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二元超循环的耦合模式
HYC-1979Lesson 8: Acid, Amino, Acids
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在 恒定组织 条件下,二元超循环的总浓度保持不变,因此整个状态可由一个数来描述,即分数 ,其中 。两个成员的增长方程为

   

其中 是从两个方程中减去的平均超额生产率。对角常数 和 衡量 自我增强,而非对角常数 和 衡量 相互的交叉催化增强。由于两个成员都减去同一个项 Φ,结果取决于速率常数之间的差异,而非其绝对大小——而定位不动点的同一套入侵分析,也能将每个参数集归入四种耦合模式之一。

两个入侵问题决定一切

纯态的稳定性通过以下问题来判定:当缺失的成员在完全由驻留成员构成的种群中处于稀有状态时,它能否增长:

  • 成员 2 能否入侵成员 1 的纯态?当且仅当 。
  • 成员 1 能否入侵成员 2 的纯态?当且仅当 。

每个问题都有是/否的答案,因此这对问题恰好生成四种情况——即表 17 中的四种耦合模式。

由两个入侵不等式读出四种耦合模式将 k₂₁ 与 k₁₁ 比较,将 k₁₂ 与 k₂₂ 比较——两次比较即可对整组参数进行分类。1竞争k₁₁ > k₂₁ 且 k₂₂ > k₁₂不稳定内部点x₁ = 1x₂ = 1两个角点均具有吸引性;初始配比决定结果。2成员 1 的选择k₁₁ > k₂₁ 且 k₁₂ > k₂₂不稳定内部点x₁ = 1x₂ = 1成员 1 抵御入侵并入侵成员 2。3成员 2 的选择k₂₁ > k₁₁ 且 k₂₂ > k₁₂不稳定内部点x₁ = 1x₂ = 1成员 2 抵御入侵并入侵成员 1。4相互超循环稳定化k₁₂ > k₂₂ 且 k₂₁ > k₁₁稳定内部点x₁ = 1x₂ = 1两个角点均汇入内部吸引子。稳定不动点不稳定不动点

表 17:四种耦合模式

模式入侵不等式稳定不动点内部不动点
竞争 和 两个角点, 和 不稳定分界线
成员 1 的选择 和 角点 不稳定
成员 2 的选择 和 角点 不稳定
相互超循环稳定化 和 内部共存点稳定

示例演算

取 其中 。于是 和 ,因此该模式为相互超循环稳定化:每个成员都能入侵对方的纯态,两个角点均不稳定,且内部不动点具有吸引性。其位置由平衡条件给出, ,由此得出 。将培养物起始于 或起始于 它仍会弛豫到二分之一。现在将数值反转为 和 。不等式发生翻转:两个成员都无法入侵对方,两个纯态均稳定,模式为竞争,而同一个内部点变为不稳定分界线,仅用于划分最终到达哪个角点。

无需积分即可读出模式

由于 ,二维系统坍缩为一维,两个角点的特征值恰好简化为上述两个入侵不等式。因此,对一组参数进行分类只需两次比较,无需数值积分,也无需仿真:内部点恰在相互稳定化模式中稳定,在其他三种模式中不稳定。同样的方法可推广至三元及 n 元循环(表 18),其中每个成员都通过其能否入侵由其他成员构成的群落来检验,而循环对称性使结果成为整个速率系数矩阵的性质,而非任何单一配对的性质。

快速求解路径
检验 与 ,然后检验 与 。竞争:两者皆为否。成员 1 的选择:第一个为否,第二个为是。成员 2 的选择:第一个为是,第二个为否。相互超循环稳定化:两者皆为是。两次比较即可替代整个相平面计算。