{

(

t, x



) : 0

< t

T,



L < x < L

}

, D


=

{

(



t, x

) : 0


< t

T, h



(

t

)



< x < s

(

t



)

}

satisfying the conditions



u

t



u

xx



c

1

u



x

=

u



(1

u



)

v



u

u

+



m

,

(



t, x

)



Q,

(1)


v

t



dv

xx



c

2

v



x

=

kv



1

bv



u

+

a



,

(

t, x



)

D,



(2)


u

(0

, x



) =

u

0



(

x

)



,

L



x



L,

(3)


v

(0

, x



) =

v

0



(

x

)



,

s



0

x



s

0



,

(4)


u

x

(



t,

L



) =

u

(



t, L

) = 0


,

t >


0

,

(5)



v

(

t, h



(

t

)) =



v

(

t, s



(

t

)) = 0



t >

0

,



(6)

˙

s



(

t

) =



µv

x



(

t, s


(

t

))



,

t >


0

,

(7)



˙

h

(



t

) =


µv

x



(

t, h


(

t

))



,

t >


0

.

(8)



where - free (unknown) boundaries

h

(



t

)

, s



(

t

)



,

which represent the front of propagation, is

determined together with the functions

u

(



t, x

),

v



(

t, x


);

d



diffusion coefficient,

s

0



,

L

,



µ

,

m



,

c

i



(

i

= 1



,

2),


a

and


b

- are positive constants.

The initial data (

u

0



, v

0

) satisfy:



i. u


0

(

x



)

C



2+

α

[



L, L


]

, u


0

(



L

) = 0


, u

0

(



L

) = 0; 0


< u

0

(



x

)

< M

1

,



L

x



L

;



ii. v


0

(

x



)

C



2+

α

[



s

0



, s

0

]



, v

0

(



s

0



) = 0

, v


0

(

s



0

) = 0; 0


< v

0

(



x

)

< M

2

,



s

0



x

s



0

.

Here and in what follows,



M

will denote constants depending on the data of the problem. A

similar problem was studied in [4].

2. A priori estimates

In this section, we establish some a priori estimates of Schauder type that will be used to

prove the global solvability of the problem. At the same time, the principles of maximum and

comparison theorems are widely accepted.

There are various methods for obtaining a priori estimates. In this paper, we will apply the

method of obtaining a priori estimates proposed by S.N. Kruzhkov [5]. Therefore, we will adhere

to the notation adopted in [5].

Lemma 1.

Let


u

(

t, x



)

, v


(

t, x


)

, s


(

t

) be a solution to problem (1) - (8). Then



0

< u

(

t, x



)

M



1

,

t >



0

,

¯



Q,

0

< v

(

t, x


)

M



2

,

t >



0

,

¯



D,

0

<

˙

s

(



t

)



M

3

,



0

<

˙

h



(

t

)



M

4



,

t >


0

,

where



M

3

,



M

4

are constants depending on



µ,

d,

k,



M

1

,



M

2

.



We will establish H¨

older norm bounds

| · |

1+

α



and

| · |


2+

α

in ¯



D

and ¯


Q

.

For each equation of the system, we formulate the corresponding problem





u

xx

+



b

1

(



u, v, u

x

)



u

t



= 0

,

Q,



u

(0

, x



) =

u

0



(

x

)



,

L



x



L,

u

x



(

t,



L

) =


u

(

t, L



) = 0

,

0



t



T,

(9)










dv

xx



+

b

2



(

u, v, v


x

)



v

t

= 0



,

D,

v



(0

, x


) =

v

0



(

x

)



,

s



0

x



s

0



,

v

(



t, h

(

t



)) =

v

(



t, s

(

t



)) = 0

,

0



t



T,

˙

s



(

t

) =



µv

x



(

t, s


(

t

))



,

0



t

T,



˙

h

(



t

) =


µv

x



(

t, h


(

t

))



,

0



t

T,



(10)

where


b

1

(



u, v, u

x

) =



c

1

u



x

+

u



(1

u



)

v



u

u

+



m

, b


2

(

u, v, v



x

) =


c

2

v



x

+

kv



1

bv



u

+

a



.

Theorem 2.

Assume that

u

(



t, x

)

, u



x

(

t, x



) are continuous in

Q

T



and suppose that

u

(



x, t

)

is a solution for the problem (9). Then



|

u

x



(

t, x


)

| ≤


C

1

(



M

1

)



,

(

t, x



)

¯



Q

T

.



(11)


Moreover, if the weak second derivatives

u

xx



, u

tx

are in



L

2

(



Q

T

), then there exists



α

=

α



(

M

1



, s

), such that

|

u

|



1+

α,Q


T

C



2

(

M



1

, C


1

)

.



(12)

Additionally, assume that,

u

(

t, x



) satisfying (9) in ¯

Q

T



, is continuous with its derivatives

u

t



, u

x

, u



xx

and


|

u

|



2+

α,

¯



Q

T

<

.

Then



|

u

|



2+

α,

¯



Q

T



C

3

(



M

1

, C



1

, C


2

)

.



(13)

Proof:


The estimates (11)-(13) for (

t, x


)

Q



are immediate consequences of the results

of [5].


In the case of problem (10), a priori estimates are constructed as follows. Estimates in

the interior of the domain are established as in the case of problem (9). Further, replacing

τ

=

t, y



=

2

x



s

(

τ



)

h



(

τ

)



s

(



τ

)+

h



(

τ

)



s

(

τ



)

h



(

τ

)



, we straighten out the boundary. Then domain

D

T



is mapped to

domain Ω =

{

(

τ, y



) : 0

< τ < T,

1



< y <

1

}



and for the function

w

(



τ, y

) =


v

(

τ, u, s



(

τ

)



, h

(

τ



)),

we obtain an equation with bounded coefficients and the right-hand side. By the results of

[5], we establish estimates for

|

w



y

|

,



|

w

|



1+

γ

up to the right boundary. Estimates for the highest



derivatives are obtained from the results for linear equations [6].

Now let us prove that the free boundaries do not cross the lateral boundaries in the considered

time interval. First, we get a new representation for the free boundary. Integrating (2) over

D

,



we obtain

t

Z



0

s



(

η

)



Z

0

"



dv

ξ

+



1

2

m



2

v

2



ξ

v



η

#



+

k

t



Z

0



s

(

η



)

Z

0



v

1



bv

u

+



a

= 0



.

We get


d

µ

(



s

(

t



)

h



(

t

)) =



s

0

Z



s

0



v

0

(



ξ

)



s

(



t

)

Z



h

(

t



)

v

(



t, ξ

)



+

k

t



Z

0



s

(

η



)

Z



h

(

η



)

v

1



bv

u



+

a

dξ.



(14)

Theorem 3.

Let

u

(



t, x

),

v



(

t, x


),

s

(



t

),

h



(

t

) be a solution to (1)-(8). Then



g

(

t



)

< L,

where


g

(

t



) =

|

s



(

t

)



h

(



t

)

|



>

0.

Proof:



We use relation (9):

d

µ



g

(

t



) +

s

(



t

)

Z



h

(

t



)

v

(



t, ξ

)



k

t



Z

0



s

(

η



)

Z

h



(

η

)



v

1



bv

u

+



a

=



s

0

Z



s

0



v

0

(



ξ

)

dξ.



Where

d

µ



g

(

t



)

k



t

Z

0



s

(



η

)

Z



0

v

(



η, ξ

)



K,

where



K

=

s



0

R



s

0

v



0

(

ξ



)

.



In the same way, taking into account the inequalities 0

s



(

η

)



R

h

(



η

)

v



(

η, ξ


)



M

2

(



s

(

η



)

h



(

η

))



,

d

µ



g

(

t



)

kM



2

t

Z



0

g

(



η

)



K,



we have

g

(



t

)



m

+

n



t

Z

0



g

(

η



)

dη,


where

m

=



µK

d

, n



=

kµM


2

d

.



Then

g

(



t

) =


me

nt

< L,

0

< t

T



=

1

n



ln

L

m



.

Theorem 3 is proved.

Lemma 4. (Comparison principle)

Let


u

(

t, x



),

v

(



t, x

),

s



(

t

),



h

(

t



)) - be a solution to

problem (1) - (8) with initial data (

u

0

(



x

),

v



0

(

x



)).

a)

Suppose that (



w

(

t, x



),

z

1



(

t

),



δ

1

(



t

)) satisfies









w

t



dw

xx



c

2

w



x

kw



(1

bw



a

)

,



t >

0

,



δ

1

(



t

)

< x < z

1

(

t



)

,

w



(

t, z


1

(

t



)) = 0

, w


(

t, δ


1

(

t



)) = 0

,

t >



0

,

˙



z

1

(



t

)

≥ −



µw

x

(



t, z

1

(



t

))

,



t >

0

.



˙

δ

1



(

t

)



≤ −

µw

x



(

t, δ


1

(

t



))

,

t >



0

.

If



w

(0

, x



)

v



0

(

x



) in [

L, L



] and

z

1



(0)

s



(0)

,

δ



1

(0)


h

(0)



,

then


z

1



(

t

)



s

(



t

)

δ



1

(

t



)

h



(

t

)



for

t



0

,



w

(

t, x



)

v



(

t, x


) for

x



[

h

(



t

)

, s



(

t

)]



.

b)

Suppose that (



ϑ

(

t, x



)

, z


2

(

t



)

, δ


2

(

t



)) satisfies





ϑ

t



xx



c

2

ϑ



x



(1



M

1

+



a

)

t >



0

δ

2



(

t

)



< x < z

2

(



t

)

,



ϑ

(

t, δ



2

(

t



)) = 0

, ϑ


(

t, z


2

(

t



)) = 0

,

t >



0

,

z



2

(

t



)

≤ −


µϑ

x

(



t, z

2

(



t

))

,



δ

2

(



t

)

≥ −



µϑ

x

(



t, δ

2

(



t

))

, t >



0

.

If



ϑ

(0

, x



)

v



0

(

x



) in [

L, L



],

z

2



(0)

s



(0)

,

δ



2

(0)


h

(0)



,

then


z

2



(

t

)



s

(



t

)

δ



2

(

t



)

h



(

t

)



for

t



0.

ϑ



(

t, x


)

v



(

t, x


) for

x



[

h

(



t

)

, s



(

t

)]



.

3. Some qualitative properties of solutions

Theorem 5.

Let


u

(

t, x



),

v

(



t, x

),

s



(

t

),



h

(

t



) be a solution to problem (1) - (8). If

s



> L

,

then



lim

t



+

sup u



(

t, x


)

¯



u

(

x



);

lim


t

+



sup u


(

t, x


)

u



(

x

);



lim

t



+

sup v



(

t, x


)

¯



v

(

x



);

lim


t

+



sup v


(

t, x


)

v



(

x

)



.

where ¯


u

(

x



),

u

(



x

), ¯


v

(

x



),

v

(



x

) upper and lower solutions to the problem.

Theorem 6.

Let


u

(

t, x



),

v

(



t, x

),

s



(

t

),



h

(

t



) be a solution to problem (1) - (8). If

s



< L

,

then lim



t

+



sup u


(

t,

·



)

¯



u

(

x



) for

x



[

L, L



] and lim

t



+

sup



k

v

(



t,

·

)



k

C

[



h

(

t



)

,s

(



t

)]

= 0



.


4. Uniqueness and existence of a solution

Let’s use the representations for the unknown boundary (14).

Theorem 7.

Let conditions

i.

-

ii



hold., Lemma 1 and Theorem 2. Then the solution to

problem (1) - (8) is unique.

Proof:

We first establish the result for smaller values of



t

, and then extend the proof to the

general case of 0

< t <

.



Assume that

s

1



(

t

)



, h

1

(



t

)

, u



1

(

x, t



)

, v


1

(

x, t



) and

s

2



(

t

)



, h

2

(



t

)

, u



2

(

x, t



)

, v


2

(

x, t



) are the solutions of

the problem (14) and let

y

1

(



t

) = max(


h

1

(



t

)

, h



2

(

t



))

,

y



2

(

t



) = min(

h

1



(

t

)



, h

2

(



t

))

,



z

1

(



t

) = max(


s

1

(



t

)

, s



2

(

t



))

,

z



2

(

t



) = min(

s

1



(

t

)



, s

2

(



t

))

.



Then each pair satisfies the identity (14).

Subtracting, we obtain that

d

µ

(



g

1

(



t

)



g

2

(



t

))



(

h

1



(

t

)



h

2



(

t

))



z

2



(

t

)



Z

y

1



(

t

)



(

v

1



(

t, ξ


)

v



2

(

t, ξ



))

+



y

1

(



t

)

Z



y

2

(



t

)

v



i

(

ξ, t



)

+



µ

z

1



(

t

)



Z

z

2



(

t

)



v

i

(



ξ, t

)



+

+

t



Z

0



z

2

(



η

)

Z



y

1

(



η

)

(



f

(

u



1

, v


1

)



f

(

u



2

, v


2

))



+

t

Z



0

z



1

(

η



)

Z

z



2

(

η



)

f

(



u

i

, v



i

)



+

t

Z



0

y



1

(

η



)

Z

y



2

(

η



)

f

(



u

i

, v



i

)

dξ,



(15)

where


f

(

u



i

, v


i

) =


v

i

1



bv

i



u

i

+



a

are the solution between

y

i

(



t

) and


z

i

(



t

)(

i



= 1

,

2), i..,



(

u

i



(

t, x


)

, v


i

(

t, x



)) =

(

u



1

(

t, x



)

, v


1

(

t, x



))

,

h



2

, s


2

< h

1

, s



1

,

(



u

2

(



t, x

)

, v



2

(

t, x



))

,

h



2

, s


2

> h


1

, s


1

.

From Lemma 1, we have that



|

v

1



(

t, y


1

(

t



))

v



2

(

t, y



1

(

t



))

| ≤


M

5

|



h

1

(



t

)



h

2

(



t

)

|



,

|

v



1

(

t, z



2

(

t



))

v



2

(

t, z



2

(

t



))

| ≤


M

5

|



s

1

(



t

)



s

2

(



t

)

|



,

where


M

5

= max



D

|

v



x

(

t, x



)

|

.



Considering the difference

U

(



t, x

) =


u

1

(



t, x

)



u

2

(



t, x

),

V



(

t, x


) =

v

1



(

t, x


)

v



2

(

t, x



), we obtain

an equation with bounded coefficients and the problems





U

t



U

xx



c

1

U



x

d



1

(

·



)

U

=



F

1

(



·

)

V, Q,



U

(0

, x



) = 0

,



L

x



L,

U



x

(

t,



L

) =



U

(

t, L



) = 0

,

0



t



T,

(16)








V



t

dV



xx

c

2



(

·

)



V

x



d

1

(



·

)

V



=

F

2



(

·

)



U, D,

V

(0



, x

) = 0


,

s



0

x



s

0



, ,

V

(



t, y

2

(



t

))



M

7

max



0

η



t

|



h

1

(



η

)



h

2

(



η

)

|



,

0



t

T,



V

(

t, z



2

(

t



))

M



7

max


0

η



t

|



s

1

(



η

)



s

2

(



η

)

|



,

0



t

T,



(17)

where


b

i

, c



i

,

F



i

(

i



= 1

,

2) limited and continuous functions.



From the problem (16), (17), by the maximum principle, we find the estimates

|

U



(

t, x


)

| ≤


N

3

max



Q

|

V



(

t, x


)

|

,



|

V

(



t, x

)

| ≤



N

4

max



0

η



t

|



s

1

(



η

)



s

2

(



η

)

|



+ max

0



η

t



|

h

1



(

η

)



h

2



(

η

)



|

+

N



4

max


Q

|

U



(

t, x


)

|

.




By virtue of the established estimates for the functions

u

(



t, x

),

v



(

t, x


),

s

(



t

),

h



(

t

) can evaluate



members from (15).

Further, using the ideas and results of [7], the proof of the theorem is completed.

Theorem 8.

Let the conditions of Lemma 1 and Theorems 5 be satisfied. Then there exists

a solution

u

(



x, t

)



C

2+

γ



¯

D

T



,

v

(



x, t

)



C

2+

γ



¯

Q

T



,

s

(



t

)



C

1+

γ



([0

, T


]),

h

(



t

)



C

1+

γ



([0

, T


]) of

problem (1) - (8).

To prove the existence of a solution to problem (1) - (8), we use the Leray Schauder theorem

[6].


References

[1] Wang, MX: The diffusive logistic equation with a free boundary and sign-changing coefficient. J. Differ. Equ.

258,1252-1266 (2015)

[2] Du, Y, Matsuzawa, H, Zhou, M: Sprading speed and profile for nonlinear Stefan problems in high space

dimensions.J. Math. Pures Appl. 103(2015), 741-787.

[3] H.W. Yin, et al. Pattern analysis of a modified LeslieGower predatorprey model with CrowleyMartin functional

response and diffusion, Comput. Math. Appl. 67 (8) (2014) 1607621.

[4] Liu Y. et al. Biological invasion in a predatorprey model with a free boundary. Liu et al. Boundary Value

Problems (2019) 2019:33 https://doi.org/10.1186/s13661-019-1147-7

[5] Kruzhkov S. N., Nonlinear parabolic equations with two independent variables // Transaction of the Moscow

Mathematical Society. 1967, v.16,pp. 329 - 346

[6] Ladyzenskaya, O.A., Solonnikov, V.A., Uralceva, N.N.: Linear and Quasi-linear Equations of Parabolic Type,

Translations of Mathematical Monographs, Vol. 23, AMS, Providence, RI (1988).

[7] Takhirov J.O., Rasulov M.S. Problem with Free Boundary for Systems of Equations of Reaction-Diffusion



Type, Ukrainian Math.J. (2018), 69(12), pp. 1968–1980.

Download 244 Kb.

Do'stlaringiz bilan baham:




Ma'lumotlar bazasi mualliflik huquqi bilan himoyalangan ©hozir.org 2024
ma'muriyatiga murojaat qiling

kiriting | ro'yxatdan o'tish
    Bosh sahifa
юртда тантана
Боғда битган
Бугун юртда
Эшитганлар жилманглар
Эшитмадим деманглар
битган бодомлар
Yangiariq tumani
qitish marakazi
Raqamli texnologiyalar
ilishida muhokamadan
tasdiqqa tavsiya
tavsiya etilgan
iqtisodiyot kafedrasi
steiermarkischen landesregierung
asarlaringizni yuboring
o'zingizning asarlaringizni
Iltimos faqat
faqat o'zingizning
steierm rkischen
landesregierung fachabteilung
rkischen landesregierung
hamshira loyihasi
loyihasi mavsum
faolyatining oqibatlari
asosiy adabiyotlar
fakulteti ahborot
ahborot havfsizligi
havfsizligi kafedrasi
fanidan bo’yicha
fakulteti iqtisodiyot
boshqaruv fakulteti
chiqarishda boshqaruv
ishlab chiqarishda
iqtisodiyot fakultet
multiservis tarmoqlari
fanidan asosiy
Uzbek fanidan
mavzulari potok
asosidagi multiservis
'aliyyil a'ziym
billahil 'aliyyil
illaa billahil
quvvata illaa
falah' deganida
Kompyuter savodxonligi
bo’yicha mustaqil
'alal falah'
Hayya 'alal
'alas soloh
Hayya 'alas
mavsum boyicha


yuklab olish