Стохастическая чувствительность квазипериодических и хаотических аттракторов дискретной модели Лотки-Вольтерры

  • Александр Владимирович Беляев
    • Уральский федеральный университет
  • Татьяна Владимировна Перевалова
    • Уральский федеральный университет
Ключевые слова: популяционная динамика, стохастическая чувствительность, хаос, замкнутая инвариантная кривая

Аннотация

Целью исследования, представленного в данной статье, является анализ возможных динамических режимов детерминированной и стохастической модели Лотки-Вольтерры. В зависимости от двух параметров системы строится карта режимов. Изучаются параметрические зоны существования устойчивых равновесий, циклов, замкнутых инвариантных кривых, а также хаотических аттракторов. Описываются бифуркации удвоения периода, Неймарка-Саккера и кризиса. Демонстрируется сложная форма бассейнов притяжения нерегулярных аттракторов (замкнутой инвариантной кривой и хаоса). Помимо детерминированной системы подробно изучается стохастическая, описывающая влияние внешнего случайного воздействия. Здесь ключевым является нахождение чувствительности таких сложных аттракторов, как замкнутая инвариантная кривая и хаос. В случае хаоса дан алгоритм нахождения критических линий, описывающих границу хаотического аттрактора. Опираясь на найденную функцию стохастической чувствительности, строятся доверительные полосы, позволяющие описать разброс случайных состояний вокруг детерминированного аттрактора.

Литература

1. Neverova G.P., Zhdanova O.L., Ghosh B., Frisman E.Y. Dynamics of a discrete-time stage-structured predator-prey system with Holling type II response function // Nonlinear Dynamics. 2019. Vol. 98. No. 1. P. 427-446.
https://doi.org/10.1007/s11071-019-05202-3
2. Khan A.Q. Bifurcations of a two-dimensional discrete-time predator-prey model // Advances in Difference Equations. 2019. Vol. 2019.
https://doi.org/10.1186/s13662-019-1995-6
3. Pal S., Pal N., Chattopadhyay J. Hunting cooperation in a discrete-time predator-prey system // International Journal of Bifurcation and Chaos. 2018. Vol. 28. No. 7. P. 1850083.
https://doi.org/10.1142/S0218127418500839
4. Zhao M., Li C.P., Wang J.L. Complex dynamic behaviors of a discrete-time predator-prey system // Journal of Applied Analysis and Computation. 2017. Vol. 7. No. 2. P. 478-500.
https://doi.org/10.11948/2017030
5. Saratchandran P.P., Ajithprasad K.C., Harikrishnan K.P. Numerical exploration of the parameter plane in a discrete predator-prey model // Ecological Complexity. 2015. Vol. 21. P. 112-119.
https://doi.org/10.1016/j.ecocom.2014.11.010
6. ReniSagayaRaj M., George Maria Selvam A., Dhineshbabu R. Stability in a discrete nonlinear prey-predator model with functional response // International Journal of Emerging Technologies in Computational and Applied Sciences. 2014. Vol. 7. No. 2. P. 190-193.
7. ReniSagayaRaj M., George Maria Selvam A., Meganathan M. Dynamics in a discrete prey-predator system // International Journal of Engineering Research and Development. 2013. Vol. 6. No. 5. P. 1-5.
8. Elsadany A.A.E., El-Metwally H.A., Elabbasy E.M., Agiza H.N. Chaos and bifurcation of a nonlinear discrete prey-predator system // Computational Ecology and Software. 2012. Vol. 2. No. 3. P. 169-180.
http://www.iaees.org/publications/journals/ces/articles/2012-2(3)/2012-2(3).asp
9. Ren J.L., Yu L.P., Siegmund S. Bifurcations and chaos in a discrete predator-prey model with Crowley-Martin functional response // Nonlinear Dynamics. 2017. Vol. 90. No. 1. P. 19-41.
https://doi.org/10.1007/s11071-017-3643-6
10. Avrutin V., Gardini L., Sushko I., Tramontana F. Continuous and discontinuous piecewise-smooth one-dimensional maps: Invariant sets and bifurcation structures. Singapore: World Scientific, 2019.
https://doi.org/10.1142/8285
11. Allen L.J.S., Fagan J.F., Högnäs G., Fagerholm H. Population extinction in discrete-time stochastic population models with an Allee effect // Journal of Difference Equations and Applications. 2005. Vol. 11. Issue 4-5. P. 273-293.
https://doi.org/10.1080/10236190412331335373
12. Bashkirtseva I.A. Stochastic sensitivity synthesis in discrete-time systems with parametric noise // IFAC-PapersOnLine. 2018. Vol. 51. No. 32. P. 610-614.
https://doi.org/10.1016/j.ifacol.2018.11.491
13. Bashkirtseva I., Tsvetkov I. Impact of the parametric noise on map-based dynamical systems // AIP Conference Proceedings. 2018. Vol. 2025. Issue 1. 040004.
https://doi.org/10.1063/1.5064888
14. Bashkirtseva I., Ekaterinchuk E., Ryashko L. Analysis of noise-induced transitions in a generalized logistic model with delay near Neimark-Sacker bifurcation // Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical. 2017. Vol. 50. No. 27. P. 275102.
https://doi.org/10.1088/1751-8121/aa734b
15. Bashkirtseva I., Ryashko L. Noise-induced shifts in the population model with a weak Allee effect // Physica A: Statistical Mechanics and its Applications. 2018. Vol. 491. P. 28-36.
https://doi.org/10.1016/j.physa.2017.08.157
16. Bashkirtseva I., Ryashko L. Stochastic sensitivity analysis of noise-induced extinction in the Ricker model with delay and Allee effect // Bulletin of Mathematical Biology. 2018. Vol. 80. No. 6. P. 1596-1614.
https://doi.org/10.1007/s11538-018-0422-6
17. Jungeilges J., Ryazanova T. Transitions in consumption behaviors in a peer-driven stochastic consumer network // Chaos, Solitons and Fractals. 2019. Vol. 128. P. 144-154.
https://doi.org/10.1016/j.chaos.2019.07.042
18. Belyaev A.V., Ryazanova T.V. The stochastic sensitivity function method in analysis of the piecewise-smooth model of population dynamics // Izvestiya Instituta Matematiki i Informatiki Udmurtskogo Gosudarstvennogo Universiteta. 2019. Vol. 53. P. 36-47.
https://doi.org/10.20537/2226-3594-2019-53-04
19. Belyaev A., Ryazanova T. Stochastic sensitivity of attractors for a piecewise smooth neuron model // Journal of Difference Equations and Applications. 2019. Vol. 25. No. 9-10. P. 1468-1487.
https://doi.org/10.1080/10236198.2019.1678596
20. Bashkirtseva I.A., Ryashko L.B. Stochastic sensitivity analysis of the attractors for the randomly forced Ricker model with delay // Physics Letters A. 2014. Vol. 378. No. 48. P. 3600-3606.
https://doi.org/10.1016/j.physleta.2014.10.022
21. Bashkirtseva I.A., Ryashko L.B. Stochastic sensitivity analysis of chaotic attractors in 2D non-invertible maps // Chaos, Solitons and Fractals. 2019. Vol. 126. P. 78-84.
https://doi.org/10.1016/j.chaos.2019.05.032
22. Zhao Ming, Xuan Zuxing, Li Cuiping. Dynamics of a discrete-time predator-prey system // Advances in Difference Equations. 2016. Vol. 2016. No. 1.
https://doi.org/10.1186/s13662-016-0903-6
23. Bischi G-I., Stefanini L., Gardini L. Synchronization, intermittency and critical curves in a duopoly game // Mathematics and Computers in Simulation. 1998. Vol. 44. No. 6. P. 559-585.
https://doi.org/10.1016/S0378-4754(97)00100-6
24. Mira C., Gardini L., Barugola A., Cathala J-C. Chaotic dynamics in two-dimensional noninvertible maps. Singapore: World Scientific, 1996.
https://doi.org/10.1142/2252
Поступила в редакцию 2020-04-01
Опубликована 2020-05-20
Выпуск
Раздел
Математика
Страницы
19-32