Майже періодичні розв’язки систем Лотки – Вольтерра з дифузією та нефіксованими моментами імпульсної дії

Встановлено умови iснування та асимптотичної стiйкостi строго додатних кусково-неперервних майже перiодичних розв’язкiв систем диференцiальних рiвнянь Лотки – Вольтерра з дифузiєю та нефiксованими моментами iмпульсної дiї. We study the existence and asymptotic stability of strongly positive piecewis...

Full description

Saved in:
Bibliographic Details
Published in:Нелінійні коливання
Date:2018
Main Authors: Дворник, А.В., Ткаченко, В.І.
Format: Article
Language:Ukrainian
Published: Інститут математики НАН України 2018
Online Access:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/177330
Tags: Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:Майже періодичні розв’язки систем Лотки – Вольтерра з дифузією та нефіксованими моментами імпульсної дії / А.В. Дворник, В.І. Ткаченко // Нелінійні коливання. — 2018. — Т. 21, № 3. — С. 305-322 — Бібліогр.: 23 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1860167395879944192
author Дворник, А.В.
Ткаченко, В.І.
author_facet Дворник, А.В.
Ткаченко, В.І.
citation_txt Майже періодичні розв’язки систем Лотки – Вольтерра з дифузією та нефіксованими моментами імпульсної дії / А.В. Дворник, В.І. Ткаченко // Нелінійні коливання. — 2018. — Т. 21, № 3. — С. 305-322 — Бібліогр.: 23 назв. — укр.
collection DSpace DC
container_title Нелінійні коливання
description Встановлено умови iснування та асимптотичної стiйкостi строго додатних кусково-неперервних майже перiодичних розв’язкiв систем диференцiальних рiвнянь Лотки – Вольтерра з дифузiєю та нефiксованими моментами iмпульсної дiї. We study the existence and asymptotic stability of strongly positive piecewise continuous almost periodic solutions for Lotka – Volterra systems of differential equations with diffusion and non-fixed moments of impulsive action.
first_indexed 2025-12-07T17:56:50Z
format Article
fulltext УДК 517.9 МАЙЖЕ ПЕРIОДИЧНI РОЗВ’ЯЗКИ СИСТЕМ ЛОТКИ–ВОЛЬТЕРРА З ДИФУЗIЄЮ ТА НЕФIКСОВАНИМИМОМЕНТАМИ IМПУЛЬСНОЇ ДIЇ А. В. Дворник, В. I. Ткаченко Iн-т математики НАН України вул. Терещенкiвська, 3, Київ, 01004, Україна e-mail: a.dvornyk@gmail.com vitk@imath.kiev.ua We study the existence and asymptotic stability of strongly positive piecewise continuous almost periodic solutions for Lotka –Volterra systems of differential equations with diffusion and non-fixed moments of impulsive action. Встановлено умови iснування та асимптотичної стiйкостi строго додатних кусково-неперервних майже перiодичних розв’язкiв систем диференцiальних рiвнянь Лотки –Вольтерра з дифузiєю та нефiксованими моментами iмпульсної дiї. 1. Вступ. Розглянемо систему диференцiальних рiвнянь Лотки –Вольтерра з дифузiєю ∂u(t, x) ∂t = µ1∆u(t, x) + u(t, x) (a1(t, x)− b1(t, x)u(t, x)− c1(t, x)v(t, x)) , (1) ∂v(t, x) ∂t = µ2∆v(t, x) + v(t, x) (a2(t, x)− b2(t, x)u(t, x)− c2(t, x)v(t, x)) , (2) x ∈ Ω, t 6= τk ( u(t, .), v(t, .) ) , з крайовими умовами Неймана ∂u(t, x) ∂n ∣∣∣∣ ∂Ω = 0, ∂v(t, x) ∂n ∣∣∣∣ ∂Ω = 0, (3) та iмпульсною дiєю у нефiксованi моменти часу u(t+ 0, x)− u(t, x) = d1ku(t, x) + q1k, (4) v(t+ 0, x)− v(t, x) = d2kv(t, x) + q2k, t = τk ( u(t, .), v(t, .) ) , k ∈ Z, (5) де Ω ⊂ Rn — обмежена область з гладкою границею ∂Ω, Ω̄ = Ω ∪ ∂Ω, ∂/∂n — похiдна вздовж зовнiшньої нормалi, ∆u = ∂2u/∂x2 1 + . . . + ∂2u/∂x2 n. Iмпульсна дiя вiдбувається в моменти часу t = τk ( u(t, .), v(t, .) ) , якi залежать вiд розв’язкiв. Цi моменти рiвномiрно вiддiленi один вiд iншого. Система (1) – (5) описує взаємодiю двох бiологiчних видiв, якi нерiвномiрно розподiленi у просторi i зазнають короткочасного зовнiшнього впливу в моменти часу τk. Функцiї u(t, x) i v(t, x) визначають щiльнiсть двох бiологiчних видiв у момент часу t i просторовiй точцi x. Виходячи з бiологiчної iнтерпретацiї, цi функцiї невiд’ємнi. Додатнi сталi µ1 i µ2 є коефiцiєнтами дифузiї вiдповiдно першого i другого виду. Логiстичнi вирази u(a1 − − b1u) i v(a2− c2v) характеризують вiдтворення першого та другого видiв. Члени c1v i b2u показують гальмiвний вплив другого виду на перший та першого виду на другий вiдповiдно. Зазначимо роботи [1 – 5], присвяченi дослiдженню систем з iмпульсами та дифузiєю, якi описують еволюцiю бiологiчних видiв. © А. В. Дворник, В. I. Ткаченко, 2018 ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2018, т. 21, № 3 305 306 А. В. ДВОРНИК, В. I. ТКАЧЕНКО Усистеми рiвнянь з нефiксованимимоментами iмпульсної дiї розв’язки, якi мають рiзнi початковi значення, мають i рiзнi точки розривiв. Також у таких системах може з’являтися так званий феномен биття: розв’язок може перетинати поверхню t = τk(u, v) кiлька разiв чи навiть нескiнченну кiлькiсть разiв [6, 7]. Останнiм часом активно вивчаються майже перiодичнi розв’язки рiзних класiв систем iз iмпульсною дiєю (див., наприклад, [8 – 16]). Метою даної роботи є знаходження умов iснування та стiйкостi строго додатного кусково-неперервного майже перiодичного розв’язку системи рiвнянь (1) – (5). Ми викори- стовуємо концепцiю кусково-неперервних майже перiодичних функцiй у сенсi робiт [6, 17]. Слiдуючи iдеям робiт [10, 18], поряд iз системою з нефiксованими моментами iмпульсної дiї (1) – (5) ми розглянемо множину систем iз iмпульсною дiєю у фiксованi моменти часу. Для кожної з таких систем у [19] побудовано строго додатнозначнi кусково-неперервнi майже перiодичнi розв’язки. Далi, використовуючи цi майже перiодичнi розв’язки, буде побудовано деяке вiдображення у просторi майже перiодичних послiдовностей зi значен- нями у просторi функцiй, означених на Ω. Нерухома точка цього вiдображення вiдповiдає майже перiодичному розв’язку системи (1) – (5). Також ми дослiдимо стiйкiсть отрима- ного майже перiодичного розв’язку. З робiт [9, 20] будемо використовувати означення стiйкостi для розв’язкiв системи з нефiксованими моментами iмпульсної дiї, де враховано вiдмiннiсть точок розриву рiзних розв’язкiв системи рiвнянь. 2. Основнi означення та попереднi результати. Нехай R та Z — множини дiйсних i цiлих чисел вiдповiдно. Позначимо через ‖.‖ норму в Rn чи вiдповiдну норму в просторi матриць, а через ‖.‖C —норму простору C(Ω̄) неперервних функцiй на Ω̄. Для обмеженої функцiї g(t, x) позначимо gL = inf t,x g(t, x), gM = sup t,x g(t, x). Нехай X — банахiв простiр з нормою ‖.‖X . Будемо розглядати простiр PC(J,X), J ⊂ R, усiх обмежених кусково-неперервних функцiй z : J → X таких, що: а) множина {τj ∈ J : τj+1 > τj , j ∈ Z} моментiв розривiв функцiї z не має скiнченних граничних точок; б) функцiя z(t) є неперервною злiва: z(τj−0) = z(τj), та iснує limt→τj+0 z(t) = z(τj+0). Будемо використовувати норму ‖z‖PC = supt∈J ‖z(t)‖X у просторi PC(J,X). Означення 1. Цiле число p називається ε-майже перiодом послiдовностi {xk}, xk ∈ X, якщо ‖xk+p − xk‖X < ε (6) для всiх k ∈ Z. Послiдовнiсть {xk} називається майже перiодичною, якщо для кожного ε > 0 iснує вiдносно щiльна множина її ε-майже перiодiв, тобто для кожного ε > 0 iснує l > 0 таке, що на кожному iнтервалi дiйсної осi довжини l iснує цiле число p, яке задовольняє (6) для всiх k ∈ Z. Означення 2. Строго зростаюча послiдовнiсть {τk} дiйсних чисел має рiвномiрно майже перiодичнi послiдовностi рiзниць, якщо для довiльного додатного ε iснує вiдносно щiльна множина ε-майже перiодiв, спiльних для всiх послiдовностей {τ jk}, де τ j k = τk+j − τk, j ∈ Z. Як показано в [21], послiдовнiсть {τk} має рiвномiрно майже перiодичнi послiдовностi рiзниць тодi i тiльки тодi, коли τk = ak + ck, де {ck} — майже перiодична послiдовнiсть, a — додатне число. ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2018, т. 21, № 3 МАЙЖЕ ПЕРIОДИЧНI РОЗВ’ЯЗКИ СИСТЕМ ЛОТКИ–ВОЛЬТЕРРА . . . 307 За лемою 22 з роботи [6, с. 192], для послiдовностi {τj} з рiвномiрно майже перiодич- ними послiдовностями рiзниць iснує границя lim T→∞ i(t, t+ T ) T = q рiвномiрно вiдносно t ∈ R, де i(s, t) — число точок τk з iнтервалу (s, t). Означення 3. Неперервна функцiя ψ : R → X майже перiодична за Бором, якщо для довiльного ε > 0 iснує вiдносно щiльна множина Γ ε-майже перiодiв таких, що коли τ ∈ Γ, тодi ‖ψ(t+ τ)− ψ(t)‖X < ε для всiх t ∈ R. Означення 4 [6]. Функцiя ϕ ∈ PC(R, X) називається w -майже перiодичною, якщо: а) строго зростаюча послiдовнiсть {τk} моментiв розриву функцiї ϕ(t) має рiвномiрно майже перiодичнi послiдовностi рiзниць; б) для довiльного ε > 0 iснує додатне число δ = δ(ε) таке, що колиточки t′ i t′′ належать одному iнтервалу неперервностi та |t′ − t′′| < δ, тодi ‖ϕ(t′)− ϕ(t′′)‖X < ε; в) для довiльного ε > 0 iснує вiдносно щiльна множина Γ ε-майже перiодiв таких, що коли τ ∈ Γ, тодi ‖ϕ(t+ τ)−ϕ(t)‖X < ε для всiх t ∈ R, якi задовольняють умову |t− τk| ≥ ε, k ∈ Z. Будемо розглядати систему (1) – (5) з такими умовами: H1 ) Додатнозначнi обмеженi функцiї ai(t, x), bi(t, x) i ci(t, x), i = 1, 2, неперервно диференцiйовнi по t ∈ R i x ∈ Ω та майже перiодичнi за Бором по t рiвномiрно по x ∈ Ω. H2 ) Позначимо Uρ = {u ∈ C(Ω̄) : ‖u‖C ≤ ρ, u(x) ≥ 0, x ∈ Ω̄}, де ρ — деяке додатне число. Припустимо, що поверхнi iмпульсiв мають вигляд τj(u, v) = θj + rj ∫ Ω ( u2(ξ) + v2(ξ) ) dξ, де строго зростаюча послiдовнiсть дiйсних чисел {θj} має рiвномiрно майже перiодичнi послiдовностi рiзниць, а послiдовнiсть {rj} майже перiодична. Крiм того, iснують сталi Θ̃ > θ̃ > 0 i Θ > θ > 0 такi, що виконуються нерiвностi Θ̃ ≥ θj − θj−1 ≥ θ̃, j ∈ Z, i Θ = Θ̃ + 2rρ2|Ω| ≥ τj(u, v)− τj−1(u, v) ≥ θ = θ̃ − 2rρ2|Ω| > 0 (7) для всiх u, v ∈ Uρ, j ∈ Z. Тут r = supj |rj |, |Ω| — мiра множини Ω. H3 ) Виконуються нерiвностi dik > −1, qik ≥ 0, i = 1, 2, k ∈ Z, i послiдовностi дiйсних чисел {d1k}, {d2k}, {q1k}, {q2k} майже перiодичнi. Позначимо d = supik |dik|, q = supik qik. Вектор-функцiя (u(t, x), v(t, x)) є класичним розв’язком системи без iмпульсiв (1) – (3), якщо вона двiчi неперервно диференцiйовна по x ∈ Ω, неперервно диференцiйовна по x ∈ Ω̄, неперервно диференцiйовна по t > 0 i задовольняє систему (1), (2) та крайовi умови (3). Означення 5. Вектор-функцiя (u, v) : Ω × [t0, t0 + α] → R2, де α > 0, є розв’язком iмпульсної системи (1) – (5), якщо виконуються такi умови: а) множина T = {t ∈ [t0, t0 + α], t = τk(u(t, .), v(t, .)) для деякого k} точок iмпульсної дiї скiнченна (можливо, порожня); б) при t 6∈ T функцiя (u, v) є класичним розв’язком системи без iмпульсiв (1) – (3); в) для t ∈ T функцiя (u, v) задовольняє умови (4), (5). Якщо додатково функцiя (u, v) задовольняє умову u(t0, x) = u0(x), v(t0, x) = v0(x), (8) то вона є розв’язком початкової задачi (1) – (5), (8). ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2018, т. 21, № 3 308 А. В. ДВОРНИК, В. I. ТКАЧЕНКО Перепишемо систему (1) – (5) у абстрактнiй формi. Позначимо w = (u, v) ∈ Lp(Ω) × ×Lp(Ω) = X, де p > n — натуральне число. Норму в просторi X = Lp(Ω)×Lp(Ω) будемо позначати ‖.‖0. Запишемо систему (1) – (5), (8) у виглядi dw dt +A1w = F (t, w), t 6= τj(w(t)), (9) w(t+ 0) = w(t) +Gj(w(t)), t = τj(w(t)), j ∈ Z, (10) w(0) = w0, (11) де A1 = ( −µ1∆ + β 0 0 −µ2∆ + β ) F (t, w) = ( u(a1(t, .) + β − b1(t, .)u− c1(t, .)v) v(a2(t, .) + β − b2(t, .)u− c2(t, .)v) ) Gj(w(τ)) = ( d1ju(τ, .) + q1j d2jv(τ, .) + q2j ) = Djw(τ) +Qj , β — деяке додатне число. Легко бачити, що d = supj ‖Dj‖, q = supj ‖Qj‖. Оператор A1 має область означення D(A1) = { ξ = (ξ1, ξ2) : ξi ∈W 2,p(Ω), ∂ξi ∂n ∣∣∣∣ ∂Ω = 0, i = 1, 2 } , де W 2,p(Ω) — простiр Соболєва функцiй з Lp(Ω), якi мають двi узагальненi похiднi. Оператор A1 секторiальний з Re ξ ≥ β для ξ ∈ σ(A1), де σ(A1) — спектр оператора A1. Для оператора A1 означаються степенi Aα1 , α ≥ 0, та вiдповiднi їм областi означення Xα = D (Aα1 ) з нормою ‖z‖α = ‖Aα1 z‖0 [22]. Оператор (−A1) є генератором аналiтичної напiвгрупи e−A1t, для якої виконуються рiвнiсть e−A1tAα1 z = Aα1 e −A1tz, де z ∈ Xα, t > 0 i нерiвностi [22] ∥∥Aα1 e−A1t ∥∥ 0 ≤ Cαt−αe−βt, t > 0, α > 0, (12)∥∥(e−A1t − I ) z ∥∥ 0 ≤ 1 α C1−αt α ‖Aα1 z‖0 , t > 0, α ∈ (0, 1], z ∈ Xα, де Cα > 0 обмежена при α→ 0 + . Також виконується нерiвнiсть ‖z‖0 ≤ L0‖z‖α з деякою сталою L0 > 0 для z ∈ Xα. Пiд нерiвнiстю w0 ≥ 0 для w0 = (u0, v0) ∈ X розумiємо u0(x) ≥ 0, v0(x) ≥ 0 для майже всiх x ∈ Ω. Виберемо α таким, що 2α− n p ≥ ν > 0, α < 1. (13) Аналогiчно до [23] показуємо, що коли початкова функцiя задовольняє умову w0 ∈ Xα, w0 ≥ 0, тодi задача без iмпульсiв (1) – (3), (8)має єдинийкласичнийрозв’язок (u(t, x), v(t, x)), ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2018, т. 21, № 3 МАЙЖЕ ПЕРIОДИЧНI РОЗВ’ЯЗКИ СИСТЕМ ЛОТКИ–ВОЛЬТЕРРА . . . 309 який iснує для всiх t > 0. При виконаннi нерiвностей (13) простiр Xα неперервно вкла- дений у Cν . Тому якщо w ∈ Xα, ‖w‖α ≤ ρ1 для деякого ρ1 > 0, то w = (u, v) ∈ Cν i ‖w‖C = max{‖u‖C , ‖v‖C} ≤ ρ. Розв’язок початкової задачi (11) рiвняння (9), (10) задовольняє iнтегральне рiвняння w(t, w0) = e−A1tw0 + t∫ 0 e−A1(t−s)F (s, w(s))ds+ ∑ 0<τj<t e−A1(t−τj)Gj(w(τj)). (14) Означення 6. Розв’язок w0(t) рiвняння (9), (10), означений для всiх t ≥ t0, τj(w0(t0)) 6= t0, j ∈ Z, називається стiйким за Ляпуновим у просторi Xα, якщо для довiльних ε > 0 i η > 0 iснує δ = δ(ε, η) таке, що iнший довiльний розв’язок w(t) з початковою умовою ‖w0(t0)− w(t0)‖α < δ задовольняє нерiвнiсть ∥∥w0(t)− w(t) ∥∥ α < ε для всiх t ≥ t0 таких, що∣∣t− τ0 j ∣∣ > η, де τ0 j —точки, в яких розв’язок w0(t) перетинає поверхнi t = τj(w), j ∈ Z. Розв’язок w0(t) називається асимптотично стiйким, якщо вiн стiйкий i iснує δ0 > 0 таке, що для кожних ε > 0, η > 0, iснує T = T (ε, η) > 0 таке, що для будь-якого iншого розв’язку w(t) системи з початковими значеннями ‖w0(t0) − w(t0)‖α < δ0 виконується нерiвнiсть ‖w0(t)− w(t)‖ < ε для t ≥ t0 + T i ∣∣t− τ0 j ∣∣ > η. При дослiдженнi стiйкостi розв’язкiв iмпульсних еволюцiйних рiвнянь будемо викори- стовувати таку версiю узагальненої нерiвностi Гронуолла [20, 22]. Лема 1. Нехай a1 ≥ 0, a2 ≥ 0, b > 0, α, β ∈ [0, 1), Q ∈ (0,∞) i локально iнтегровна на 0 ≤ t ≤ Q невiд’ємна функцiя y(t) задовольняє на цьому iнтервалi нерiвнiсть y(t) ≤ a1 + a2t −α + b t∫ 0 (t− s)−βy(s) ds. Тодi iснує додатна стала C̃ = C̃(β, b,Q) <∞ така, що y(t) ≤ ( a1 + a2 (1− α)tα ) C̃(β, b,Q) ≤ ( a1 + a2 tα ) C̃1, де C̃1 = C̃(β, b,Q)/(1− α). 3. Система з фiксованими моментами iмпульсiв. Розглянемо систему Лотки –Вольтер- ра (1) – (3) з iмпульсною дiєю у фiксованi моменти iмпульсної дiї θk, k ∈ Z : u(θk + 0, x)− u(θk, x) = d1ku(θk, x) + q1k, (15) v(θk + 0, x)− v(θk, x) = d2kv(θk, x) + q2k, k ∈ Z. (16) Означення 7. Система називається перманентною, якщо iснують додатнi сталi m0 i M0 такi, що для кожного розв’язку системи з невiд’ємними початковими функцiями u0(x) 6≡ 0, v0(x) 6≡ 0 iснує t̄ = t̄(u0, v0) таке, що m0 ≤ u(t, x) ≤M0, m0 ≤ v(t, x) ≤M0 для x ∈ Ω̄, t ≥ t̄. У роботi [19] доведено такi умови перманентностi. ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2018, т. 21, № 3 310 А. В. ДВОРНИК, В. I. ТКАЧЕНКО Лема 2. Для кожного розв’язку системи (1) – (3), (15) – (16) з невiд’ємними початковими функцiями (u0(x), v0(x)) iснує t̄ = t̄(u0, v0) таке, що u(t, x) ≤M0, v(t, x) ≤M0, x ∈ Ω̄, t ≥ t̄, де M0 = max{A,A(1 + d) + q}, A = aM bL ( 1− e−aMθ ) , aM = max ( aM1 , aM2 ) , bL = min ( bL1 , c L 2 ) . Лема 3. Нехай виконується одна з умов: (a1 ) виконуються нерiвностi aL1 − cM1 M0 + σ1 > 0, aL2 − bM2 M0 + σ2 > 0, де σi = lim T→∞ 1 T ∑ s≤θj<s+T ln(1 + dij) = lim T→∞ ∑ s≤θj<s+T ln(1 + dij) i(s, s+ T ) lim T→∞ i(s, s+ T ) T , i(t, t+ T ) — число точок θk з iнтервалу (t, t+ T ); (a2 ) виконується нерiвнiсть q0 = infij qij > 0. Тодi iснує m0 > 0 таке, що для кожного розв’язку системи (1) – (3), (15) – (16) з невiд’єм- ними початковими функцiями (u0(x), v0(x)), u0(x) 6≡ 0, v0(x) 6≡ 0, iснує t̄ = t̄(u0, v0) таке, що u(t, x) ≥ m0, v(t, x) ≥ m0, x ∈ Ω̄, t ≥ t̄. Для системи з фiксованими моментами iмпульсної дiї t = θk, k ∈ Z, у роботi [19] доведено таку теорему. Теорема 1. Нехай для системи (1) – (3), (15) – (16) виконуються умови H1 –H3 (при rj ≡ 0, j ∈ Z) i: 1) система перманентна: iснують додатнi сталi m0 i M0 такi, що кожний розв’язок з невiд’ємними не рiвними тотожно нулю початковими функцiями (u0(x), v0(x)), починаючи з деякого моменту часу t̄ = t̄(u0, v0), залишається в множинi E0 = {(u, v) : m0 ≤ u ≤M0, m0 ≤ v ≤M0}, 2) має мiсце нерiвнiсть aM − ( 2bL + cL ) m0 + cMM0 + σ < 0, σ = max{σ1, σ2}, (17) де aM = max ( aM1 , aM2 ) , bL = min ( bL1 , c L 2 ) , cL = min ( cL1 , b L 2 ) , cM = max ( cM1 , bM2 ) , σi = lim T→∞ 1 T ∑ 0<θj<T ln(1 + dij), i = 1, 2. ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2018, т. 21, № 3 МАЙЖЕ ПЕРIОДИЧНI РОЗВ’ЯЗКИ СИСТЕМ ЛОТКИ–ВОЛЬТЕРРА . . . 311 Тодi розв’язки системи з початковими функцiями зi значеннями у множинi E0 рiвномiрно асимптотично стiйкi. Для двох розв’язкiв (u1(t, x), v1(t, x)) i (u2(t, x), v2(t, x)), якi мають значення в множинi E0, виконується нерiвнiсть sup x ( |u1(t, x)− u2(t, x)|+ |v1(t, x)− v2(t, x)| ) ≤ ≤M1e −β1(t−t0) sup x ( |u1(t0, x)− u2(t0, x)|+ |v1(t0, x)− v2(t0, x)| ) (18) з деякими додатними сталими M1 i β1. Система має єдиний асимптотично стiйкий кусково-неперервний w -майже перiодичний розв’язок зi значеннями у множинi E0. За означенням норми в просторi Xα з формули (14) отримуємо ‖w(t, w0)‖α ≤ ∥∥e−A1(t−t0) ∥∥ 0 ‖w0‖α + t∫ t0 ∥∥∥Aα1 e−A1(t−s)F (s, w(s)) ∥∥∥ 0 ds+ + ∑ t0<θj<t ∥∥∥Aα1 e−A1(t−θj)(Djw(θj) +Qj) ∥∥∥ 0 . Розв’язок w(t, w0) з w0 = (u0, v0) ∈ Xα, ‖w0‖C = max{‖u0‖C , ‖v0‖C} ≤ M0 за лемою 2 обмежений у рiвномiрнiй нормi ‖w(t, w0)‖C ≤M0, t ≥ t0. Покажемо, що вiн обмежений i в Xα -нормi. Для t ∈ [θk−θ/2, θk] виконується (t−θj)−1 ≤ 2/θ, j < k. З останньої нерiвностi i (12) отримуємо оцiнку для t ∈ [θk − θ/2, θk] : ‖w(t, w0)‖α ≤ C0e −β(t−t0)‖w0‖α + CαF0 t∫ t0 e−β(t−s)(t− s)−αds+ + Cα(dM0 + q)(2/θ)α ∑ t0<θj<t e−β(t−θj) ≤ Ñ0, де F0 = supt∈R,‖w‖C≤ρ ‖F (s, w)‖0. Отже, ‖w(θj , w0)‖α ≤ Ñ0 для всiх натуральних j. З (10) отримуємо ‖w(θj + 0, w0)‖α ≤ ≤ dÑ0 + q. Звiдси випливає ‖w(t, w0)‖α ≤ Ñ1, t ≥ t0, з деякою додатною сталою Ñ1. З обмеженостi множини у просторi Xβ випливає її компактнiсть у просторi Xα, α < β. Тому траєкторiї w(t) передкомпактнi в Xα, α > 0. Отже, iснує таке ρ1 > 0, що ‖w‖α ≤ ρ1 для всiх w ∈ C(Ω) ∩Xα з ‖w‖C ≤ ρ. Тепер оцiнимо розв’язок у нормi ‖.‖1. Скористаємося такими оцiнками. З [22] (Theo- rem 3.5.2) випливає, що для кожного µ ∈ [0, 1) iснує додатна стала K̃2, яка не залежить вiд w0 = w(θj + 0), ‖w0‖α ≤ ρ1, така, що∥∥∥∥ ddsw(s, w0) ∥∥∥∥ µ ≤ K̃2(s− θj)α−µ−1, s ∈ (θj , θj+1], j ∈ Z. Вiдповiдно для s ∈ [θj + θ/2, θj+1] виконується нерiвнiсть∥∥∥∥dw(s, w0) ds ∥∥∥∥ α ≤ 2K̃2 θ . (19) ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2018, т. 21, № 3 312 А. В. ДВОРНИК, В. I. ТКАЧЕНКО З (9) отримуємо ‖w(θj , w0)‖1 = ‖A1w(θj , w0)‖0 ≤ ≤ ∥∥∥∥dw(θj , w0) dt ∥∥∥∥ 0 + sup t∈R,‖w‖C≤ρ ‖F (t, w)‖ ≤ 2K̃2 θ + F0 = Ñ2. (20) 4. Майже перiодичнi розв’язки системи з нефiксованими iмпульсами. Теорема 2. Нехай виконуються умови H1 –H3, а також: – система з фiксованими моментами iмпульсної дiї (1) – (5) при rj ≡ 0, j ∈ Z, задовольняє умови леми 3 i теореми 1 та виконується нерiвнiсть ρ ≥M0; – для кожного k ∈ Z виконується одна з умов rk ≤ 0, djk ≥ 0, qjk ≥ 0, j = 1, 2, (21) rk ≥ 0, djk ≤ 0, qjk = 0, j = 1, 2. (22) Тодi при достатньо малому r = supj |rj | система рiвнянь з нефiксованими моментами iмпульсної дiї (1) – (5) має в областi Uρ × Uρ єдиний додатнозначний кусково-неперервний w -майже перiодичний розв’язок w∗(t). Для кожного t0 ∈ ∪j∈Z(θj , θj + θ/2] як початкової точки w -майже перiодичний розв’язок w∗(t) асимптотично стiйкий. Доведення. 1. Розглянемомайже перiодичну послiдовнiсть yk(x) = (uk(x), vk(x)) функ- цiй ‖uk(x)‖C ≤ ρ, ‖vk(x)‖C ≤ ρ, k ∈ Z. Тодi числова послiдовнiсть {τk(yk)} має рiвно- мiрно майже перiодичнi послiдовностi рiзниць i задовольняє умову роздiленостi (7), а система (1) – (3) з iмпульсною дiєю u(τk(yk) + 0, x)− u(τk(yk), x) = d1ku(τk(yk), x) + q1k, v(τk(yk) + 0, x)− v(τk(yk), x) = d2kv(τk(yk), x) + q2k, k ∈ Z, уфiксованi моменти часу t = τk(yk) задовольняє умови лем 2 i 3. Тому система перманентна з деякими додатними сталими m0 i M0. З доведень лем 2 i 3 випливає, що сталi m0 i M0 можна вибрати однаковими для всiх послiдовностей {yk} зi значеннями в Uρ × Uρ. При досить малому r = supk |rk| для всiх таких y = {yk} виконується також i нерiв- нiсть (17). Тому за теоремою 1 для кожного такого y = {yk} система має єдиний додат- нозначний кусково-неперервний w -майже перiодичний розв’язок (u∗(t, x, y), v∗(t, x, y)) та- кий, що u∗(t, x, y) ∈ E0, v ∗(t, x, y) ∈ E0 для всiх t ∈ R, x ∈ Ω. Позначимо через M множину майже перiодичних послiдовностей {wk}k∈Z, де wk = = (uk, vk), wk ∈ D(A1), uk, vk ∈ E0. Будемо позначати норму ‖w‖M = supk ‖wk‖α елемен- та w ∈M. Для y = {yj} ∈M розглянемо рiвняння з фiксованими моментами iмпульсної дiї dw dt +A1w = F (t, w), w(τ1 k + 0) = (I +Dk)w(τ1 k ) +Qk, (23) де послiдовнiсть τ1 k = τk(yk), k ∈ Z, має рiвномiрно майже перiодичнi послiдовностi рiзниць. За теоремою 1 рiвняння (23) має рiвномiрно асимптотично стiйкий w -майже перiодичний розв’язок w∗(t, y). Крiм того, w∗(t, y)(x) = (u∗(t, x, y), v∗(t, x, y)) ∈ E0 × E0. Послiдовнiсть S(y) = {w∗(τj(yj), y)} , j ∈ Z, майже перiодична i, за побудовою, S(y) ∈M. ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2018, т. 21, № 3 МАЙЖЕ ПЕРIОДИЧНI РОЗВ’ЯЗКИ СИСТЕМ ЛОТКИ–ВОЛЬТЕРРА . . . 313 Легко бачити, що w∗(., y∗) : R→ Xα є шуканим w -майже перiодичним розв’язком рiвнян- ня (9) – (10) тодi i тiльки тодi, коли вiдсутнi биття (кожну поверхню iмпульсiв розв’язок перетинає не бiльше одного разу) i w∗ ( τj(y ∗ j ), y ∗) = y∗j , j ∈ Z, тобто S(y∗) = y∗. Покажемо, що при досить малому r = supj |rj | вiдображення S : M→M є вiдображенням стиску. Виберемо двi послiдовностi y = {yk}, yk = (yk1, yk2) i z = {zk}, zk = (zk1, zk2), з множини M i побудуємо зростаючi послiдовностi дiйсних чисел τ1 k = τk(yk) i τ2 k = τk(zk), k ∈ Z. Послiдовностi { τ1 k } i { τ2 k } мають рiвномiрно майже перiодичнi послiдовностi рiзниць. Будемо позначати τ ′k = min { τ1 k , τ 2 k } , τ ′′k = max { τ1 k , τ 2 k } . Оцiнимо ∣∣τ2 k − τ1 k ∣∣ . З умови H2 випливає ∣∣τ2 k − τ1 k ∣∣ = |τk(zk)− τk(yk)| ≤ |rk| ∣∣∣∣∣∣ ∫ Ω ( y2 k1(x) + y2 k2(x) ) dx− ∫ Ω ( z2 k1(x) + z2 k2(x) ) dx ∣∣∣∣∣∣ ≤ ≤ |rk| ∫ Ω |(yk1(x)− zk1(x))(yk1(x) + zk1(x))| dx+ + |rk| ∫ Ω |(yk2(x)− zk2(x))(yk2(x) + zk2(x))| dx ≤ ≤ |rk| (‖yk1 − zk1‖0‖yk1 + zk1‖Lq + ‖yk2 − zk2‖0‖yk2 + zk2‖Lq) ≤ ≤ 4|rk|ρ|Ω|1/q‖yk − zk‖0 ≤ 4|rk|ρL0|Ω|1/q‖yk − zk‖α = rN1‖y − z‖M (24) з деякою сталою N1, яка не залежить вiд k i y, z. Через |Ω| позначено мiру множини Ω, 1/p+ 1/q = 1. Поряд iз (23) розглянемо рiвняння dw dt +A1w = F (t, w), w(τ2 k + 0) = (I +Dk)w ( τ2 k ) +Qk. (25) Рiвняння з фiксованимимоментами iмпульсної дiї (23) i (25) мають рiвномiрно асимптотич- но стiйкi w -майже перiодичнi розв’язки w∗(t, y) = (u∗1, v ∗ 1) i w∗(t, z) = (u∗2, v ∗ 2) вiдповiдно. Оцiнимо ‖S(y)− S(z)‖M = sup j ‖w∗(τj(yj), y)− w∗(τj(zj), z)‖α . Рiзниця w∗(t, y)− w∗(t, z) задовольняє рiвняння dw dt + (A1 + Ã(t))w = 0, (26) w(τ1 k + 0) = (I +Dk)w(τ1 k ) +Dkw ∗(τ1 k , z) +Qk, w(τ2 k + 0) = w ( τ2 k ) −Dkw ∗(τ2 k , z)−Qk, (27) де Ã(t) = ( a1 + β − b1 (u∗1 + u∗2)− c1v ∗ 1 −c1u ∗ 2 −b2v∗2 a2 + β − c2 (v∗1 + v∗2)− b2u∗1 ) . ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2018, т. 21, № 3 314 А. В. ДВОРНИК, В. I. ТКАЧЕНКО Позначимо через V (t, s), t ≥ s, еволюцiйний оператор лiнiйного однорiдного рiвняння без iмпульсiв (26). За теоремою 7.1.3 з [22] еволюцiйний оператор V (t, s) на iнтервалi [t0, t1] задовольняє оцiнки ‖V (t, τ)x‖γ ≤ K̃1 1− γ (t− τ)(γ1−γ)−‖x‖γ1 , γ < 1, (γ1 − γ)− = min{γ1 − γ, 0}, (28) ‖V (t, τ)x− x‖γ ≤ K̃1 (1− γ)γ1 (t− τ)γ1‖x‖γ+γ1 , γ1 > 0, γ + γ1 ≤ 1, (29) де стала K̃1 залежить тiльки вiд A1, α, Q ≥ t1− t0 i sup Ã(t). Рiвняння з iмпульсною дiєю dw dt + ( A1 + Ã(t) ) w = 0, w(τ1 k + 0) = (I +Dk)w(τ1 k ), k ∈ Z, (30) має еволюцiйний оператор U(t, s) = V ( t, τ1 k ) (I +Dk)V ( τ1 k , τ 1 k−1 ) . . . (I +Dm)V ( τ1 m, s ) для τ1 m−1 < s ≤ τ1 m < . . . < τ1 k < t ≤ τ1 k+1. Оператор U(t, s) задовольняє оцiнку ‖U(t, s)w‖0 ≤M1e −β1(t−s)‖w‖0, t ≥ s. (31) Для доведення розглянемо ненульовий розв’язок w(t) = U(t, t0)w0 рiвняння (30). Аналогiч- но [9] показуємо, що функцiя Ap(t) = ‖w(t)‖pLp(Ω) задовольняє оцiнки Ap(t) ≤ Ap(τ1 j−1 + 0) exp { p ( aM − (2bL + cL)m0 + cMM0 ) (t− τ1 j−1) } , t ∈ (τ1 j−1, τ 1 j ], Ap(τ1 j + 0) ≤ max{(1 + d1j) p, (1 + d2j) p}Ap(τ1 j ) = Kp jAp(τ 1 j ). Як наслiдок отримуємо Ap(t) ≤ ∏ t0≤τ1j <t Kp j e p(aM−(2bL+cL)m0+cMM0)(t−t0)Ap(τ0). При виконаннi нерiвностi (17) випливає експоненцiальна оцiнка з показником β1 < −(aM − (2bL + cL)m0 + cMM0 + σ) у всiх просторах Lp(Ω) з p > 1 i як наслiдок оцiнка в sup-нормi. Додатну сталу β в означеннi оператора A1 вибираємо з умови β < β1. З нерiвностей (28) i (31) отримуємо оцiнку для t ∈ (τ1 m, τ 1 m+1] у нормах iнтерполяцiйних просторiв Xγ : ‖U(t, t0)w0‖γ ≤M2(t− τm)(γ1−γ)−e−β1(t−t0)‖w0‖γ1 , (32) де γ < 1, (γ1 − γ)− = min{γ1 − γ, 0}, M2 — додатна стала. Тому рiвняння (26) – (27) має єдиний обмежений на осi розв’язок, який спiвпадає з w∗(t, y)− w∗(t, z) i задовольняє рiвнiсть w∗(t, y)− w∗(t, z) = ∑ τ1j <t U(t, τ1 j + 0) ( Djw ∗ (τ1 j , z ) +Qj ) − ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2018, т. 21, № 3 МАЙЖЕ ПЕРIОДИЧНI РОЗВ’ЯЗКИ СИСТЕМ ЛОТКИ–ВОЛЬТЕРРА . . . 315 − ∑ τ2j <t U(t, τ2 j + 0) ( Djw ∗ (τ2 j , z ) +Qj ) . (33) Нехай t ∈ ( τ ′′m, τ ′ m+1 ] для деякого m ∈ Z. Розглянемо рiзницю Jj(t) = U ( t, τ1 j + 0 ) ( Djw ∗(τ1 j , z) +Qj ) − U ( t, τ2 j + 0 ) ( Djw ∗(τ2 j , z) +Qj ) для j ≤ m. Якщо τ1 j < τ2 j , то Jj(t) = U ( t, τ2 j ) ( V ( τ2 j , τ 1 j + 0 ) ( Djw ∗(τ1 j , z) +Qj ) −Djw ∗(τ2 j , z)−Qj ) = = U ( t, τ2 j ) ( V ( τ2 j , τ 1 j + 0 ) Dj ( w∗(τ1 j , z)− w∗(τ2 j , z) ) + + ( V ( τ2 j , τ 1 j + 0 ) − I ) ( Djw ∗(τ2 j , z) +Qj )) . З (19) i (24) випливає оцiнка ∥∥w∗(τ1 j , z)− w∗(τ2 j , z) ∥∥ α = ∥∥∥∥∥∥∥∥ τ2j∫ τ1j d ds w∗(s, z)ds ∥∥∥∥∥∥∥∥ α ≤ ≤ 2K̃2 θ ∣∣τ1 j − τ2 j ∣∣ ≤ 2rN1K̃2 θ ‖y − z‖M. (34) Тому ‖Jj(τ ′m+1)‖α ≤ rN1M2K̃1 θ e−β1(τ ′m+1−τ2j ) ( 2dK̃2 θ + dÑ2 + βq ) ‖y − z‖M. (35) Якщо τ1 j > τ2 j , то Jj(t) = U ( t, τ1 j + 0 ) ( Djw ∗(τ1 j , z) +Qj − (I +Dj)V (τ1 j , τ 2 j ) ( Djw ∗(τ2 j , z) +Qj )) = = U(t, τ1 j + 0) ( Djw ∗(τ1 j , z)−Djw ∗(τ2 j + 0, z)+ + (I +Dj)(I − V (τ1 j , τ 2 j ))(Djw ∗(τ2 j , z) +Qj) ) . Отримуємо ‖Jj(τ ′m+1)‖α ≤ rN1M2 θ e−β1(τ ′m+1−τ1j ) ( 2dK̃2 θ + (1 + d)K̃1(dÑ2 + βq) ) ‖y − z‖M. (36) З (33), (35) i (36) отримуємо ∥∥w∗(τ ′m, z)− w∗(τ ′m, y) ∥∥ α ≤ rK̃4 1− e−β1θ ‖y − z‖M i, враховуючи (34), ∥∥w∗(τ2 m, z)− w∗(τ1 m, y) ∥∥ α ≤ r‖y − z‖M ( K̃4 1− e−β1θ + 2K̃2N1 θ ) = rK̃5‖y − z‖M ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2018, т. 21, № 3 316 А. В. ДВОРНИК, В. I. ТКАЧЕНКО з деякимидодатними сталими K̃4 i K̃5, якi не залежать вiд y i z. При rK̃5 < 1 вiдображення S(z) є вiдображенням стиску. Воно має нерухому точку w∗. 2. Перевiримо, що у множинi Uρ×Uρ розв’язки w(t) з початковими значеннями (t0, w0), якi належать множинi W+ j−1 = {(t, w) : w ∈ Uρ × Uρ, t ∈ (τj−1(w), τj−1(w) + θ/2]} , не мають биття з поверхнею t = τj(u, v), j ∈ Z. Припустимо вiд супротивного, що розв’язок w(t) перетинає поверхню t = τj(u, v) у двох точках t1j i t2j , t1j < t2j . Позначимо w(t1j ) = w1, w(t2j ) = w2. Тодi w(t1j + 0) = = w1 +Gj = w1 +Djw1 +Qj , τj(w1) = t1j , τj(w2) = t2j , i w2 = e−A1(t2j−t1j )(w1 +Gj) + t2j∫ t1j e−A1(t2j−s)F (s, w(s)) ds. Останню рiвнiсть розглядаємо при p = 2, тобто у просторi L2(Ω)× L2(Ω). Множачи рiвняння (1) на u(t, x) та iнтегруючи, отримуємо d dt 1 2 ∫ Ω u2dx  = µ1 ∫ Ω u∆udx+ ∫ Ω u2 (a1 − b1u− c1v) dx. Тому для невiд’ємних розв’язкiв виконується нерiвнiсть d dt 1 2 ∫ Ω u2dx  ≤ aM ∫ Ω u2dx. Як наслiдок отримуємо ‖w(t)‖L2(Ω) ≤ eã(t−t0)‖w0‖L2(Ω), t ≥ 0, де ã = √ 2aM , aM = max { aM1 , aM2 } . Вiдповiдно ‖w2‖L2(Ω) ≤ eã(t2j−t1j )(‖w1‖L2(Ω)+‖Gj‖L2(Ω)). Рiзниця t2j − t1j задовольняє рiвнiсть t2j − t1j = τj(w2)− τj(w1) = τj(w2)− τj ( e−A1(t2j−t1j)(w1 +Djw1 +Qj) ) + + τj ( e−A1(t2j−t1j )(w1 +Djw1 +Qj) ) − τj ( e−A1(t2j−t1j )(w1 +Djw1) ) + + τj ( e−A1(t2j−t1j )(w1 +Djw1) ) − τj(w1 +Djw1) + τj(wj +Djw1)− τj(w1). (37) Позначимо w̃ = e−A1(t2j−t1j )(w1 +Gj). Оцiнимо першу рiзницю в (37). Аналогiчно (24) отримуємо∣∣τj(w2)− τj(w̃) ∣∣ ≤ |rj |∫ Ω ( ‖w2(x)‖2 − ‖w̃(x)‖2 ) dx ≤ 4rρ|Ω|1/2‖w2 − w̃‖L2(Ω) = ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2018, т. 21, № 3 МАЙЖЕ ПЕРIОДИЧНI РОЗВ’ЯЗКИ СИСТЕМ ЛОТКИ–ВОЛЬТЕРРА . . . 317 = 4rρ|Ω|1/2 ∥∥∥∥∥∥∥∥ t2j∫ t1j e−A1(t2j−s)F (s, w(s))ds ∥∥∥∥∥∥∥∥ L2(Ω) ≤ ≤ 4rρ|Ω|1/2F0M1 ∣∣t2j − t1j ∣∣ = rη1 ∣∣t2j − t1j ∣∣ , де F0 = supt∈R,w∈Uρ×Uρ ‖F (t, w)‖C(Ω). Якщо w1 ∈ D(A1) ∩ (Uρ × Uρ), то∣∣∣τj(e−A1(t2j−t1j )w1 ) − τj(w1) ∣∣∣ ≤ |rj |∫ Ω (∥∥∥e−A1(t2j−t1j)w1 ∥∥∥2 − ‖w1‖2 ) dx ≤ ≤ 4rρ|Ω|1/2 ∥∥∥e−A1(t2j−t1j)w1 − w1 ∥∥∥ L2(Ω) ≤ ≤ 4rρ|Ω|1/2C0 ∣∣t2j − t1j ∣∣ ‖Aw1‖0 ≤ 4rρ|Ω|1/2C0Ñ2 ∣∣t2j − t1j ∣∣ = rη2 ∣∣t2j − t1j ∣∣ . Позначимо через λn i φn, n = 1, 2, . . . , власнi значення i вiдповiднi власнi функцiї оператора A1. Тодi [e−A1tu](x) = ∑∞ k=1 e−λkt(u, φk)φk(x) i ‖e−A1tu‖L2 ≤ e−βt‖u‖L2 . При умовi (21) виконується τj ( e−A1(t2j−t1j )(w1 +Djw1 +Qj) ) − τj ( e−A1(t2j−t1j )(w1 +Djw1) ) ≤ 0, τj(w1 +Djw1)− τj(w1) ≤ 0. При досить малому r = supj |rj | маємо r(η1 + η2) < 1, а тому 0 < ( t2j − t1j ) (1− r(η1 + η2)) ≤ τj(wj +Djw1)− τj(w1)+ + τj ( e−A1(t2j−t1j)(w1 +Djw1 +Qj) ) − τj(e−A1(t2j−t1j)(w1 +Djw1)) ≤ 0. Отримуємо суперечнiсть. При виконаннi умов (22) отримуємо τj ( e−A1(t2j−t1j)(w1 +Djw1) ) − τj(w1 +Djw1) = = rj (∥∥∥e−A1(t2j−t1j)(w1 +Djw1) ∥∥∥2 L2(Ω) − ‖w1 +Djw1‖2L2(Ω) ) ≤ 0, τj(w1 +Djw1)− τj(w1) ≤ 0, тому 0 < (t2j − t1j )(1− rjη1) < 0. Суперечнiсть. 3. Тепер покажемо асимптотичну стiйкiсть розв’язку w∗(t) з початковою точкою t0 з множини ∪j∈Z(τ̃0 j , τ̃ 0 j + θ/2], де τ̃0 j = τj(w ∗(τ̃0 j )) — моменти перетину розв’язку w∗(t) з поверхнями τj(w). Не зменшуючи загальностi, вважаємо, що t0 ∈ (τ̃0 0 , τ̃ 0 0 +θ/2]. Розглянемо iнший розв’язок рiвняння w(t) з початковим значенням w0 з деякого околу точки w∗(t0) такий, що w0 ∈W+ 0 . За п. 2 доведення розв’язок w(t) не має биття з поверхнями iмпульсiв. Виконаємо у рiвняннi (9), (10) замiну змiнних w = w∗+z. Тодi z(t) задовольняє рiвняння dz dt + (A1 + Ã1(t))z = F̃ (t, z) ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2018, т. 21, № 3 318 А. В. ДВОРНИК, В. I. ТКАЧЕНКО та рiзницевi спiввiдношення у точках перетину розв’язкiв w∗(t) i w(t) = w∗(t) + z(t) з поверхнями τj(w), j ∈ Z : z ( τ̃0 j + 0 ) = (I +Dj)z(τ̃ 0 j )−Dj(z(τ̃ 0 j ) + w∗(τ̃0 j ))−Qj , (38) z(τ̃1 j + 0) = z(τ̃1 j ) +Dj(z(τ̃ 1 j ) + w∗(τ̃1 j )) +Qj , де τ̃0 j = τj(w ∗(τ̃0 j )), τ̃1 j = τj ( w∗(τ̃1 j ) + z(τ̃1 j ) ) , Ã1(t) = ( a1 + β − 2b1u ∗ − c1v ∗ −c1u ∗ −b2v∗ a2 + β − 2c2v ∗ − b2u∗ ) F̃ (t, z) = ( −u(b1(t, .)u+ c1(t, .)v) −v(b2(t, .)u+ c2(t, .)v) ) , w∗ = ( u∗ v∗ ) , z = ( u v ) . Легко перевiрити, що iснує неспадна функцiя Kξ, 0 ≤ ξ ≤ ρ1, така, що Kξ → 0 при ξ → 0 i рiвномiрно по t ∈ R ‖F̃ (t, z)‖0 ≤ Kξ‖z‖α, ‖z‖α ≤ ξ. (39) Тому supt∈R,‖z‖α≤ρ1 ‖F̃ (t, z)‖ ≤ Kρ1ρ1 = F̃0. Позначимо через Ṽ (t, s) еволюцiйний оператор лiнiйного однорiдного рiвняння dw dt + (A1 + Ã1(t))w = 0, (40) а через Ũ(t, s) — еволюцiйний оператор рiвняння (40) з iмпульсною дiєю (38) у точках τ̃0 j . Аналогiчно до рiвняння (30) показуємо експоненцiальну стiйкiсть рiвняння (40) з iм- пульсною дiєю (38). Для спрощення запису вважаємо, що еволюцiйний оператор Ũ(t, s) задовольняє нерiвнiсть (31) з тими ж сталими M1 та β1. Так само вважаємо, що Ṽ (t, s) задовольняє оцiнки (28) i (29) з тiєю ж сталою K̃1. Розв’язок z(t) задовольняє iнтегральне рiвняння z(t) = Ũ(t, t0)z0 + t∫ t0 Ũ(t, s)F̃ (s, z(s)) ds− ∑ t0<τ̃0j <t Ũ ( t, τ̃0 j ) ( Dj ( z ( τ̃0 j ) + w∗(τ̃0 j ) ) +Qj ) + + ∑ t0<τ̃1j <t Ũ ( t, τ̃1 j ) ( Dj ( z ( τ̃1 j ) + w∗ ( τ̃1 j )) +Qj ) . Позначимо J = ∪jJj , Jj = ( max{τ̃0 j−1, τ̃ 1 j−1},min{τ̃0 j , τ̃ 1 j } ] = ( τ̃ ′′j−1, τ̃ ′ j ] . Для t ∈ ( τ̃ ′′i , τ̃ ′ i+1 ] маємо ‖z(t)‖α ≤ ‖Ũ(t, t0)z0‖α + τ̃ ′1∫ t0 ‖Ũ(t, s)F̃ (s, z(s))‖α ds+ ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2018, т. 21, № 3 МАЙЖЕ ПЕРIОДИЧНI РОЗВ’ЯЗКИ СИСТЕМ ЛОТКИ–ВОЛЬТЕРРА . . . 319 + i−1∑ j=1 τ̃ ′j+1∫ τ̃ ′′j ‖Ũ(t, s)F̃ (s, z(s))‖α ds+ i∑ j=1 τ̃ ′′j∫ τ̃ ′j ‖Ũ(t, s)F̃ (s, z(s))‖α ds+ + t∫ τ̃ ′′i ‖Ũ(t, s)F̃ (s, z(s))‖αds+ i∑ j=1 ‖Ũ(t, τ̃0 1 )(Dj(z(τ̃ 0 1 ) + w∗(τ̃0 1 )) +Q1)− + Ũ ( t, τ̃1 j ) ( Dj ( z ( τ̃1 1 ) + w∗ ( τ̃1 1 )) +Qj ) ‖α. На iнтервалi без iмпульсiв розв’язок z(t) задовольняє нерiвнiсть ‖z(t)‖α ≤ ‖Ũ(t, t1)z(t1)‖α + t∫ t1 ‖AαŨ(t, s)F̃ (s, z(s))‖ds ≤ ≤M1e −β1(t−t1)‖z(t1)‖α + t∫ t1 M2Kρ1e −β1(t−s) (t− s)α ‖z(s)‖α ds. Тодi за лемою 1 на iнтервалi [t0, τ̃ ′ 1] розв’язок z(t) задовольняє оцiнку ‖z(t)‖α ≤M1C̃1e −β1(t−t0)‖z0‖α, t ∈ [ t0, τ̃ ′ 1 ] . (41) Покажемо, що при достатньо малому r = infj |rj | рiзниця ∣∣∣τ̃1 j − τ̃0 j ∣∣∣ оцiнюється через z(τ̃ ′j) так: ∣∣τ̃0 j − τ̃1 j ∣∣ ≤ 4rρ|Ω|1/qL0 1− 8rρ|Ω|1/qL0K̃2θ−1 ∥∥z(τ̃ ′j)∥∥α = K̃6r ∥∥z(τ̃ ′j)∥∥α . (42) Припустимо, що τ̃0 j ≥ τ̃1 j = τ̃ ′j . Тодi, використовуючи (24) i (19), отримуємо |τ̃1 j − τ̃0 j | ≤ |rk| ∣∣∣∣∣∣ ∫ Ω ‖w∗(τ̃1 j )(x) + z(τ̃1 j )(x)‖2dx− ∫ Ω ‖w∗(τ̃0 j )(x)‖2dx ∣∣∣∣∣∣ ≤ ≤ 4rρ|Ω|1/qL0‖w∗(τ̃1 j ) + z(τ̃1 j )− w∗(τ̃0 j )‖α ≤ ≤ 4rρ|Ω|1/qL0 ‖z(τ̃1 j )‖α + ∥∥∥∥∥∥∥∥ τ̃0j∫ τ̃1j d dξ w∗(ξ) dξ ∥∥∥∥∥∥∥∥ α  ≤ ≤ 4rρ|Ω|1/qL0 ( ‖z(τ̃1 j )‖α + 2K̃2 θ |τ̃0 j − τ̃1 j | ) . Якщо τ̃1 j ≥ τ̃0 j = τ̃ ′j , то |τ̃1 j − τ̃0 j | ≤ |rk| ∣∣∣∣∣∣ ∫ Ω ‖w∗(τ̃1 j ) + z(τ̃1 j )‖2dx− ∫ Ω ‖w∗(τ̃0 j )‖2dx ∣∣∣∣∣∣ ≤ ≤ 4rρ|Ω|1/qL0 ∥∥w∗(τ̃1 j ) + z(τ̃1 j )− w∗(τ̃0 j )− z(τ̃0 j ) + z(τ̃0 j ) ∥∥ α ≤ ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2018, т. 21, № 3 320 А. В. ДВОРНИК, В. I. ТКАЧЕНКО ≤ 4rρ|Ω|1/qL0 ( ‖z(τ̃0 j )‖α + 2K̃2 θ ∣∣τ̃0 j − τ̃1 j ∣∣ ). Для t ∈ (τ̃ ′′1 , τ̃ ′ 2] справедлива оцiнка ‖z(t)‖α ≤ ‖Ũ(t, t0)z0‖α + ‖Ũ(t, τ̃ ′′1 )‖α τ̃ ′1∫ t0 ∥∥∥Ũ(τ̃ ′′1 , s)F̃ (s, z(s)) ∥∥∥ 0 ds+ + t∫ τ̃ ′′1 ∥∥∥Ũ(t, s)F̃ (s, z(s)) ∥∥∥ α ds+ ‖Ũ(t, τ̃ ′′1 )‖α τ̃ ′′1∫ τ̃ ′1 ∥∥∥Ũ(τ̃ ′′1 , s)F̃ (s, z(s)) ∥∥∥ 0 ds+ + ∥∥∥Ũ(t, τ̃0 1 + 0)(D1(z(τ̃0 1 )+w∗(τ̃0 1 )) +Q1)−Ũ(t, τ̃1 1 )(D1(z(τ̃1 1 ) + w∗(τ̃1 1 )) +Q1) ∥∥∥ α = = i1 + i2 + i3 +4 +i5. (43) Спочатку оцiнимо останнiй доданок. Якщо τ̃0 1 < τ̃1 1 , то i5 = ∥∥∥Ũ(t, τ̃0 1 + 0)(D1(z(τ̃0 1 ) + w∗(τ̃0 1 )) +Q1)− Ũ(t, τ̃1 1 )(D1(z(τ̃1 1 ) + w∗(τ̃1 1 )) +Q1) ∥∥∥ α = = ∥∥∥Ũ(t, τ̃1 1 ) ( (D1(z(τ̃1 1 ) + w∗(τ̃1 1 )) +Q1 − Ũ(τ̃1 1 , τ̃ 0 1 + 0)(D1(z(τ̃0 1 ) + w∗(τ̃0 1 )) +Q1) )∥∥∥ α = = ∥∥∥∥∥∥∥Ũ(t, τ̃1 1 ) D1(U(τ̃1 1 , τ̃ 0 1 + 0)− I)w(τ̃0 1 )− (U(τ̃1 1 , τ̃ 0 1 + 0)− I)D1w(τ̃0 1 )+ + (I − U(τ̃1 1 , τ̃ 0 1 + 0))Q1 +D1 τ̃11∫ τ̃01 Ũ(τ̃1 1 , s)F̃ (s, w(s))ds  ∥∥∥∥∥∥∥ α . (44) Якщо τ̃0 1 > τ̃1 1 , то i5 = ∥∥∥Ũ(t, τ̃0 1 + 0)(D1(z(τ̃0 1 ) + w∗(τ̃0 1 )) +Q1)− Ũ(t, τ̃1 1 )(D1(z(τ̃1 1 ) + w∗(τ̃1 1 )) +Q1) ∥∥∥ α = = ∥∥∥Ũ(t, τ̃0 1 + 0) ( D1w(τ̃0 1 ) +Q1 − Ũ(τ̃0 1 + 0, τ̃1 1 )(D1w(τ̃1 1 ) +Q1) )∥∥∥ α = = ∥∥∥∥∥∥∥Ũ(t, τ̃0 1 + 0) D1(U(τ̃0 1 , τ̃ 1 1 )− I)w(τ̃1 1 )− (U(τ̃0 1 , τ̃ 1 1 )− I)D1w(τ̃1 1 )+ +(I − U(τ̃0 1 + 0, τ̃1 1 ))Q1 +D1 τ̃01∫ τ̃11 Ũ(τ̃0 1 , s)F̃ (s, w(s))ds  ∥∥∥∥∥∥∥ α . (45) Застосовуючи нерiвностi (28), (29), (32) i (42), з (44) i (45) отримуємо оцiнку i4 + i5 ≤M2e −β1(t−τ̃ ′′1 ) τ̃ ′′1 − τ̃ ′1 (t− τ̃ ′′1 )α ( 2dK̃1Ñ2 + K̃1βq) + dF̃0M2 ) ≤ ≤ rM2K̃6e −β1(t−τ̃ ′′1 ) ( 2dK̃1Ñ2 + βqK̃1 + dF̃0M2 ) ‖z (τ̃ ′1)‖α (t− τ̃ ′′1 )α = ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2018, т. 21, № 3 МАЙЖЕ ПЕРIОДИЧНI РОЗВ’ЯЗКИ СИСТЕМ ЛОТКИ–ВОЛЬТЕРРА . . . 321 = rP1e −β1(t−τ̃ ′′1 ) ‖z (τ̃ ′1)‖α (t− τ̃ ′′1 )α . (46) Припускаючи,що ‖z(t)‖α ≤ ξ при t ∈ [t0, τ̃ ′ 1] , i враховуючи (32), (39) i (46), переписуємо оцiнку (43) у виглядi ‖z(t)‖α ≤M1e −β1(t−t0)‖z0‖α ( 1 + C̃1(M2KξQ̃+ rP2) (t− τ̃ ′′1 )α ) + + t∫ τ̃ ′′1 M2Kρ1‖z(s)‖αe−β1(t−s) (t− s)α ds, де P2 = P1e β1 supj |τ̃ ′′j −τ̃ ′j |, Q̃ = max j { 1, (τ̃ ′j+1 − τ̃ ′′j ) } . Позначимо також θ̃ = minj { 1, (τ̃ ′j+1 − τ̃ ′′j ) } . З урахуванням перманентностi ‖z‖α ≤ ρ1, t ≥ t0. За лемою 1 отримуємо ‖z(t)‖α ≤M1C̃1e −β1(t−t0)‖z0‖α ( 1 + C̃1(M2KξQ̃+ rP2) (t− τ̃ ′′1 )α ) , t ∈ ( τ ′′1 , τ ′ 2 ] . (47) Припустимо, що при t ∈ [t0, τ̃ ′ i ] розв’язок w(t) задовольняє нерiвнiсть ‖w(t)‖α ≤ ρ1 так, що ‖z(t)‖α = ‖w(t)− w0(t)‖α ≤ ξ для t ∈ ∪ij=1Jj з деяким ξ > 0. Аналогiчно до [20] за методом математичної iндукцiї доводимо, що для t ∈ ( τ̃ ′′i , τ̃ ′ i+1 ] , i = 1, 2, . . . , ‖z(t)‖α ≤M1C̃1‖z0‖αe−β1(t−t0) ( 1 + C̃1(M2KξQ̃+ rP2) (t− τ̃ ′′i )α ) Ai−1 ξ,r , де Aξ,r = ( 1 + C̃1(M2KξQ̃+ rP2) (1− α)θ̃α ) . За формулою (41) якщо ‖z0‖α ≤ δ = ε/(M1C̃1), то ‖z(t)‖α ≤ ε при t ∈ [t0, τ̃ ′ 1] . За формулою (47) розв’язок z(t) задовольняє нерiвнiсть ‖z(t)‖α < ε на iнтервалi t ∈ ∈ [τ̃ ′′1 + η, τ̃ ′2] , якщо ‖z0‖α ≤ ε M1C̃1 ( 1 + C̃1(M2KεQ̃+ rP2) ηα )−1 . (48) Оскiльки Kξ → 0 при ξ → 0, то при досить малих ξ > 0 i r > 0 справедлива нерiвнiсть Aξ,re−β1θ < 1 i e−β1(τ̃ ′ i−t0)Ai−1 ξ,r → 0, i→∞. (49) Отже, для довiльних фiксованих ε > 0 i η > 0, якщо початкове значення задовольняє умову (48) i виконується нерiвнiсть Aε,re−β1θ < 1, то ‖z(t)‖α < ε для всiх t ∈ [ τ̃ ′′i + η, τ̃ ′i+1 ] , i = 1, 2, . . . . Це й доводить стiйкiсть. Виберемо ε0 > 0 i r0 > 0 такими, що Aε0,r0e −β1θ < 1. Тодi при r ≤ r0, виходячи з (49), для кожних додатних ε ≤ ε0 i η iснує таке натуральне i0, що при всiх i ≥ i0 i t ∈ [τ̃ ′′i + η, τ̃ ′i+1] виконується ‖z(t)‖α < ε. Отже, w -майже перiодичний розв’язок w∗(t) асимптотично стiйкий. Теорему 2 доведено. ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2018, т. 21, № 3 322 А. В. ДВОРНИК, В. I. ТКАЧЕНКО Лiтература 1. Akhmet M. U., Beklioglu M., Ergenc T., Tkachenko V. I. An impulsive ratio-dependent predator-prey system with diffusion // Nonlinear Anal. Real World Appl. – 2006. – 7, № 5. – P. 1255 – 1267. 2. Dvirnyj A. I., Slyn’ko V. I. Stability in terms of two measures for a class of semilinear impulsive parabolic equations // Sbornik: Mathematics. – 2013. – 204, № 4. – P. 485 – 507. 3. Li C., Guo X., He D. An impulsive diffusion predator-prey system in three-species with Beddington –DeAngelis response // J. Appl. Math. Comput. – 2013. – 43, № 1 – 2. – P. 235 – 248. 4. Rogovchenko Y. V. Nonlinear impulse evolution systems and applications to population models // J. Math. Anal. Appl. – 1997. – 207, № 2. – P. 300 – 315. 5. Струк О. О., Ткаченко В. I. Про системи Лотки –Вольтерри з дифузiєю та iмпульсною дiєю // Укр. мат. журн. – 2002. – 54, № 4. – С. 514 – 526. 6. Самойленко А. М., Перестюк Н. А. Дифференциальные уравнения с импульсным воздействием. – К.: Вища шк., 1987. – 288 c. 7. Перестюк Н. А., Самойленко А. М., Трофимчук С. И. Обобщенные решения импульсных систем и явление биений // Укр. мат. журн. – 1991. – 43, № 5. – С. 657 – 663. 8. Akhmetov M. U., Perestyuk N. A. Periodic and almost periodic solutions of strongly nonlinear impulse systems // J. Appl. Math. Mech. – 1992. – 56, № 6. – P. 829 – 837. 9. Дворник А. В., Ткаченко В. I. Майже перiодичнi розв’язки систем iз запiзненням та нефiксованими моментами iмпульсної дiї // Укр. мат. журн. – 2016. – 68, № 11. – С. 1450 – 1466. 10. Hakl R., Pinto M., Tkachenko V., Trofimchuk S. Almost periodic evolution systems with impulse action at state-dependent moments // J. Math. Anal. Appl. – 2017. – 46, № 1. – P. 1030 – 1045. 11. He M., Chen F., Li Z. Almost periodic solution of an impulsive differential equation model of plankton allelopathy // Nonlinear Anal. Real World Appl. – 2010. – 11, № 4. – P. 2296 – 2301. 12. Henriquez H. R., De Andrade B., Rabelo M. Existence of almost periodic solutions for a class of abstract impulsive differential equations // ISRN Math. Anal. – 2011. – Article ID 632687. – 21 p. 13. Pinto M., Robledo G. Existence and stability of almost periodic solutions in impulsive neural network models // Appl. Math. Comput. – 2010. – 217, № 8. – P. 4167 – 4177. 14. Samoilenko A. M., Trofimchuk S. I. Almost periodic impulsive systems // Differ. Equ. – 1993. – 29. – № 4. – P. 684 – 691. 15. Stamov G. T. Almost periodic solutions of impulsive differential equations // Lect. Notes Math. – 2012. – 2047. – XX + 217 p. 16. Tkachenko V. Almost periodic solutions of parabolic type equations with impulsive action // Funct. Differ. Equ. – 2014. – 21, № 3-4. – P. 155 – 169. 17. Халанай А., Векслер Д. Качественная теория импульсных систем. – М.: Мир, 1971. – 310 с. 18. Tkachenko V. Almost periodic solutions of evolution differential equations with impulsive action // Mathematical Modeling and Applications in Nonlinear Dynamics. – New York: Springer, 2016. – P. 161 – 205. 19. Дворник А. В., Струк О. О., Ткаченко В. I. Майже перiодичнi розв’язки систем Лотки –Вольтерра з дифузiєю та iмпульсною дiєю // Укр. мат. журн. – 2018. – 70, № 2. – С. 177 – 192. 20. Dvornyk A. V., Tkachenko V. I. On the stability of solutions of evolution equations with nonfixed moments of impulse action // J. Math. Sci. (N.Y.) – 2017. – 220, № 4. – P. 425 – 439. 21. Самойленко А. М., Трофимчук С. И. Неограниченные функции с почти периодическими разностями // Укр. мат. журн. – 1991. – 43, № 10. – С. 1306 – 1309. 22. Henry D. Geometric theory of semilinear parabolic equations // Lect. Notes Math. – 1981. – 840. – IV + 348 p. 23. Alikakos N. D. An application of the invariance principle to reaction-diffusion equations // J. Differential Equations. – 1979. – 33, № 2. – P. 201 – 225. Одержано 11.05.2018 ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2018, т. 21, № 3
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-177330
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 1562-3076
language Ukrainian
last_indexed 2025-12-07T17:56:50Z
publishDate 2018
publisher Інститут математики НАН України
record_format dspace
spelling Дворник, А.В.
Ткаченко, В.І.
2021-02-14T11:05:51Z
2021-02-14T11:05:51Z
2018
Майже періодичні розв’язки систем Лотки – Вольтерра з дифузією та нефіксованими моментами імпульсної дії / А.В. Дворник, В.І. Ткаченко // Нелінійні коливання. — 2018. — Т. 21, № 3. — С. 305-322 — Бібліогр.: 23 назв. — укр.
1562-3076
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/177330
517.9
Встановлено умови iснування та асимптотичної стiйкостi строго додатних кусково-неперервних майже перiодичних розв’язкiв систем диференцiальних рiвнянь Лотки – Вольтерра з дифузiєю та нефiксованими моментами iмпульсної дiї.
We study the existence and asymptotic stability of strongly positive piecewise continuous almost periodic solutions for Lotka – Volterra systems of differential equations with diffusion and non-fixed moments of impulsive action.
uk
Інститут математики НАН України
Нелінійні коливання
Майже періодичні розв’язки систем Лотки – Вольтерра з дифузією та нефіксованими моментами імпульсної дії
Почти периодические решения систем Лотки – Вольтерра с диффузией и нефиксированными моментами импульсного воздействия
Almost periodic solutions of Lotka – Volterra systems with diffusion and nonfixed times of pulse action
Article
published earlier
spellingShingle Майже періодичні розв’язки систем Лотки – Вольтерра з дифузією та нефіксованими моментами імпульсної дії
Дворник, А.В.
Ткаченко, В.І.
title Майже періодичні розв’язки систем Лотки – Вольтерра з дифузією та нефіксованими моментами імпульсної дії
title_alt Почти периодические решения систем Лотки – Вольтерра с диффузией и нефиксированными моментами импульсного воздействия
Almost periodic solutions of Lotka – Volterra systems with diffusion and nonfixed times of pulse action
title_full Майже періодичні розв’язки систем Лотки – Вольтерра з дифузією та нефіксованими моментами імпульсної дії
title_fullStr Майже періодичні розв’язки систем Лотки – Вольтерра з дифузією та нефіксованими моментами імпульсної дії
title_full_unstemmed Майже періодичні розв’язки систем Лотки – Вольтерра з дифузією та нефіксованими моментами імпульсної дії
title_short Майже періодичні розв’язки систем Лотки – Вольтерра з дифузією та нефіксованими моментами імпульсної дії
title_sort майже періодичні розв’язки систем лотки – вольтерра з дифузією та нефіксованими моментами імпульсної дії
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/177330
work_keys_str_mv AT dvornikav maižeperíodičnírozvâzkisistemlotkivolʹterrazdifuzíêûtanefíksovanimimomentamiímpulʹsnoídíí
AT tkačenkoví maižeperíodičnírozvâzkisistemlotkivolʹterrazdifuzíêûtanefíksovanimimomentamiímpulʹsnoídíí
AT dvornikav počtiperiodičeskierešeniâsistemlotkivolʹterrasdiffuzieiinefiksirovannymimomentamiimpulʹsnogovozdeistviâ
AT tkačenkoví počtiperiodičeskierešeniâsistemlotkivolʹterrasdiffuzieiinefiksirovannymimomentamiimpulʹsnogovozdeistviâ
AT dvornikav almostperiodicsolutionsoflotkavolterrasystemswithdiffusionandnonfixedtimesofpulseaction
AT tkačenkoví almostperiodicsolutionsoflotkavolterrasystemswithdiffusionandnonfixedtimesofpulseaction