ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ, 2021, том 57, № 11, с. 1458-1463
ОБЫКНОВЕННЫЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ
УДК 517.938
НЕОТРИЦАТЕЛЬНЫЕ РЕШЕНИЯ СИСТЕМ
С ДРОБНО-РАЦИОНАЛЬНЫМИ ПРАВЫМИ ЧАСТЯМИ
И ЛОКАЛИЗАЦИЯ АТТРАКТОРОВ
© 2021 г. А. П. Крищенко, К. Е. Старков
Для автономных систем обыкновенных дифференциальных уравнений с дробно-рацио-
нальными правыми частями, для которых неотрицательный ортант положительно инва-
риантен, найдены достаточные условия существования нетривиальных локализирующих
множеств, соответствующих координатным функциям. Установлены условия существова-
ния у таких систем аттрактора и исследовано его положение. Для систем, представляющих
собой модели популяционной динамики, указана связь полученных результатов с услови-
ями вымирания или выживания популяций.
DOI: 10.31857/S0374064121110030
Введение. Через Rn+,0 обозначим неотрицательный ортант пространства Rn, т.е. ортант,
образованный точками с неотрицательными координатами: Rn+,0 = {x = (x1, . . . , xn)т : xi 0,
i = 1,n}. Рассмотрим в Rn автономную систему обыкновенных дифференциальных уравне-
ний
x = f(x), x = (x1,...,xn)тRn, f(x) = (f1(x),...,fn(x))т.
(1)
Далее считаем, что каждая функция fi(x), i = 1, n, является дробно-рациональной, причём
такой, что она представима в виде отношения двух многочленов со знаменателем, не имеющим
нулей в Rn+,0. Раскладывая в этом представлении функции fi(x) числитель по степеням xi,
получаем, что
fi(x) = xmi pi(x)i,
pi(x) =
pij(xi)xji, i = 1,n,
(2)
qi(x)
j=0
где mi - целое неотрицательное число, qi(x) - многочлен, принимающий положительные зна-
чения при x ∈ Rn+,0, а pi(x) - многочлен ni-й степени по переменной xi, коэффициенты кото-
рого pij(xi), j = 0, ni, являются многочленами переменной xi = (x1, . . . , xi-1, xi+1, . . . , xn)т и
свободный член pi0(xi) ненулевой. Введём удобное в дальнейшем обозначение для отношения
k-го и m-го коэффициентов многочлена pi(x) : именно, положим Pikm(xi) ≡ pik(xi)/pim(xi),
0k,mni.
Будем предполагать, что для системы (1) множество Rn+,0 положительно инвариантно.
Для функций (2) это приводит к условию
fi(x)|{x
0.
(3)
i=0} R+
,0
Поэтому в (2) для каждого значения i выполняется одно из двух условий: либо mi > 0, либо
pi0(xi) 0 при
xi 0, если mi = 0.
К виду (1), (2) преобразуются математические модели роста раковой опухоли с учётом
реакции иммунной системы [1, 2], развития рака поджелудочной железы [3, 4], динамики эко-
логических систем [5], взаимодействия иммунной системы и раковых клеток [6-8], развития
связанного со спидом рака [9], роста меланомы [10] и многие другие модели популяционной
динамики.
В данной работе получены достаточные условия существования локализирующих мно-
n
жеств вида
{0 xi ai} для инвариантных компактов и аттрактора системы (1)-(3).
i=1
1458
НЕОТРИЦАТЕЛЬНЫЕ РЕШЕНИЯ СИСТЕМ
1459
1. Обозначения и определения. Все компактные инвариантные множества системы
x = F(x), x ∈ Rn, F ∈ C1(Rn,Rn),
(4)
содержащиеся в подмножестве Q ⊂ Rn, лежат в локализирующем множестве Ω(φ, Q) [11],
соответствующем функции φ ∈ C1(Rn) (локализирующей функции) и множеству Q ⊂ Rn и
определяемом равенством
Ω(φ, Q) = {x ∈ Q : φinf (Q) φ(x) φsup(Q)},
(5)
здесь
φinf(Q) = inf(x) : x ∈ S(φ)
Q}, φsup(Q) = sup(x) : x ∈ S(φ) Q},
а S(φ) = {x ∈ Rn : LFφ(x) = 0} - универсальное сечение функции φ, LFφ - производная Ли
от функции φ(x) по направлению векторного поля системы (4). Очевидно, что производная
LF φ не имеет нулей в Q \ Ω(φ,Q).
Локализирующие множества системы (4), построенные по множеству Q и функции φ(x),
имеют следующие свойства [12-14].
Утверждение 1. Если множество Q компактно и положительно инвариантно, то и
локализирующее множество (5) компактно и положительно инвариантно.
Утверждение 2. Пусть множество Q положительно инвариантно и выполнены нера-
венства LF φ > 0 в Q
{x ∈ Rn : φ(x) < φinf (Q)} и LF φ < 0 в Q {x ∈ Rn : φ(x) > φsup(Q)}.
Тогда любое расширение
Ω(φ, Q, ε-, ε+) = {x ∈ Q : φinf (Q) - ε- φ(x) φsup(Q) + ε+}, ε-, ε+ > 0,
(6)
локализирующего множества (5) положительно инвариантно.
Утверждение 3. Пусть выполняются следующие условия: множество Q положитель-
но инвариантно; начинающиеся в Q траектории системы определены на неограниченном
вправо временном интервале; для любого ε > 0 существует δ > 0 такое, что LF φ(x) < -δ
при x ∈ Q
{x ∈ Rn : φsup(Q) + ε+ φ(x) φsup(Q) + ε+ + ε}; для любого ε > 0 существует
δ > 0 такое, что LFφ(x) > δ при x ∈ Q
{x ∈ Rn : φinf (Q) - ε- - ε φ(x) φsup(Q) - ε-}.
Тогда начинающиеся в Q \ Ω(φ, Q, ε-, ε+) траектории системы (4) попадают в множество
Ω(φ, Q, ε-, ε+) (см. определение (6)) за конечное время.
Последовательности hi ∈ C1(Rn), i ∈ N, локализирующих функций соответствуют итера-
ционные последовательности локализирующих множеств вида (5)
K0 = Q, K1 = Ω(h1,K0), ... , Ki = Ω(hi,Ki-1), ...
(7)
и расширенных локализирующих множеств
K0 = Q, K1 = Ω(h1,K01-1+), ... , K′i = Ω(hi,K′i-1i-i+), ...
(8)
Множества (7), (8) содержат все компактные инвариантные множества, лежащие в множе-
стве Q, и множества (8) положительно инвариантны, если положительно инвариантно мно-
жество Q.
2. Предварительные результаты. Обозначим через S(φ,Q) пересечение S(φ)
Q, на-
зываемое универсальным сечением функции φ, соответствующим множеству Q.
Рассмотрим i-е уравнение системы (1)-(3).
Теорема 1. Пусть Q ⊂ Rn+,0 и старший коэффициент pini (xi) многочлена pi(x) не
имеет нулей в Q. Тогда справедливы следующие утверждения.
1. Если ni = 0, mi = 0 или ni = 0, mi > 0 и {xi = 0}
Q = , то система не имеет
инвариантных компактов, содержащихся в Q.
2. Если ni = 0, mi > 0 и {xi = 0}
Q = , то все инвариантные компакты, принадле-
жащие множеству Q, содержатся в множестве {xi = 0}
Q.
3. Если ni > 0 и Ai < +∞, где
Ai = sup max
|Pijn
(xi)|,
(9)
i
x∈Q j=0,ni-1
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 57
№ 11
2021
2
1460
КРИЩЕНКО, СТАРКОВ
то все инвариантные компакты, принадлежащие множеству Q, содержатся в множестве
{x ∈ Rn : 0 xi Ai + 1}
Q.
(10)
Доказательство. Локализирующей функции h = xi и множеству Q соответствует уни-
версальное сечение
{
S(h, Q) = x ∈ Rn : xmi
pij(xi)xji = 0}⋂Q.
i
j=0
Если S(h, Q) =, то система не имеет инвариантных компактов, содержащихся в Q.
Именно этот случай реализуется при выполнении условий утверждения 1 теоремы.
В условиях утверждения 2 получаем, что S(h, Q) = {xi = 0}
Q = , hinf(Q) = hsup(Q) =
= 0 и все инвариантные компакты из Q содержатся в множестве Ω(h,Q), совпадающем с
множеством S(h, Q).
Пусть выполнены условия утверждения 3 теоремы и mi > 0. Тогда S(h, Q) = ({xi =
= 0}
{nij=0 pij(xi)xi = 0}) Q =. Поэтому hinf (Q) 0, а hsup(Q) max{0, sup Pi}, где
ni
Pi = {xi :
pij(xi)xji = 0, x ∈ Q}. Множество Pi содержится в множестве неотрицатель-
j=0
ных корней многочлена
pij(xi)
xji + xnii
)
pini(xi
j=0
относительно переменной xi, а значит, sup Pi Ai + 1. Следовательно, справедливо вклю-
чение Ω(h, Q) ⊂ {0 xi Ai + 1}
Q, которое выполнено и в случаях mi = 0, ni > 0 и
пустого множества S(h, Q). Теорема доказана.
Следствие. Если при Q = Rn+,0 для каждого i = 1, n выполнено утверждение 2 или 3
теоремы 1, то все инвариантные компакты системы содержатся в параллелотопе
i=n
i=1
{0 xi si},
где si = Ai + 1 или si = 0.
Уточним утверждение 3 теоремы 1 при ni = 1, 2, Q = Rn+,0 и отсутствии нулей в Rn-1+,0 у
старшего коэффициента pini (xi) многочлена pi(x). В случае mi = 0 согласно условию (3) в
Rn-1+,0 выполнено неравенство pi0(xi) 0. Фиксируем локализирующую функцию h = xi.
Рассмотрим случай mi = 0, ni = 1.
Если pi1(xi) > 0 в Rn-1+,0, то для функции h = xi универсальное сечение S(h, Rn+,0) сов-
падает с множеством {xi = 0}
{pi0(xi) = 0}⋂ Rn+,0 и оказывается, что все инвариантные
компакты содержатся в этом же множестве.
Если pi1(xi) < 0 в Rn-1+,0, то универсальное сечение S(h, Rn+,0) имеет вид
{x ∈ Rn+,0 : xi = ψi(xi)}, ψi(xi) = -Pi01(xi) 0
и поэтому
hinf(Rn+,0) = inf
ψi(xi), hsup(Rn+,0) = sup
ψi(xi).
Rn-1+,0
Rn-1
+,0
Следовательно, все инвариантные компакты содержатся в локализирующем множестве
{
Ω(h, Rn+,0) = x ∈ Rn : inf
ψi(xi) xi sup
ψi(xi)}⋂Rn+,0.
(11)
Rn-1+,0
Rn-1
+,0
Рассмотрим случай mi > 0, ni = 1. Универсальное сечение S(h, Rn+,0) совпадает с мно-
жеством {xi = 0}
⋂Rn+,0 H, где H = {x ∈ Rn : pi0(xi) + pi1(xi)xi = 0}⋂Rn+,0. Несложно
заметить, что в этом случае
hinf(Rn+,0) = 0, hsup(Rn+,0) 0
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 57
№ 11
2021
НЕОТРИЦАТЕЛЬНЫЕ РЕШЕНИЯ СИСТЕМ
1461
и, более того, hsup(Rn+,0) = max{0, sup
ψi(xi)}. Следовательно, все инвариантные компакты
Rn-1
+,0
содержатся в локализирующем множестве
{
{
}}⋂
Ω(h, Rn+,0) = x ∈ Rn : 0 xi max
0, sup
ψi(xi)
Rn+,0.
(12)
Rn-1
+,0
В случае mi = 0, ni = 2 универсальное сечение функции h имеет вид
S(h, Rn+,0) = {x ∈ Rn : pi(x) = pi0(xi) + pi1(xi)xi + pi2(xi)x2i = 0}
⋂Rn+,0.
Если pi2(xi) > 0 в Rn-1+,0, то в Rn+,0 выполняется неравенство
pi(x) xi(pi1(xi) + pi2(xi)xi) > 0
для xi > max{0, -Pi12(xi)}. Поэтому при
sup
-Pi12(xi) < 0
Rn-1
+,0
находим, что S(h, Rn+,0) = {x ∈ Rn : pi0(xi) = 0; xi = 0}
⋂Rn+,0 и, если S(h,Rn+,0) =, то
имеет место равенство hsup(Rn+,0) = 0, а при
sup
-Pi12(xi) 0
Rn-1
+,0
выполнено неравенство
hsup(Rn+,0) sup
-Pi12(xi).
Rn-1
+,0
Следовательно, все инвариантные компакты содержатся в множестве
{
{
}}⋂
x ∈ Rn : 0 ximax sup
-Pi12(xi),0
Rn+,0.
(13)
Rn-1
+,0
Если pi2(xi) < 0 в Rn-1+,0, то в {xi 1}
⋂Rn+,0 справедливо неравенство
pi(x) xi(pi0(xi) + pi1(xi) + pi2(xi)xi) < 0
для xi > max{1, -Pi02(xi) - Pi12(xi)}. Поэтому
hsup(Rn+,0) sup
max{1, -Pi02(xi) - Pi12(xi)}
Rn-1
+,0
и все инвариантные компакты содержатся в множестве
{
{
}}⋂
0 ximax
1, sup
(-Pi02(xi) - Pi12(xi))
Rn+,0.
(14)
Rn-1
+,0
3. Существование ограниченного локализирующего множества. Для существова-
ния ограниченного локализирующего множества в виде параллелотопа
n
{0 ai xi bi}, ai, bi R,
(15)
i=1
достаточно выполнения условий следствия. Эти условия содержат требование конечности точ-
ных верхних граней вида (9) при Q = Rn+,0. Аналогичное требование конечности точных
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 57
№ 11
2021
1462
КРИЩЕНКО, СТАРКОВ
верхних граней должно выполняться и в случае использования для некоторых значений i ло-
кализирующих множеств (11)-(14) вместо (10). Построение итерационной последовательности
локализирующих множеств с использованием координатных локализирующих функций позво-
ляет ослабить это требование. Действительно, при нахождении первого члена K1 = Ω(h1, K0)
итерационной последовательности для системы (1) экстремальные значения координатной ло-
кализирующей функции h1 находятся на пересечении её универсального сечения с исходным
множеством K0 = Q, которое для системы (1) равно Rn+,0. В результате K1 = Ω(h1, K0) =
= {x ∈ Rn : 0 h1inf (Rn+,0) h1(x) h1sup(Rn+,0)}
⋂Rn+,0, и пусть функция h1 такая,
что h1sup(Rn+,0) R, т.е. для первой функции h1 выполняется требование конечности вели-
чины h1sup(Rn+,0). При нахождении k-го члена этой последовательности Kk = Ω(hk, Kk-1),
k > 1, экстремальные значения локализирующей функции hk находятся на пересечении её
универсального сечения с предыдущим локализирующим множеством Kk-1 = Ω(hk-1, Kk-2).
Поэтому достаточно выполнения более слабого условия hksup(Kk-1) R. Пусть при каждом
k = 2,n координатная функция hk такая, что все функции h1, ..., hk попарно различны и
hksup(Kk-1) R. Тогда приходим к следующему утверждению.
Теорема 2. Пусть для системы (1) существует такой упорядоченный набор из n по-
парно различных координатных локализирующих функций
h1 = xi1 , ... , hn = xin,
(16)
что все экстремальные значения hisup(Ki-1), i = 1, n, конечны, где K0 = Rn+,0, Ki =
= Ω(hi,Ki-1), i = 1,n - 1. Тогда все инвариантные компакты системы, содержащиеся в
K0, лежат в ограниченном множестве Kn = Ω(hn,Kn-1).
В качестве примера укажем систему, рассмотренную в работе [15]. Она преобразуется к
системе четвёртого порядка вида (1)-(3), где все ni = 1, m2 = 1, а остальные mi = 0. Для
этой системы условия теоремы 2 выполнены при h1 = x2, h2 = x4, h3 = x1 и h4 = x3.
4. Существование аттрактора. Теорема 2 утверждает существование ограниченного
локализирующего множества для всех инвариантных компактов системы, которое имеет вид
(15), но для существования в системе аттрактора необходимо ещё свойство ограниченности
положительных полутраекторий системы. Установить это свойство можно с помощью провер-
ки выполнения условий утверждения 3. Для этого локализирующим функциям (16) поставим
в соответствие расширенные локализирующие множества вида (8), полагая
K0 = Rn+,0, K′k = Ω(hi
,K′k-1,0k), εk > 0, k = 1,n.
k
Приходим к следующему следствию теоремы 2 и утверждения 3.
Теорема 3. Пусть выполнены следующие условия: начинающиеся в Rn+,0 траектории сис-
темы (1)-(3) определены на неограниченном вправо временном интервале; существует такой
упорядоченный набор из n попарно различных координатных локализирующих функций (16)
и такие достаточно малые положительные εk, k = 1,n, что все экстремальные значения
hksup(K′k-1), k = 1,n, конечны и для любого k = 1,n и любого ε > 0 существует такое
δ > 0, чтоhk(x) < -δ < 0 при x ∈ K′k-1 {x ∈ Rn : hksup(K′k-1)+εkhk(x) hksup(K′k-1)+
+ εk + ε}. Тогда все траектории системы попадают в ограниченное положительно инвари-
антное множество Ω(hn, K′n-1, 0, εn) за конечное время и не выходят из него.
5. Вымирание и выживание популяций. Важное значение для приложений [1-9] име-
ют условия на параметры системы, при которых происходит вымирание популяций или со-
хранение их численности (объёма) большим некоторой положительной величины, например,
с некоторого момента времени при всех ненулевых начальных состояниях. Пусть в системе
(1) переменная xi характеризует объём популяции и решение x(t) = x(t, x0) соответствует
начальному условию x0 = x(0, x0). Тогда вымирание популяции означает выполнение условия
lim
xi(t) = 0 для всех начальных условий с xi(0) > 0, а выживание популяции - существо-
t→+
вание постоянной c > 0, для которой lim xi(t) > c при всех начальных условий с xi(0) > 0.
t→+
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 57
№ 11
2021
НЕОТРИЦАТЕЛЬНЫЕ РЕШЕНИЯ СИСТЕМ
1463
Условие вымирания обычно находится с помощью доказательства асимптотической устойчи-
вости в целом положения равновесия, принадлежащего множеству {xi = 0}, или с помощью
принципа инвариантности Ла-Салля. В последнем случае используется неположительность
производной функции V (x), например, V (x) = xi, в положительно инвариантном множе-
стве D, в которое все траектории системы попадают за конечное время. Для доказательства
выживания достаточно установить существование такого c > 0, что любая траектория попа-
дает за конечное время в множество {xi > c} и не выходит из него. В этом случае также часто
используется положительно инвариантное множество D, в которое все траектории попадают
за конечное время. При выполнении условий теоремы 3 в качестве D можно рассмотреть
множество Ω(hn, K′n-1, 0, εn).
Заключение. Для изложения результатов использованы координатные локализирующие
функции. Установлено, что возникающие локализирующие множества ограничены плоскостя-
ми, параллельными координатным плоскостям, что упрощает интерпретацию этих множеств.
Работа Крищенко А.П. выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фунда-
ментальных исследований (проект 20-07-00296) и Министерства науки и высшего образования
Российской Федерации (проект 0705-2020-0047).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ku-Carrillo R.A., Delgadillo S.E., Chen-Charpentier B.M. A mathematical model for the effect of obesity
on cancer growth and on the immune system response // Appl Math. Model. 2016. V. 40. P. 4908-4920.
2. Khajanchi S. Uniform persistence and global stability for a brain tumor and immune system interaction
// Biophys. Rev. and Lett. 2017. V. 12. № 4. P. 187-208.
3. Louzoun Y., Xue C., Lesinski G.B, Friedman A. A mathematical model for pancreatic cancer growth
and treatments // J. Theor. Biol. 2014. V. 351. P. 74-82.
4. Hu X., Ke G., Jang S. R.-J. Modeling pancreatic cancer dynamics with immunotherapy // Bull. Math.
Biol. 2019. V. 81. P. 1885-1915.
5. Hastings A. Transient dynamics and persistence of ecological systems // Ecology Lett. 2001. V. 4. P. 215-
220.
6. Kirschner D., Panetta J.C. Modeling immunotherapy of the tumor-immune interaction // J. Math. Biol.
1998. V. 37. P. 235-252.
7. De Pillis L.G., Radunskaya A. The dynamics of an optimally controlled tumor model: a case study
// Math. Comp. Model. 2003. V. 37. P. 1221-1244.
8. Starkov K.E., Krishchenko A.P. Ultimate dynamics of the Kirschner-Panetta model: Tumor eradication
and related problems // Phys. Lett. A. 2017. V. 381. P. 3409-3416.
9. Lou J., Ruggeri T., Ma Z. Cycles and chaotic behavior in an AIDS-related cancer dynamic model in vivo
// J. Biol. Systems. 2007. V. 15. P. 149-168.
10. Kronik N., Kogan Y., Schlegel P.G., Wolfl M. Improving T-cell immunotherapy for melanoma through
a mathematically motivated strategy: efficacy in numbers? // J. Immunother. 2012. V. 35. P. 116-124.
11. Крищенко А.П. Локализация инвариантных компактов динамических систем // Дифференц. урав-
нения. 2005. Т. 41. № 12. С. 1597-1604.
12. Крищенко А.П. Поведение траекторий автономных систем // Дифференц. уравнения. 2018. Т. 54.
№ 11. С. 1445-1450.
13. Крищенко А.П. Локализация простой и сложной динамики в нелинейных системах // Дифференц.
уравнения. 2015. Т. 51. № 11. С. 1440-1447.
14. Крищенко А.П. Анализ асимптотической устойчивости автономных систем методом локализации
инвариантных компактов // Докл. РАН. 2016. Т. 469. № 1. С. 17-20.
15. Крищенко А.П., Тверская Е.С. Поведение траекторий систем с неотрицательными переменными
// Дифференц. уравнения. 2020. Т. 56. № 11. С. 1439-1446.
Московский государственный технический университет
Поступила в редакцию 10.05.2021 г.
им. Н.Э. Баумана,
После доработки 10.05.2021 г.
Федеральный исследовательский центр
Принята к публикации 05.10.2021 г.
“Информатика и управление” РАН, г. Москва,
Центр исследований и разработок
в области цифровых технологий (CITEDI)
Национального политехнического института,
г. Тихуана, Мексика
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 57
№ 11
2021