<?xml version="1.0" encoding="UTF-8" standalone="no"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing DTD v2.3 20070202//EN" "journalpublishing.dtd">
<article xml:lang="EN" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" article-type="research-article">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">Front. Appl. Math. Stat.</journal-id>
<journal-title>Frontiers in Applied Mathematics and Statistics</journal-title>
<abbrev-journal-title abbrev-type="pubmed">Front. Appl. Math. Stat.</abbrev-journal-title>
<issn pub-type="epub">2297-4687</issn>
<publisher>
<publisher-name>Frontiers Media S.A.</publisher-name>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="doi">10.3389/fams.2021.731038</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Applied Mathematics and Statistics</subject>
<subj-group>
<subject>Original Research</subject>
</subj-group>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>Stability Analysis of a Modified Leslie&#x02013;Gower Predation Model With Weak Allee Effect in the Prey</article-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name><surname>Arancibia-Ibarra</surname> <given-names>Claudio</given-names></name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1"><sup>1</sup></xref>
<xref ref-type="aff" rid="aff2"><sup>2</sup></xref>
<xref ref-type="corresp" rid="c001"><sup>&#x0002A;</sup></xref>
<uri xlink:href="http://loop.frontiersin.org/people/1386060/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name><surname>Flores</surname> <given-names>Jos&#x000E9; D.</given-names></name>
<xref ref-type="aff" rid="aff3"><sup>3</sup></xref>
<uri xlink:href="http://loop.frontiersin.org/people/1126923/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name><surname>van Heijster</surname> <given-names>Peter</given-names></name>
<xref ref-type="aff" rid="aff4"><sup>4</sup></xref>
</contrib>
</contrib-group>
<aff id="aff1"><sup>1</sup><institution>School of Mathematical Sciences, Queensland University of Technology</institution>, <addr-line>Brisbane, QLD</addr-line>, <country>Australia</country></aff>
<aff id="aff2"><sup>2</sup><institution>Facultad de Ingenier&#x000ED;a y Negocios, Universidad de Las Am&#x000E9;ricas</institution>, <addr-line>Santiago</addr-line>, <country>Chile</country></aff>
<aff id="aff3"><sup>3</sup><institution>Department of Mathematics, The University of South Dakota</institution>, <addr-line>Vermillion, SD</addr-line>, <country>United States</country></aff>
<aff id="aff4"><sup>4</sup><institution>Biometris, Wageningen University and Research</institution>, <addr-line>Wageningen</addr-line>, <country>Netherlands</country></aff>
<author-notes>
<fn fn-type="edited-by"><p>Edited by: V&#x000ED;ctor F. Bre&#x000F1;a-Medina, Instituto Tecnol&#x000F3;gico Aut&#x000F3;nomo de M&#x000E9;xico, Mexico</p></fn>
<fn fn-type="edited-by"><p>Reviewed by: Alexandre P. Rodrigues, University of Porto, Portugal; Janina Hesse, Medical School Hamburg, Germany</p></fn>
<corresp id="c001">&#x0002A;Correspondence: Claudio Arancibia-Ibarra <email>carancibia&#x00040;udla.cl</email></corresp>
<fn fn-type="other" id="fn001"><p>This article was submitted to Dynamical Systems, a section of the journal Frontiers in Applied Mathematics and Statistics</p></fn></author-notes>
<pub-date pub-type="epub">
<day>26</day>
<month>01</month>
<year>2022</year>
</pub-date>
<pub-date pub-type="collection">
<year>2021</year>
</pub-date>
<volume>7</volume>
<elocation-id>731038</elocation-id>
<history>
<date date-type="received">
<day>26</day>
<month>06</month>
<year>2021</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>27</day>
<month>12</month>
<year>2021</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>Copyright &#x000A9; 2022 Arancibia-Ibarra, Flores and van Heijster.</copyright-statement>
<copyright-year>2022</copyright-year>
<copyright-holder>Arancibia-Ibarra, Flores and van Heijster</copyright-holder>
<license xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/"><p>This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.</p></license> </permissions>
<abstract>
<p>In this manuscript, we study a Leslie&#x02013;Gower predator-prey model with a hyperbolic functional response and weak Allee effect. The results reveal that the model supports coexistence and oscillation of both predator and prey populations. We also identify regions in the parameter space in which different kinds of bifurcations, such as saddle-node bifurcations, Hopf bifurcations and Bogdanov&#x02013;Takens bifurcations.</p></abstract>
<kwd-group>
<kwd>Leslie&#x02013;Gower model</kwd>
<kwd>weak Allee effect</kwd>
<kwd>Holling type II</kwd>
<kwd>bifurcations</kwd>
<kwd>numerical simulation</kwd>
</kwd-group>
<counts>
<fig-count count="8"/>
<table-count count="1"/>
<equation-count count="37"/>
<ref-count count="40"/>
<page-count count="14"/>
<word-count count="8418"/>
</counts>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec sec-type="intro" id="s1">
<title>1. Introduction</title>
<p>Predator-prey models are studied in both applied mathematics [<xref ref-type="bibr" rid="B1">1</xref>&#x02013;<xref ref-type="bibr" rid="B3">3</xref>] and ecology [<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>&#x02013;<xref ref-type="bibr" rid="B7">7</xref>]. The goal of these studies is to describe and analyse the predation interaction between the predator and the prey and predict how they respond to future interventions [<xref ref-type="bibr" rid="B8">8</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B9">9</xref>]. These studies often use mathematical models to describe the species&#x00027; interactions and the time-series behaviors [<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B11">11</xref>]. The models aim to be representative of real natural phenomena capturing the essentials of the dynamics. However, new technologies used to study biological and physical phenomenon reveal that species&#x00027; interactions are more complex than previously used in the models [<xref ref-type="bibr" rid="B7">7</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B12">12</xref>&#x02013;<xref ref-type="bibr" rid="B14">14</xref>]. The importance of these more complex interactions are becoming increasingly apparent as research findings have shown that ecosystem dynamics depend on the particular nature of the interaction processes, such as the functional response and predation rate [<xref ref-type="bibr" rid="B6">6</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B7">7</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B15">15</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B16">16</xref>].</p>
<p>A standard approach for using models to understand ecological systems is to design a framework based on simple principles and compare species&#x00027; abundance that result from the predicting analysis of those models. However, this approach becomes more difficult when additional nuances to standard models are added, making them more complex and difficult to analyse. For instance, Graham and Lambin [<xref ref-type="bibr" rid="B17">17</xref>] showed that field-vole (<italic>Microtus agrestis</italic>) survival can be affected by reducing least weasel (<italic>Mustela nivalis</italic>) predation. They also demonstrated that weasels were suppressed in summer and autumn, while the vole (<italic>Microtus agrestis</italic>) population always declined to low density. However, the authors argued that the underlying model was too difficult to study due to a large number of parameters.</p>
<p>The model used by Graham and Lambin in [<xref ref-type="bibr" rid="B17">17</xref>] is a Leslie&#x02013;Gower predator-prey model [<xref ref-type="bibr" rid="B18">18</xref>] and is given by
<disp-formula id="E1"><label>(1)</label><mml:math id="M1"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
Here, <italic>N</italic>(<italic>t</italic>) &#x0003E; 0 and <italic>P</italic>(<italic>t</italic>) &#x0003E; 0 are used to represent the size of the prey and predator population at time <italic>t</italic>, respectively. The prey population grows logistically with carrying capacity <italic>K</italic> and intrinsic growth rate <italic>r</italic>. The growth of the predator is also logistic, with intrinsic growth rate <italic>s</italic>, but the carrying capacity is prey dependent and <italic>h</italic> is a measure of the quality of the prey as food for the predator. The functional response is Holling type II where <italic>q</italic> is the maximum predation rate per capita and <italic>a</italic> is half of the saturated response level [<xref ref-type="bibr" rid="B7">7</xref>].</p>
<p>In population dynamics, many ecological mechanisms are connected with individual cooperation such as strategies to hunt, collaboration in unfavorable abiotic conditions and reproduction [<xref ref-type="bibr" rid="B19">19</xref>]. An example of such an ecological mechanism is the cooperative interaction observed in Kakapo <italic>(Strigops habroptilus)</italic>. This interaction can be influenced by reducing the fecundity levels and the population size [<xref ref-type="bibr" rid="B20">20</xref>]. Another factor that affects the population dynamics is the species density. For instance, when the predator population size is low they have more resources and benefits. However, there are species that may suffer from a lack of conspecifics, which may be less likely to reproduce or survive in a small-sized population [<xref ref-type="bibr" rid="B21">21</xref>]. In these instances, the size of the population is important, as for a smaller size of biomass adaptability may be diminished [<xref ref-type="bibr" rid="B20">20</xref>]. When Allee and collaborators [<xref ref-type="bibr" rid="B22">22</xref>] analyzed the data of the false weevil (<italic>Tribolium confusum</italic>) they observed that the highest growth rates of their populations per capita were at intermediate densities [<xref ref-type="bibr" rid="B20">20</xref>]. The fact that they were lower in high densities was not surprising, as intraspecific competition is high. In contrast, when fewer males were present, females produced fewer eggs, which is not an obvious correlation for an insect. In this case, optimal egg production was thus achieved at intermediate densities. This effect is now referred to as the <italic>Allee effect</italic> [<xref ref-type="bibr" rid="B22">22</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B23">23</xref>]. It is modeled by incorporating the factor (<italic>N</italic> &#x02212; <italic>m</italic>) into the logistic equation, with the idea that when the prey population <italic>N</italic> decreases below the Allee threshold <italic>m</italic> &#x0003E; 0 the prey rate of growth becomes negative, indicating signs of extinction. Therefore, the prey logistic growth <italic>r</italic>(1 &#x02212; <italic>N</italic>/<italic>K</italic>) is replaced by <italic>r</italic>(1 &#x02212; <italic>N</italic>/<italic>K</italic>)(<italic>N</italic> &#x02212; <italic>m</italic>). For 0 &#x0003C; <italic>m</italic> &#x0003C; <italic>K</italic>, the per-capita growth rate of the prey population with the Allee effect included is negative, but increasing, for <italic>N</italic> &#x02208; [0, <italic>m</italic>), and this is referred to as the <italic>strong Allee effect</italic>. When <italic>m</italic> &#x02264; 0, the per-capita growth rate is positive but increases at low prey population densities and this is referred to as the <italic>weak Allee effect</italic> [<xref ref-type="bibr" rid="B20">20</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B23">23</xref>]. With the Allee effect included, the Leslie&#x02013;Gower predator-prey model (1) of [<xref ref-type="bibr" rid="B17">17</xref>] becomes
<disp-formula id="E2"><label>(2)</label><mml:math id="M2"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="right center left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mi>W</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
The aim of this manuscript is to study the Leslie&#x02013;Gower predator-prey model with weak Allee effect on prey, that is (2) with <italic>m</italic> &#x0003C; 0. By considering a weak Allee effect in the prey population we complement the results of Ostfeld and Canhan [<xref ref-type="bibr" rid="B24">24</xref>]. The authors studied the stabilization of a file-vole population which depends on the variation in reproductive rate and recruitment of the population, i.e., an Allee effect. The weak Allee effect can be also observed in the File-vole species as the survival rate for adults were delayed [<xref ref-type="bibr" rid="B24">24</xref>]. However, these phenomena were not considered by the authors as they used model (1). This manuscript also extends some of the results obtained by Arancibia&#x02013;Ibarra and Gonz&#x000E1;lez&#x02013;Olivares [<xref ref-type="bibr" rid="B25">25</xref>] and Gonz&#x000E1;lez&#x02013;Olivares et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B26">26</xref>] for a modified Leslie&#x02013;Gower model with <italic>m</italic> &#x0003D; 0, that is, with a specific type of weak Allee effect, see second row of <xref ref-type="table" rid="T1">Table 1</xref>. Leslie&#x02013;Gower models with strong Allee effect and different type of functional responses have been extensively studied in [<xref ref-type="bibr" rid="B27">27</xref>&#x02013;<xref ref-type="bibr" rid="B29">29</xref>], see first row of <xref ref-type="table" rid="T1">Table 1</xref>. In these articles the authors showed that the system, for certain system parameters, supports the extinction of both species and it also supports the stabilization of both populations over the time, i.e., coexistence. Moreover, system (2) with <italic>m</italic> &#x0003C; 0 complements the results of the Leslie&#x02013;Gower model studied by Courchamp et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B20">20</xref>]. The authors in [<xref ref-type="bibr" rid="B20">20</xref>] argue that the Allee effect in prey generally destabilizes the dynamics between the prey and the predator. Moreover, the Allee effect can prevent the oscillation of both populations. However, in this manuscript, we find that the Leslie&#x02013;Gower model with weak Allee effect supports the coexistence and oscillation of both populations.</p>
<table-wrap position="float" id="T1">
<label>Table 1</label>
<caption><p>Number of equilibria of system (2) with strong (<italic>m</italic> &#x0003E; 0), degenerate weak (<italic>m</italic> &#x0003D; 0), and weak (<italic>m</italic> &#x0003C; 0) Allee effect.</p></caption>
<table frame="hsides" rules="groups">
<thead><tr>
<th valign="top" align="left"><bold>Allee threshold</bold></th>
<th valign="top" align="left"><bold>Positive equilibria</bold></th>
<th valign="top" align="left" colspan="3"><bold>Phase plane</bold></th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr style="border-bottom: thin solid #000000;">
<td valign="top" align="left"><italic>m</italic> &#x0003E; 0</td>
<td valign="top" align="left">At most 2</td>
<td valign="top" align="left" colspan="3"><inline-graphic xlink:href="fams-07-731038-i0001.tif"/></td>
</tr> <tr style="border-bottom: thin solid #000000;">
<td valign="top" align="left"><italic>m</italic> &#x0003D; 0</td>
<td valign="top" align="left">At most 2</td>
<td valign="top" align="left" colspan="3"><inline-graphic xlink:href="fams-07-731038-i0002.tif"/></td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left"><italic>m</italic> &#x0003C; 0</td>
<td valign="top" align="left">At most 3</td>
<td valign="top" align="left" colspan="3"><inline-graphic xlink:href="fams-07-731038-i0003.tif"/></td>
</tr>
</tbody>
</table>
<table-wrap-foot>
<p><italic>The number of equilibria showed in the last row are obtained by varying the predation rate q</italic>.</p>
</table-wrap-foot>
</table-wrap>
<p>In section 2, we non-dimensionalise the Leslie&#x02013;Gower model with weak Allee effect and discuss the number of equilibria the model has in the first quadrant. The main mathematical difference between system (1), (2) with <italic>m</italic> &#x0003C; 0, and (2) with <italic>m</italic> &#x02265; 0, is the fact that (2) with <italic>m</italic> &#x0003C; 0 has at most three positive equilibria<xref ref-type="fn" rid="fn0001"><sup>1</sup></xref> in the first quadrant instead of one for system (1) and two for system (2) with <italic>m</italic> &#x02265; 0 [<xref ref-type="bibr" rid="B25">25</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B26">26</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B29">29</xref>]. These additional equilibrium gives rise to different type of bifurcations, such as saddle-node bifurcations, Bogdanov&#x02013;Takens bifurcations, and homoclinic bifurcations. The main properties of the equilibria are studied in section 3. In particular, we study the stability of the equilibria and present the conditions for which the model undergoes different type of bifurcations. Finally, in section 4, we summarize the results and discuss the ecological implications of the model.</p></sec>
<sec id="s2">
<title>2. The Model</title>
<p>The Leslie&#x02013;Gower model with weak Allee effect is given by (2) with <italic>m</italic> &#x0003C; 0, and we only consider the model in the domain &#x003A9; &#x0003D; {(<italic>N, P</italic>) &#x02208; &#x0211D;<sup>2</sup>, <italic>N</italic> &#x0003E; 0, <italic>P</italic> &#x02265; 0} and <inline-formula><mml:math id="M3"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>. The axes in system (2) are invariant since (2) is of Kolmogorov type [<xref ref-type="bibr" rid="B30">30</xref>] (i.e., <italic>dN</italic>/<italic>dt</italic> &#x0003D; <italic>N</italic> &#x000B7; <italic>W</italic>(<italic>N, P</italic>) and <italic>dP</italic>/<italic>dt</italic> &#x0003D; <italic>P</italic> &#x000B7; <italic>R</italic>(<italic>N, P</italic>)). The equilibria of system (2) are (<italic>K</italic>, 0) and (<italic>x</italic>&#x0002A;, <italic>y</italic>&#x0002A;), which are the intersections of the nullclines
<disp-formula id="E3"><mml:math id="M4"><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">and&#x02003;</mml:mtext><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
We follow the non-dimensionalisation approach of [<xref ref-type="bibr" rid="B29">29</xref>] to simplify the analysis and remove the <italic>N</italic> &#x0003D; 0 singularity for the model. We introduce <inline-formula><mml:math id="M5"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x02265;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x02265;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and the dimensionless variables (<italic>u, v</italic>, &#x003C4;) given by
<disp-formula id="E4"><label>(3)</label><mml:math id="M6"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="right center left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi><mml:mo>:</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">where&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
Observe that &#x003C6; (3) is a diffeomorphism which preserve the orientation of time [<xref ref-type="bibr" rid="B31">31</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B32">32</xref>]. Next, set <italic>A</italic>: &#x0003D; <italic>a</italic>/<italic>K</italic> &#x02208; (0, 1), <italic>S</italic>: &#x0003D; <italic>s</italic>/(<italic>rK</italic>), <italic>Q</italic>: &#x0003D; <italic>hq</italic>/(<italic>rK</italic>) and <italic>M</italic>: &#x0003D; <italic>m</italic>/<italic>K</italic>, then (2) transforms into the non-dimensionalised system
<disp-formula id="E5"><label>(4)</label><mml:math id="M7"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="right center left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
The <italic>u</italic>-nullclines of system (4) are given by <italic>u</italic> &#x0003D; 0 and <italic>v</italic> &#x0003D; (<italic>u</italic> &#x0002B; <italic>A</italic>)(1 &#x02212; <italic>u</italic>)(<italic>u</italic> &#x02212; <italic>M</italic>)/<italic>Q</italic>, while the <italic>v</italic>-nullclines of interest are given by <italic>v</italic> &#x0003D; 0 and <italic>v</italic> &#x0003D; <italic>u</italic>. Hence, the equilibria of system (4) are (0, 0)<xref ref-type="fn" rid="fn0002"><sup>2</sup></xref>, (1, 0), and the positive equilibria (<italic>u</italic>&#x0002A;, <italic>v</italic>&#x0002A;) with <italic>v</italic>&#x0002A; &#x0003D; <italic>u</italic>&#x0002A; and where <italic>u</italic>&#x0002A; is determined by the solution(s) of (<italic>u</italic> &#x0002B; <italic>A</italic>)(1 &#x02212; <italic>u</italic>)(<italic>u</italic> &#x02212; <italic>M</italic>)/<italic>Q</italic> &#x0003D; <italic>u</italic>, or, equivalently,
<disp-formula id="E6"><label>(5)</label><mml:math id="M8"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="right center left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
with <italic>T</italic>(<italic>A, M</italic>) &#x0003D; 1 &#x02212; <italic>A</italic> &#x0002B; <italic>M</italic> and <italic>L</italic>(<italic>A, M, Q</italic>) &#x0003D; <italic>A</italic>(<italic>M</italic> &#x0002B; 1)&#x02212;<italic>Q</italic>&#x02212;<italic>M</italic>. Since <italic>g</italic>(0) &#x0003D; <italic>AM</italic> &#x0003C; 0 and <italic>g</italic>(1) &#x0003D; <italic>Q</italic> &#x0003E; 0, there is always at least one positive equilibrium (<italic>u</italic>&#x0002A;, <italic>u</italic>&#x0002A;) with 0 &#x0003C; <italic>u</italic>&#x0002A; &#x0003C; 1. To obtain information about potential other positive equilibria, we divide (5) by (<italic>u</italic> &#x02212; <italic>u</italic>&#x0002A;) and obtain the quadratic equation
<disp-formula id="E7"><label>(6)</label><mml:math id="M9"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="right center left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
Note that as system (4) is topologically equivalent to system (2), the solution <italic>u</italic>&#x0002A; of (5) is related to a population equilibrium of system (2). Therefore, a positive equilibrium point <italic>P</italic> &#x0003D; (<italic>u</italic>&#x0002A;, <italic>u</italic>&#x0002A;) in system (4) correspond to a coexisting equilibrium point in system (2).</p>
<p><bold>Lemma 2.1</bold>. <italic>The positive roots of g</italic>(<italic>u</italic>) <italic>(5) lie in</italic> (0, 1), <italic>and</italic></p>
<list list-type="roman-upper">
<list-item><p><italic>if T</italic>(<italic>A, M</italic>) &#x02264; 0 <italic>or L</italic>(<italic>A, M, Q</italic>) &#x02265; 0, <italic>then g</italic>(<italic>u</italic>) <italic>(5) has one positive root and system (4) thus has one positive equilibrium, see <xref ref-type="fig" rid="F1">Figures 1A,E</xref></italic>.</p></list-item>
<list-item><p><italic>if T</italic>(<italic>A, M</italic>) &#x0003E; 0, <italic>L</italic>(<italic>A, M, Q</italic>) &#x0003C; 0 <italic>and</italic></p>
<list list-type="roman-lower">
<list-item><p>&#x00394; &#x0003C; 0, <italic>where</italic> &#x00394; <italic>is the discriminant of (6) (with respect of the dependent variable u) given by</italic>
<disp-formula id="E8"><label>(7)</label><mml:math id="M11"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="right center left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x00394;</mml:mo><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<italic>then g</italic>(<italic>u</italic>) <italic>(5) has one positive root and system (4) thus has one positive equilibrium, see <xref ref-type="fig" rid="F1">Figures 1A,E</xref>;</italic></p></list-item>
<list-item><p>&#x00394; &#x02265; 0 <italic>(7), then g</italic>(<italic>u</italic>) <italic>(5) has three roots (counting multiplicity) and system (4) thus has three positive equilibria, see <xref ref-type="fig" rid="F1">Figures 1B&#x02013;D</xref></italic>.</p></list-item>
</list>
</list-item>
</list>
<p><italic>Proof:</italic> The cubic equation <italic>g</italic>(<italic>u</italic>) (5) always has at least one root in (0, 1), since <italic>g</italic>(0) &#x0003D; <italic>AM</italic> &#x0003C; 0 and <italic>g</italic>(1) &#x0003D; <italic>Q</italic> &#x0003E; 0, and the first case of the lemma, case 1, thus immediately follows from Descartes&#x00027; rule of signs ([<xref ref-type="bibr" rid="B33">33</xref>], e.g.).</p>
<fig id="F1" position="float">
<label>Figure 1</label>
<caption><p>The schematic diagram of the number of positive roots of Equation (5) in the (<italic>u, Q</italic>)-space for (<italic>A, M</italic>) &#x0003D; (1/10, &#x02212;1/10) fixed and with <italic>T</italic> &#x0003D; 1 &#x02212; <italic>A</italic> &#x0002B; <italic>M</italic>, <italic>L</italic> &#x0003D; <italic>A</italic>(<italic>M</italic> &#x0002B; 1) &#x02212; <italic>Q</italic> &#x02212; <italic>M</italic>, &#x00394; &#x0003D; (<italic>u</italic>&#x0002A; &#x02212; <italic>T</italic>(<italic>A, M</italic>))<sup>2</sup> &#x02212; 4(<italic>u</italic>&#x0002A;(<italic>u</italic>&#x0002A; &#x02212; <italic>T</italic>(<italic>A, M</italic>)) &#x02212; <italic>L</italic>(<italic>A, M, Q</italic>)) and <italic>u</italic>&#x0002A; is determined by the solution(s) of (5). At <inline-formula><mml:math id="M10"><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x000B1;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>73</mml:mn><mml:mo>&#x000B1;</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>200</mml:mn></mml:math></inline-formula>, that is, at <italic>Q</italic><sup>&#x02212;</sup> &#x02248; 0.35381966 and <italic>Q</italic><sup>&#x0002B;</sup> &#x02248; 0.376180, two positive equilibria collapse. For <italic>Q</italic> &#x0003C; <italic>Q</italic><sup>&#x02212;</sup> or <italic>Q</italic> &#x0003E; <italic>Q</italic><sup>&#x0002B;</sup>, Equation (5) has only one positive root (light grey regions). Hence, system (4) has only one positive equilibrium <italic>P</italic> &#x0003D; (<italic>u</italic>&#x0002A;, <italic>u</italic>&#x0002A;). For <italic>Q</italic><sup>&#x02212;</sup> &#x0003C; <italic>Q</italic> &#x0003C; <italic>Q</italic><sup>&#x0002B;</sup>, Equation (5) has three positive roots (dark grey region) and system (4) thus has three positive equilibria. <bold>(A)</bold> <italic>Q</italic> &#x0003C; <italic>Q</italic><sup>&#x02212;</sup>. <bold>(B)</bold> <italic>Q</italic> &#x0003D; <italic>Q</italic><sup>&#x02212;</sup>. <bold>(C)</bold> <italic>Q</italic><sup>&#x02212;</sup> &#x0003C; <italic>Q</italic> &#x0003C; <italic>Q</italic><sup>&#x0002B;</sup>. <bold>(D)</bold> <italic>Q</italic> &#x0003D; <italic>Q</italic><sup>&#x0002B;</sup>. <bold>(E)</bold> <italic>Q</italic> &#x0003E; <italic>Q</italic><sup>&#x0002B;</sup>.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-07-731038-g0001.tif"/>
</fig>
<p>Case (II)(i) also follows directly from Descartes&#x00027; rule of signs, which for <italic>T</italic>(<italic>A, M</italic>) &#x0003E; 0 and <italic>L</italic>(<italic>A, M, Q</italic>) &#x0003C; 0 states that <italic>g</italic>(<italic>u</italic>) (5) has one or three positive roots (counting multiplicity), and the observation that the quadratic equation 5 has two complex roots as its discriminant is negative.</p>
<p>In the last case, case (II)(ii), <italic>g</italic>(<italic>u</italic>) (5) has three real roots: <italic>u</italic>&#x0002A; and
<disp-formula id="E10"><label>(8)</label><mml:math id="M13"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="right center left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mo>&#x00394;</mml:mo></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mo>&#x00394;</mml:mo></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
The latter two being the roots of (6). What remains to show is that <inline-formula><mml:math id="M14"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x000B1;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. To show this, we look at the derivative of <italic>g</italic>(<italic>u</italic>)
<disp-formula id="E11"><mml:math id="M15"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></disp-formula>
The assumptions <italic>T</italic>(<italic>A, M</italic>) &#x0003E; 0 and <italic>L</italic>(<italic>A, M, Q</italic>) &#x0003C; 0 imply that <italic>g</italic>&#x02032;(<italic>u</italic>) &#x02265; 0 for <italic>u</italic> &#x02264; 0. Furthermore, <italic>T</italic>(<italic>A, M</italic>) &#x02208; (0, 1) and, for <italic>u</italic> &#x02265; <italic>T</italic>, we thus also get
<disp-formula id="E12"><mml:math id="M16"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02265;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
In other words, under the assumptions <italic>T</italic>(<italic>A, M</italic>) &#x0003E; 0 and <italic>L</italic>(<italic>A, M, Q</italic>) &#x0003C; 0, the cubic function <italic>g</italic>(<italic>u</italic>) is strictly increasing outside the interval (0, <italic>T</italic>(<italic>A, M</italic>)) (with <italic>T</italic>(<italic>A, M</italic>) &#x0003C; 1). Since <italic>g</italic>(0) &#x0003D; <italic>AM</italic> &#x0003C; 0 and <italic>g</italic>(1) &#x0003D; <italic>Q</italic> &#x0003E; 0, it thus follows that <inline-formula><mml:math id="M17"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x000B1;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x025A1;</p>
<p>We observe that none of these equilibria explicitly depend on the system parameter <italic>S</italic>. Moreover, only <italic>L</italic>(<italic>A, M, Q</italic>) in <italic>g</italic>(<italic>u</italic>) (5) depends directly on <italic>Q</italic>. Therefore, <italic>S</italic> and <italic>Q</italic> are natural candidates to act as bifurcation parameters. For instance, when two of the three roots of <italic>g</italic>(<italic>u</italic>) coincide, say <inline-formula><mml:math id="M18"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M19"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, we change from having three roots to one root (upon changing <italic>Q</italic>). So, at this point we have
<disp-formula id="E13"><mml:math id="M20"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x021D2;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x000B1;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x000B1;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
Implementing this into <italic>g</italic>(<italic>u</italic><sup>&#x0002A;,&#x000B1;</sup>) &#x0003D; 0 results in an analytic implicit expression <italic>Q</italic> &#x0003D; <italic>Q</italic><sup>&#x000B1;</sup>(<italic>A, M</italic>) at which the number of roots changes. For example, for (<italic>A, M</italic>) &#x0003D; (1/10, &#x02212;1/10) as in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1</xref> we get <inline-formula><mml:math id="M21"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x000B1;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>10</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>73</mml:mn><mml:mo>&#x000B1;</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>200</mml:mn></mml:math></inline-formula>.<xref ref-type="fn" rid="fn0003"><sup>3</sup></xref></p>
<p>In case (II)(ii) of Lemma 2.1 we find that <italic>g</italic>(<italic>u</italic>) has three roots in (0, 1): <italic>u</italic>&#x0002A; and <inline-formula><mml:math id="M22"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x000B1;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> (8), with <inline-formula><mml:math id="M23"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>. The latter two roots depend on the first root <italic>u</italic>&#x0002A;, but, <italic>a priori</italic>, we do not know anything about parity of <inline-formula><mml:math id="M24"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x000B1;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>. However, the roots of <italic>g</italic>(<italic>u</italic>) do not depend on which of the three roots we pick <italic>a priori</italic> as <italic>u</italic>&#x0002A; in the lemma. Hence, we can, without loss of generality, assume in the remainder of this manuscript that <inline-formula><mml:math id="M25"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula>. However, see the proof of Corollary 3.3 where we utilize this <italic>independence</italic> of our initial pick.</p></sec>
<sec id="s3">
<title>3. Main Results</title>
<p>In this section, we discuss the main results related to system (4). That is, we discuss the nature of the equilibria (section 3.1) and their bifurcations (section 3.2). First we observe that from [<xref ref-type="bibr" rid="B29">29</xref>, Theorem 2] it instantly follows that all solutions of (4) which are initiated in the first quadrant are bounded and end up in
<disp-formula id="E14"><label>(9)</label><mml:math id="M26"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="right center left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x003A6;</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<sec>
<title>3.1. The Nature of the Equilibria</title>
<p>To determine the stability of the equilibria on the axes of interest (0, 0) and (1, 0) we compute the Jacobian matrix of system (4)
<disp-formula id="E15"><label>(10)</label><mml:math id="M27"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="right center left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none none none none none none none none none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>Q</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
with <inline-formula><mml:math id="M28"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mi>A</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The determinant and the trace of the Jacobian matrix (10) are:</p>
<disp-formula id="E16"><label>(11)</label><mml:math id="M29"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="right center left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo class="qopname">det</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">&#x000A0;&#x000A0;tr</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p><bold>Lemma 3.1</bold>. <italic>The equilibrium</italic> (0, 0) <italic>is a non-hyperbolic saddle point and</italic> (1, 0) <italic>is a saddle point</italic>.</p>
<p><italic>Proof:</italic> Since det(<italic>J</italic>(1, 0)) &#x0003D; &#x02212;<italic>S</italic>(1 &#x02212; <italic>M</italic>)(<italic>A</italic> &#x0002B; 1)<sup>2</sup> &#x0003C; 0 it immediately follows that (1, 0) is a saddle point. To prove the results for the origin we follow the methodology used to desingularise the origin showed in ([<xref ref-type="bibr" rid="B29">29</xref>], Lemma 2). First, we observe that setting <italic>u</italic> &#x0003D; 0 in system (4) the second equation reduces to <italic>dv</italic>/<italic>dt</italic> &#x0003D; &#x02212;<italic>v</italic><sup>2</sup>(<italic>SA</italic>) &#x0003C; 0 for <italic>v</italic> &#x02260; 0. That is, any trajectory starting along the <italic>v</italic>-axis converges to the origin (0, 0). Also, the Jacobian matrix, <italic>J</italic>(0, 0), is the zero matrix. Hence, the origin (0, 0) is a non-hyperbolic equilibrium of system (4). Since the horizontal blow-up in (4) does not give any further information we omit the details and only consider the vertical method to desingularise the origin and study the dynamics of this equilibrium. The vertical <italic>blow-up</italic> given by the transformation and the time rescaling
<disp-formula id="E17"><label>(12)</label><mml:math id="M30"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="right center left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">and&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
respectively. This transformation is well-defined for all values of <italic>u</italic> and <italic>v</italic> except for <italic>v</italic> &#x0003D; 0 and &#x0201C;blows-up&#x0201D; the origin of system (4) into the entire <italic>x</italic>-axis. Our goal is to analyse the equilibrium on the positive half axis <italic>x</italic> &#x02265; 0, <italic>y</italic> &#x0003D; 0 of the transformed system, which is given by:
<disp-formula id="E18"><label>(13)</label><mml:math id="M31"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="right center left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
System (13) has up to two equilibria on the non-negative <italic>x</italic>-axis of the form (<italic>x</italic>, 0) with <italic>x</italic> &#x02265; 0. The origin <italic>O</italic><sub><italic>xy</italic></sub> &#x0003D; (0, 0) and a second equilibrium <italic>I</italic><sub><italic>x</italic></sub> &#x0003D; (&#x003BC;, 0) with &#x003BC; &#x0003D; <italic>S</italic>/(<italic>S</italic> &#x0002B; <italic>M</italic>) if <italic>S</italic> &#x0003E; |<italic>M</italic>|. Their corresponding Jacobian matrix <italic>J</italic><sub>&#x0002A;</sub> evaluated at <italic>O</italic><sub><italic>xy</italic></sub> and <italic>I</italic><sub><italic>x</italic></sub> are:
<disp-formula id="E19"><mml:math id="M32"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>O</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none none none none none none none none none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
with eigenvalues &#x003BB;<sub>1</sub>(<italic>O</italic><sub><italic>xy</italic></sub>) &#x0003D; <italic>AS</italic> and &#x003BB;<sub>2</sub>(<italic>O</italic><sub><italic>xy</italic></sub>) &#x0003D; &#x02212;<italic>AS</italic> and
<disp-formula id="E20"><mml:math id="M33"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none none none none none none none none none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
with eigenvalues &#x003BB;<sub>1</sub>(<italic>I</italic><sub><italic>x</italic></sub>) &#x0003D; &#x02212;<italic>AS</italic> and &#x003BB;<sub>2</sub>(<italic>I</italic><sub><italic>x</italic></sub>) &#x0003D; &#x02212; <italic>AMS</italic>/(<italic>M</italic> &#x0002B; <italic>S</italic>) &#x0003E; 0 since <italic>S</italic> &#x0003E; |<italic>M</italic>|. It follows that both <italic>O</italic><sub><italic>xy</italic></sub> and <italic>I</italic><sub><italic>x</italic></sub> are saddle points in system (13). Moreover, a branch of the unstable manifold <inline-formula><mml:math id="M34"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>W</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of the equilibrium <italic>I</italic><sub><italic>x</italic></sub> is in the half-plane <italic>y</italic> &#x0003E; 0, as illustrated in the left panel of <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2</xref>. Furthermore, the other local invariant curves are the axes <italic>x</italic> &#x0003D; 0 and <italic>y</italic> &#x0003D; 0. Hence, taking the inverse of (12), the line <italic>y</italic> &#x0003D; 0, including the point <italic>I</italic><sub><italic>x</italic></sub>, collapses to the origin <italic>O</italic><sub><italic>uv</italic></sub> of (4), the line <italic>x</italic> &#x0003D; 0 is mapped to <italic>u</italic> &#x0003D; 0 and, <inline-formula><mml:math id="M35"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>W</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is locally mapped to the curve &#x00393;<sup><italic>u</italic></sup>, the unstable manifold of <italic>O</italic><sub><italic>uv</italic></sub>. Both curves are locally represented by the eigenvectors associated to the positive eigenvalues tangent to the curves at <italic>I</italic><sub><italic>x</italic></sub> and <italic>O</italic><sub><italic>uv</italic></sub>, respectively. Since the orientation of the orbits in the first quadrant is preserved by (12), it follows that the origin <italic>O</italic> &#x0003D; (0, 0) is a local saddle of (4). The qualitative dynamics in a neighborhood of the origin <italic>O</italic><sub><italic>uv</italic></sub> in (4) is illustrated in the right panel of <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2</xref>. If <italic>S</italic> &#x0003D; |<italic>M</italic>|, then <italic>I</italic><sub><italic>x</italic></sub> collapses to the origin <italic>O</italic><sub><italic>xy</italic></sub> and if <italic>S</italic> &#x0003C; |<italic>M</italic>|, then the equilibrium <italic>I</italic><sub><italic>x</italic></sub> is in the half-plane <italic>y</italic> &#x0003C; 0 which is outside of &#x003A6; (9). So, (13) has one non-negative equilibrium (0, 0) which still a saddle.&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x025A1;</p>
<fig id="F2" position="float">
<label>Figure 2</label>
<caption><p>Diagram of the horizontal blow-up and blow-down in a neighborhood of the origin (0, 0). <bold>(A)</bold> Blow-up. <bold>(B)</bold> Blow-down.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-07-731038-g0002.tif"/>
</fig>
<p>Next, we consider the stability of the positive equilibria of system (4). Note that these equilibria are the intersection of the nullcline <italic>u</italic> &#x0003D; <italic>v</italic> such that (<italic>u</italic> &#x0002B; <italic>A</italic>)(1 &#x02212; <italic>u</italic>)(<italic>u</italic> &#x02212; <italic>M</italic>) &#x0003D; <italic>Qu</italic>. Therefore, the Jacobian matrix of system (4) becomes
<disp-formula id="E21"><label>(14)</label><mml:math id="M36"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="right center left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none none none none none none none none none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>Q</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
The determinant and the trace of the Jacobian matrix (14) are:
<disp-formula id="E22"><label>(15)</label><mml:math id="M37"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="right center left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo class="qopname">det</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">&#x000A0;&#x000A0;tr</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
So, the parity of the determinant (15) depends on the sign of <italic>u</italic><sup>2</sup>(2<italic>u</italic> &#x02212; <italic>T</italic>(<italic>A, M</italic>)) &#x02212; <italic>AM</italic> and the parity of the trace (15) depends on the sign of</p>
<disp-formula id="E23"><label>(16)</label><mml:math id="M38"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="right center left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>This instantly yields the following result:</p>
<p><bold>Lemma 3.2</bold>. <italic>A positive equilibrium P</italic> &#x0003D; (<italic>&#x00169;</italic>, <italic>&#x00169;</italic>) <italic>of (4) will be</italic></p>
<list list-type="roman-lower">
<list-item><p><italic>a saddle point if</italic> (<italic>&#x00169;</italic>)<sup>2</sup>(2<italic>&#x00169;</italic> &#x02212; <italic>T</italic>(<italic>A, M</italic>)) &#x02212; <italic>AM</italic> &#x0003C; 0;</p></list-item>
<list-item><p><italic>a repeller if</italic> (<italic>&#x00169;</italic>)<sup>2</sup>(2<italic>&#x00169;</italic> &#x02212; <italic>T</italic>(<italic>A, M</italic>)) &#x02212; <italic>AM</italic> &#x0003E; 0 <italic>and</italic> <inline-formula><mml:math id="M39"><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>:</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>; <italic>and</italic></p></list-item>
<list-item><p><italic>an attractor if</italic> (<italic>&#x00169;</italic>)<sup>2</sup>(2<italic>&#x00169;</italic> &#x02212; <italic>T</italic>(<italic>A, M</italic>)) &#x02212; <italic>AM</italic> &#x0003E; 0 <italic>and</italic> <inline-formula><mml:math id="M40"><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula>.</p></list-item>
</list>
<p><bold>Corrolary 3.1</bold>. <italic>If T</italic>(<italic>A, M</italic>)<sup>3</sup> &#x0003C; &#x02212;27<italic>AM, then a positive equilibrium P</italic> &#x0003D; (<italic>&#x00169;</italic>, <italic>&#x00169;</italic>) <italic>of (4) is not a saddle. If for a positive equilibrium P</italic> &#x0003D; (<italic>&#x00169;</italic>, <italic>&#x00169;</italic>) <italic>we have that</italic> <inline-formula><mml:math id="M41"><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msqrt></mml:math></inline-formula>, <italic>then this equilibrium is not a repeller</italic>.</p>
<p><italic>Proof:</italic> The first statement follows directly from the observation that (<italic>&#x00169;</italic>)<sup>2</sup>(2<italic>&#x00169;</italic> &#x02212; <italic>T</italic>(<italic>A, M</italic>)) &#x02212; <italic>AM</italic> is minimal for non-negative <italic>&#x00169;</italic> at <italic>&#x00169;</italic> &#x0003D; <italic>&#x000FB;</italic>: &#x0003D; max{0, <italic>T</italic>(<italic>A, M</italic>)/3}. At this point (<italic>&#x00169;</italic>)<sup>2</sup>(2<italic>&#x00169;</italic> &#x02212; <italic>T</italic>(<italic>A, M</italic>)) &#x02212; <italic>AM</italic> simplifies to min{&#x02212;<italic>AM</italic>, &#x02212;<italic>T</italic>(<italic>A, M</italic>)<sup>3</sup>/27 &#x02212; <italic>AM</italic>}. Hence, (<italic>&#x00169;</italic>)<sup>2</sup>(2<italic>&#x00169;</italic> &#x02212; <italic>T</italic>(<italic>A, M</italic>)) &#x02212; <italic>AM</italic> &#x0003E; 0 for all <italic>&#x00169;</italic> if <italic>T</italic>(<italic>A, M</italic>)<sup>3</sup> &#x0003C; &#x02212;27<italic>AM</italic>. The second statement follows directly from the observation that for <inline-formula><mml:math id="M42"><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msqrt></mml:math></inline-formula> we have that <italic>f</italic>(<italic>&#x00169;</italic>) &#x0003C; 0.&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x025A1;</p>
<p>In addition, <italic>f</italic>(<italic>&#x00169;</italic>) has a maximum for positive <italic>&#x00169;</italic>. Hence, a value for <italic>S</italic> larger than this maximum again yields that the associated equilibrium cannot be a repeller. For given <italic>A</italic> and <italic>M</italic> this maximum value can be explicitly computed. For instance, this maximum value is 361/1200 for <italic>A</italic> &#x0003D; 1/10 and <italic>M</italic> &#x0003D; &#x02212;1/10.</p>
<p>In the case that there is only one positive equilibrium, Lemma 3.2 simplifies to the following.</p>
<p><bold>Corrolary 3.2</bold>. <italic>Let the system parameters of (4) be such that the conditions of case (I) or case (II)(i) of Lemma 2.1 are met. Then, system (4) has only one positive equilibrium P</italic> &#x0003D; (<italic>u</italic>&#x0002A;, <italic>u</italic>&#x0002A;) <italic>which is a repeller or an attractor. If the positive equilibrium is a repeller, then it is surrounded by a stable limit cycle</italic>.</p>
<p><italic>Proof:</italic> This result follows directly from the observation that &#x003A6; (9) forms a bounding box and the fact that the equilibria (0, 0) and (1, 0) are (non-hyperbolic) saddle points, see Lemma 3.1.&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x025A1;</p>
<p>Examples of Corollary 3.2 are shown in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3</xref>.</p>
<fig id="F3" position="float">
<label>Figure 3</label>
<caption><p>For <italic>A</italic> &#x0003D; 0.5, <italic>M</italic> &#x0003D; &#x02212;0.05, and <italic>Q</italic> &#x0003D; 0.51, such that <italic>T</italic>(0.5, &#x02212;0.05) &#x0003E; 0 and <italic>L</italic>(0.5, &#x02212;0.05, 0.51) &#x0003E; 0, i.e., case (I) of Lemma 2.1, system (4) has one positive equilibrium <italic>P</italic>. This equilibrium can be an attractor if <italic>S</italic> &#x0003D; 0.1 <bold>(A)</bold> or a repeller surrounded by a limit cycle if <italic>S</italic> &#x0003D; 0.045 <bold>(B)</bold>, see Corollary 3.2. In the latter case, the equilibrium is necessarily surrounded by a stable limit cycle. The brown (red) curve represents the predator (prey) nullcline.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-07-731038-g0003.tif"/>
</fig>
<p>In the case that there are three distinct positive equilibria, Lemma 3.2 simplifies to the following.</p>
<p><bold>Corrolary 3.3</bold>. <italic>Let the system parameters of (4) be such that the conditions of case (II)(ii) of Lemma 2.1 are met. Then, system 2.1 has three positive equilibria</italic> <inline-formula><mml:math id="M43"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <italic>and</italic> <inline-formula><mml:math id="M44"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. <italic>If the three equilibria are distinct, then the middle equilibrium is a saddle point, while the outer two equilibria are a repeller or an attractor. If both outer equilibria are repellers, then there is a stable limit cycle surrounding the equilibria</italic>.</p>
<p><italic>Proof:</italic> Recall that we assumed, without loss of generality, <inline-formula><mml:math id="M45"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula>, that is, <italic>P</italic><sub>2</sub> is the middle equilibrium. Now the first two results immediately follow from Lemma 3.2, the conditions of case (II)(ii) of Lemma 2.1 and the expressions for <inline-formula><mml:math id="M46"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x000B1;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> in terms of <italic>u</italic>&#x0002A; (8). In particular, for the middle equilibrium <inline-formula><mml:math id="M47"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> we have
<disp-formula id="E24"><mml:math id="M48"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mo>&#x00394;</mml:mo></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mo>&#x00394;</mml:mo></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mo>&#x00394;</mml:mo></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
Similarly, for <inline-formula><mml:math id="M49"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> we get
<disp-formula id="E25"><mml:math id="M50"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mo>&#x00394;</mml:mo></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mo>&#x00394;</mml:mo></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mo>&#x00394;</mml:mo></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
To show that <italic>P</italic><sub>1</sub> cannot be a saddle point, we recall that the number of equilibria as discussed in Lemma 2.1, and their stability, is independent of our initially picked root <italic>u</italic>&#x0002A;. Therefore, assume that initially picked root <italic>&#x00169;</italic>&#x0002A; in Lemma 2.1 is the largest root (where we added the &#x0007E; to make the distinction with the previous choice). Now, <inline-formula><mml:math id="M51"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula> and we have that
<disp-formula id="E26"><mml:math id="M52"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mo>&#x00394;</mml:mo></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mo>&#x00394;</mml:mo></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mo>&#x00394;</mml:mo></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
Hence, also <italic>P</italic><sub>1</sub> cannot be a saddle point.</p>
<p>The final statement again follows directly from the observation that &#x003A6; (9) forms a bounding box and the fact that the equilibria (0, 0) and (1, 0) are (non-hyperbolic) saddle points, see Lemma 3.1.&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x025A1;</p>
<p>Examples of Corollary 3.3 are shown in <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4</xref>.</p>
<fig id="F4" position="float">
<label>Figure 4</label>
<caption><p>Phase planes of system (4) for <italic>A</italic> &#x0003D; 0.1, <italic>M</italic> &#x0003D; &#x02212;0.1 and <italic>Q</italic> &#x0003D; 0.363, such that system (4) has three positive equilibria <italic>P</italic>, for varying <italic>S</italic> (Corollary 3.3). The equilibria (0, 0), (1, 0) and <italic>P</italic><sub>2</sub> are always saddles. The brown (red) curve represents the predator (prey) nullcline. <bold>(A)</bold> For <italic>S</italic> &#x0003D; 0.3 the equilibria <italic>P</italic><sub>1,3</sub> are attractors. <bold>(B)</bold> For <italic>S</italic> &#x0003D; 0.2 the equilibria <italic>P</italic><sub>1</sub> is an attractor and <italic>P</italic><sub>3</sub> is a repeller. <bold>(C)</bold> For <italic>S</italic> &#x0003D; 0.13 the equilibria <italic>P</italic><sub>1,3</sub> are repellers. The equilibria are surrounded by a stable limit cycle.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-07-731038-g0004.tif"/>
</fig>
<p>To conclude, we discuss the cases when two of the equilibria collapse, see <xref ref-type="fig" rid="F1">Figures 1</xref>, <xref ref-type="fig" rid="F5">5</xref>. Since we assumed, without loss of generality, that <inline-formula><mml:math id="M53"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula>, either <inline-formula><mml:math id="M54"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> collapses with <inline-formula><mml:math id="M55"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> or <italic>P</italic><sub>2</sub> collapses with <inline-formula><mml:math id="M56"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. We obtain the following result for the colliding equilibria.</p>
<fig id="F5" position="float">
<label>Figure 5</label>
<caption><p>Phase planes of system (4) for <italic>A</italic> &#x0003D; 0.1, <italic>M</italic> &#x0003D; &#x02212;0.1 and <italic>S</italic> &#x0003D; 0.25 for varying <italic>Q</italic>. The equilibria (0, 0) and (1, 0) are always saddles. The brown (red) curve represents the predator (prey) nullcline. <bold>(A)</bold> For <inline-formula><mml:math id="M67"><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>73</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>200</mml:mn></mml:math></inline-formula> the equilibria <italic>P</italic><sub>1</sub> and <italic>P</italic><sub>2</sub> coincide and form a stable saddle-node [Corollary 3.4(i)], while the equilibrium <italic>P</italic><sub>3</sub> is an attractor [Lemma 3.2(ii)]. <bold>(B)</bold> For <inline-formula><mml:math id="M68"><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>73</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>200</mml:mn></mml:math></inline-formula> the equilibria <italic>P</italic><sub>2</sub> and <italic>P</italic><sub>3</sub> coincide and form an unstable saddle-node [Corollary 3.4(i)], while the equilibrium <italic>P</italic><sub>1</sub> is an attractor [Lemma 3.2(ii)].</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-07-731038-g0005.tif"/>
</fig>
<p><bold>Corrolary 3.4</bold>. <italic>Let the system parameters of (4) be such that the conditions of case 2.12.1 of Lemma 2.1 are met</italic>.</p>
<list list-type="roman-upper">
<list-item><p><italic>If P</italic><sub>1</sub> <italic>collides with P</italic><sub>2</sub>, <italic>then this equilibrium point P</italic><sub>1</sub> &#x0003D; <italic>P</italic><sub>2</sub> <italic>of multiplicity two is</italic></p>
<list list-type="roman-lower">
<list-item><p><italic>an unstable saddle-node if</italic> <inline-formula><mml:math id="M57"><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula>,</p></list-item>
<list-item><p><italic>a stable saddle-node if</italic> <inline-formula><mml:math id="M58"><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula>.</p></list-item>
</list>
</list-item>
<list-item><p><italic>If P</italic><sub>2</sub> <italic>collides with P</italic><sub>3</sub>, <italic>then this equilibrium point P</italic><sub>2</sub> &#x0003D; <italic>P</italic><sub>3</sub> <italic>of multiplicity two is</italic></p>
<list list-type="roman-lower">
<list-item><p><italic>an unstable saddle-node if</italic> <inline-formula><mml:math id="M59"><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula>,</p></list-item>
<list-item><p><italic>a stable saddle-node if</italic> <inline-formula><mml:math id="M60"><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula>.</p></list-item>
</list>
</list-item>
</list>
<p><italic>Proof:</italic> We focus on the case where <italic>P</italic><sub>2</sub> collapses with <italic>P</italic><sub>3</sub>. The proof of the other case goes in a similar fashion and will be omitted. The equilibrium coincide when &#x00394; &#x0003D; 0 (7) and <inline-formula><mml:math id="M61"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula>. The Jacobian matrix (14) reduces to
<disp-formula id="E27"><label>(17)</label><mml:math id="M62"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="right center left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none none none none none none none none none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>Q</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>Q</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>S</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
So, as expected, <inline-formula><mml:math id="M63"><mml:mo class="qopname">det</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> and the behavior of the equilibrium depends on the value of the trace
<disp-formula id="E28"><mml:math id="M64"><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">tr</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>Q</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></disp-formula>
Implementing <inline-formula><mml:math id="M65"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> now gives the desired result. Note that since <inline-formula><mml:math id="M66"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> implies that <italic>T</italic>(<italic>A, M</italic>) &#x0003E; <italic>u</italic>&#x0002A;. Consequently, 1 &#x0002B; <italic>A</italic> &#x0002B; <italic>M</italic> &#x02212; <italic>u</italic>&#x0002A; &#x0003E; <italic>T</italic>(<italic>A, M</italic>) &#x02212; <italic>u</italic>&#x0002A; &#x0003E; 0.&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x025A1;</p>
<p>Since Equation (5) does not depend on the parameter <italic>S</italic> it does not affect the number of positive equilibria. In contrast, modifying <italic>Q</italic> impacts &#x00394; (7) and hence the number of positive equilibria. If we assume that the system parameters are such that we have three distinct positive equilibria <inline-formula><mml:math id="M76"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M77"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math id="M78"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, then the equilibrium <italic>P</italic><sub>2</sub> is a saddle point, while the other equilibria <italic>P</italic><sub>1</sub> and <italic>P</italic><sub>3</sub> are repellers or attractors, see Corollary 3.3. Let <inline-formula><mml:math id="M79"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>W</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02199;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denote the stable manifold of <italic>P</italic><sub>2</sub> that approaches <italic>P</italic><sub>2</sub> from a northeast direction and <inline-formula><mml:math id="M80"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>W</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02197;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> the stable manifold of <italic>P</italic><sub>2</sub> that approaches <italic>P</italic><sub>2</sub> from a southwest direction, see <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6A</xref>. By continuity of the vector field in <italic>S</italic> and the parameter <italic>Q</italic> fixed (see <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6</xref>), the following behavior is observed for the equilibria <italic>P</italic><sub>1</sub> and <italic>P</italic><sub>3</sub>:</p>
<list list-type="roman-lower">
<list-item><p>For large <italic>S</italic>, Lemma 3.2 yields that both <italic>P</italic><sub>1</sub> and <italic>P</italic><sub>3</sub> are repellers (i.e., for <inline-formula><mml:math id="M81"><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">max</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <italic>f</italic> is defined in Lemma 3.2) and consequently we observe that <inline-formula><mml:math id="M82"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>W</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02199;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> connects to the boundary of region &#x003A6; (9). In particular, <inline-formula><mml:math id="M83"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>W</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>W</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02197;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x022C3;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>W</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02199;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> creates a separatrix curve between the basin of attraction of <italic>P</italic><sub>1</sub> and <italic>P</italic><sub>3</sub>. Hence, any solutions having initial conditions above the separatrix lie in the basin of attraction of <italic>P</italic><sub>1</sub>, see orange region of <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6</xref>. Whereas, any solutions with initial conditions under of the separatrix lie in the basin of attraction of <italic>P</italic><sub>3</sub>, see grey region of <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6</xref>. The &#x003B1;-limit of <inline-formula><mml:math id="M84"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>W</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02199;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is outside of &#x003A6;, hence the curve <inline-formula><mml:math id="M85"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>W</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02199;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> lies above <inline-formula><mml:math id="M86"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>W</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02196;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the unstable manifold of (1, 0) that leaves (1, 0) in a northwest direction and necessarily remains in &#x003A6;. Hence <inline-formula><mml:math id="M87"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>W</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02196;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> connects to <italic>P</italic><sub>3</sub>, see <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6A</xref>.<xref ref-type="fn" rid="fn0004"><sup>4</sup></xref></p></list-item>
<list-item><p>Then, by further reducing <italic>S</italic>, there exists conditions in the (<italic>Q, S</italic>)-parameters space for which the two manifolds <inline-formula><mml:math id="M88"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>W</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02196;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M89"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>W</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02199;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> coincide, forming the heteroclinic curve [<xref ref-type="bibr" rid="B32">32</xref>], see <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6B</xref>.</p></list-item>
<list-item><p>Upon further decreasing <italic>S</italic>, <inline-formula><mml:math id="M90"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>W</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> connects with (0, 0), see <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6C</xref>. Furthermore, there exists an <italic>S</italic>-value for which <inline-formula><mml:math id="M91"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>W</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02199;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> connects with <inline-formula><mml:math id="M92"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>W</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02197;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (i.e., <inline-formula><mml:math id="M93"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>W</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02199;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>W</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02197;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) generating an homoclinic curve. Note that this case is not shown in <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6</xref> but it lies between <italic>S</italic> &#x0003D; 0.235 of <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6C</xref> and <italic>S</italic> &#x0003D; 0.225 of <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6D</xref>.</p></list-item>
<list-item><p>When the homoclinic breaks an unstable limit cycle is created around <italic>P</italic><sub>2</sub>, see <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6D</xref>.</p></list-item>
<list-item><p>Upon further decrasing <italic>S</italic>, <italic>P</italic><sub>3</sub> becomes unstable and <italic>P</italic><sub>1</sub> turns into an attractor and <inline-formula><mml:math id="M94"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>W</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02196;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> connects to <italic>P</italic><sub>1</sub>, see <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6E</xref>.</p></list-item>
<list-item><p>Finally, if the system parameters are such that <italic>f</italic>(<italic>u</italic>&#x0002A;) and <inline-formula><mml:math id="M95"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are positive, where <italic>f</italic> is defined in Lemma 3.2, then, <italic>P</italic><sub>1</sub> and <italic>P</italic><sub>3</sub> are repellers for <inline-formula><mml:math id="M96"><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mo class="qopname">min</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Hence, by Corollary 3.3 the system possesses a limit cycle, and <inline-formula><mml:math id="M97"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>W</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02196;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> connects to this limit cycle, while <inline-formula><mml:math id="M98"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>W</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02199;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> connects with <inline-formula><mml:math id="M99"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>W</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02199;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M100"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>W</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02197;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> connects with <inline-formula><mml:math id="M101"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>W</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02197;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, see <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6F</xref>.</p></list-item>
</list>
<p>Note that the dynamics described above is also observed in studies related to heteroclinic cycles. These dynamics refer to heteroclinic trajectories which are saddle-type of invariant sets. For instance, in [<xref ref-type="bibr" rid="B34">34</xref>] the authors observed that the system could experience by continuity a saddle-node bifurcation, a Hopf bifurcation and a homoclinic bifurcation.</p>
<fig id="F6" position="float">
<label>Figure 6</label>
<caption><p>Phase plane of system (4) for <italic>A</italic> &#x0003D; 0.1, <italic>M</italic> &#x0003D; &#x02212;0.1 and <italic>Q</italic> &#x0003D; 0.363 for varying <italic>S</italic>. The equilibria (0, 0), (1, 0) and <italic>P</italic><sub>2</sub> are always saddles. The brown (red) curve represents the predator (prey) nullcline. <bold>(A)</bold> For <italic>S</italic> &#x0003D; 0.3 both <italic>P</italic><sub>1</sub> and <italic>P</italic><sub>3</sub> are attractors. The stable manifold of <italic>P</italic><sub>2</sub> (<italic>W</italic><sup><italic>s</italic></sup>) forms a separatrix between the basin of attraction of <italic>P</italic><sub>1</sub> (orange region) and the basin of attraction of <italic>P</italic><sub>3</sub> (grey region) and <inline-formula><mml:math id="M69"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>W</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02196;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> connects to <italic>P</italic><sub>3</sub>. <bold>(B)</bold> For <italic>S</italic> &#x0003D; 0.24962827 both <italic>P</italic><sub>1</sub> and <italic>P</italic><sub>3</sub> are still attractors and the stable manifold of <italic>P</italic><sub>2</sub> still forms a separatrix between the two basins of attraction. However, the separatrix now connects to <inline-formula><mml:math id="M70"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>W</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02196;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> forming a heteroclinic curve between <italic>P</italic><sub>2</sub> and (1, 0). <bold>(C)</bold> For <italic>S</italic> &#x0003D; 0.235 both <italic>P</italic><sub>1</sub> and <italic>P</italic><sub>3</sub> are attractors. The stable manifold of <italic>P</italic><sub>2</sub> forms a separatrix between the basin of attraction of <italic>P</italic><sub>1</sub> (orange region) and the basin of attraction of <italic>P</italic><sub>3</sub> (grey region). Here, <inline-formula><mml:math id="M71"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>W</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02197;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> connects to (0, 0) and <inline-formula><mml:math id="M72"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>W</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02196;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> connects to <italic>P</italic><sub>1</sub>. <bold>(D)</bold> For <italic>S</italic> &#x0003D; 0.225 both <italic>P</italic><sub>1</sub> and <italic>P</italic><sub>3</sub> are still attractors and <italic>P</italic><sub>3</sub> is surrounded by an unstable limit cycle. This limit cycle forms a separatrix between the two basins of attraction. Here, <inline-formula><mml:math id="M73"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>W</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02196;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> connects to <italic>P</italic><sub>1</sub>. <bold>(E)</bold> For <italic>S</italic> &#x0003D; 0.18 the equilibria <italic>P</italic><sub>3</sub> is a repeller and <italic>P</italic><sub>1</sub> is a global attractor. Hence, also <inline-formula><mml:math id="M74"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>W</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02196;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> now connects to <italic>P</italic><sub>1</sub>. <bold>(F)</bold> For <italic>S</italic> &#x0003D; 0.13 both <italic>P</italic><sub>1</sub> and <italic>P</italic><sub>3</sub> are repellers and <inline-formula><mml:math id="M75"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>W</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02196;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> connects to a stable limit cycle which surrounds the three positive equilibria.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-07-731038-g0006.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec>
<title>3.2. Bifurcation Analysis</title>
<p>In this section, we discuss some of the potential bifurcation scenarios. For brevity, we focus only on the case where <italic>P</italic><sub>2</sub> collapses with <italic>P</italic><sub>3</sub>. To note, similar results, but under different parameter conditions, hold for the other case (i.e., <italic>P</italic><sub>1</sub> collides with <italic>P</italic><sub>2</sub>) and the proofs, which will be omitted, go in a similar fashion.</p>
<p><bold>Theorem 3.1</bold>. <italic>Let the system parameters of (4) be such that the conditions of case (II)(ii) of Lemma 2.1 are met and assume that P</italic><sub>2</sub> <italic>and P</italic><sub>3</sub> <italic>coincide, i.e.,</italic> &#x00394; &#x0003D; <italic>0 (7). Then, system (4) experiences a saddle-node bifurcation at the equilibrium</italic> <inline-formula><mml:math id="M102"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
<p><italic>Proof:</italic> For &#x00394; &#x0003D; 0 the equilibria <italic>P</italic><sub>2</sub> and <italic>P</italic><sub>3</sub> collapse and reduce to <inline-formula><mml:math id="M103"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> (8). The other positive equilibrium is <inline-formula><mml:math id="M104"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math id="M105"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> by assumption. So, the Jacobian matrix of the system (4) evaluated at the equilibrium <inline-formula><mml:math id="M106"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is
<disp-formula id="E29"><mml:math id="M107"><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none none none none none none none none none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
see also (17), and <inline-formula><mml:math id="M108"><mml:mo class="qopname">det</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>. Let <inline-formula><mml:math id="M109"><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> be the eigenvector corresponding to the eigenvalue &#x003BB; &#x0003D; 0 of the matrix <inline-formula><mml:math id="M110"><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Additionally, let <inline-formula><mml:math id="M111"><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>.</p>
<p>The dynamical system (4) in vector form is given by
<disp-formula id="E30"><label>(18)</label><mml:math id="M112"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="right center left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none none none none none none none none none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
Differentiating <italic>f</italic>(<italic>u, v, Q</italic>) with respect to the bifurcation parameter <italic>Q</italic> and evaluating at <italic>P</italic><sub>2</sub> gives
<disp-formula id="E31"><mml:math id="M113"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none none none none none none none none none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
Therefore,
<disp-formula id="E32"><mml:math id="M114"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x02260;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
Next, we analyse the expression <italic>U</italic> &#x000B7; <italic>D</italic><sup>2</sup><italic>f</italic>(<italic>u, v</italic>; <italic>Q</italic>)(<italic>V, V</italic>). The latter is given by
<disp-formula id="E33"><mml:math id="M115"><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none none none none none none none none none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
Thus,
<disp-formula id="E34"><mml:math id="M116"><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x02260;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
Therefore, by Sotomayor&#x00027;s Theorem ([<xref ref-type="bibr" rid="B35">35</xref>], section 4.2, e.g) system (4) has a saddle-node bifurcation at <inline-formula><mml:math id="M117"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x025A1;</p>
<p><bold>Theorem 3.2</bold>. <italic>Let the system parameters of (4) be such that the conditions of case (II)(ii) of Lemma 2.1 are met and assume that P</italic><sub>2</sub> <italic>and P</italic><sub>3</sub> <italic>coincide, i.e.,</italic> &#x00394; &#x0003D; 0 <italic>(7), and let</italic>
<disp-formula id="E35"><label>(19)</label><mml:math id="M118"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="right center left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<italic>Then, the equilibrium point</italic> <inline-formula><mml:math id="M119"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <italic>is a cusp point</italic>.</p>
<p>See [<xref ref-type="bibr" rid="B31">31</xref>], for a formal definition of a cusp point.</p>
<p><italic>Proof:</italic> If <italic>S</italic> &#x0003D; <italic>Q</italic>(<italic>u</italic>&#x0002A; &#x02212; <italic>T</italic>(<italic>A, M</italic>))/(1 &#x0002B; <italic>A</italic> &#x0002B; <italic>M</italic> &#x02212; <italic>u</italic>&#x0002A;), then <inline-formula><mml:math id="M120"><mml:mo class="qopname">det</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M121"><mml:mstyle class="text"><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">tr</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> and the Jacobian matrix of system (4) evaluated at the equilibrium <inline-formula><mml:math id="M122"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> simplifies to
<disp-formula id="E36"><mml:math id="M123"><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none none none none none none none none none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
Now, we find the Jordan normal form for <inline-formula><mml:math id="M124"><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. It has repeated eigenvalues and a unique eigenvector (1, 1)<sup><italic>T</italic></sup>. This vector will be the first column of the matrix of transformations &#x003D2;<sub>4</sub>. To obtain the second column, we choose a vector that makes the matrix &#x003D2;<sub>4</sub> non-singular. In this case, we take (&#x02212;1, 0)<sup><italic>T</italic></sup>. Thus,
<disp-formula id="E37"><mml:math id="M125"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x003D2;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none none none none none none none none none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
and
<disp-formula id="E38"><mml:math id="M126"><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x003D2;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003D2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none none none none none none none none none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
Hence, we have that the equilibrium <inline-formula><mml:math id="M127"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a codimension 2 cusp point [<xref ref-type="bibr" rid="B36">36</xref>] for (<italic>Q, S</italic>) such that &#x00394; &#x0003D; 0.&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x025A1;</p>
<p>A Bogdanov&#x02013;Takens bifurcation can be obtained by following [<xref ref-type="bibr" rid="B36">36</xref>&#x02013;<xref ref-type="bibr" rid="B38">38</xref>] where the authors showed that this type of bifurcation can be obtained by unfolding the system around the cusp of codimension two. In other words, if we consider a small neighborhood of the equilibrium point <inline-formula><mml:math id="M128"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <italic>Q</italic> and <italic>S</italic> vary near <inline-formula><mml:math id="M129"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, then system (4) undergoes a Bogdanov&#x02013;Takens bifurcation.</p>
<p>Luckily, nowadays, there are several computational methods to find Bogdanov&#x02013;Takens points and these methods are implemented in software packages such as MATCONT [<xref ref-type="bibr" rid="B39">39</xref>]. <xref ref-type="fig" rid="F7">Figure 7</xref> illustrates the two Bogdanov&#x02013;Takens bifurcations which were detected with MATCONT in the (<italic>Q, S</italic>)-plane for (<italic>A, M</italic>) fixed. In particular, the bifurcation curves obtained from Theorem 3.1 and 3.2 divide the (<italic>Q, S</italic>)-parameter-space into nine regions, see <xref ref-type="fig" rid="F7">Figure 7</xref>. From our results we observe that for <italic>A</italic> and <italic>M</italic> fixed modifying the parameter <italic>Q</italic> impacts the number of positive equilibria of system (4). In contrast, the modification of the parameter <italic>S</italic> only changes the stability of the positive equilibria <italic>P</italic><sub>1</sub> and <italic>P</italic><sub>3</sub> of system (4), while the other equilibria (0, 0), (1, 0) and <italic>P</italic><sub>2</sub> are always saddle points. When the parameters lie in the curve <italic>Q</italic> &#x0003D; <italic>Q</italic><sup>&#x02212;</sup>(<italic>A, M</italic>) the equilibria <italic>P</italic><sub>1</sub> and <italic>P</italic><sub>2</sub> collapse and we have <inline-formula><mml:math id="M130"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M131"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math id="M132"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>. In addition, when parameters lie in the curve <italic>Q</italic> &#x0003D; <italic>Q</italic><sup>&#x0002B;</sup>(<italic>A, M</italic>) the equilibria <italic>P</italic><sub>2</sub> and <italic>P</italic><sub>3</sub> collapse and we have <inline-formula><mml:math id="M133"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M134"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Along these lines we observe a saddle-node bifurcation, see Theorem 3.1. The system experiences a Bogdanov&#x02013;Takens bifurcation if, in addition, <italic>S</italic> &#x0003D; <italic>Q</italic>(<italic>u</italic>&#x0002A; &#x02212; <italic>T</italic>(<italic>A, M</italic>))/(1 &#x0002B; <italic>A</italic> &#x0002B; <italic>M</italic> &#x02212; <italic>u</italic>&#x0002A;), see Theorem 3.2. When the parameters are located in Region I and VII, system (4) has one positive equilibrium which is an attractor, while when the parameters are located in Region II and VIII system (4) also has one positive equilibrium but now it is a repeller surrounded by a stable limit cycle, see <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3</xref>. When the parameters moved to Regions III&#x02013;VI system (4) has three equilibria. In these regions <italic>P</italic><sub>2</sub> is always a saddle point. In region III <italic>P</italic><sub>1</sub> and <italic>P</italic><sub>3</sub> are both attractors, see <xref ref-type="fig" rid="F6">Figures 6A&#x02013;C</xref>. Furthermore, when the parameters lie in Regions IV <italic>P</italic><sub>1</sub> is an attractor and <italic>P</italic><sub>3</sub> is an attractor surrounded by an unstable limit cycle, see <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6D</xref>. When the parameters lie in Regions V <italic>P</italic><sub>1</sub> is an attractor and <italic>P</italic><sub>3</sub> is a repeller, see <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6E</xref>. Finally, when the parameters are located in Region VI, <italic>P</italic><sub>1</sub> and <italic>P</italic><sub>3</sub> are both repellers and the equilibria <italic>P</italic><sub>1,2,3</sub> are thus surrounded by a stable limit cycle, see <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6F</xref>. Note that <xref ref-type="fig" rid="F7">Figure 7</xref> only shows a partial bifurcation diagram, since there could exist a homoclinic curve which is located between the Hopf and the saddle-node curve. The homoclinic bifurcation and other types of bifurcations are not include in <xref ref-type="fig" rid="F6">Figures 6</xref>, <xref ref-type="fig" rid="F7">7</xref>, however it could be observed in the transition from <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6C</xref> to <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6D</xref> for <italic>S</italic> &#x02208; (0.225, 0.235). In addition, the bifurcation curves observed in <xref ref-type="fig" rid="F7">Figure 7</xref> are qualitatively similar to the bifurcation studied in [<xref ref-type="bibr" rid="B34">34</xref>]. In particular, the authors observed that the variation of two parameters impacts the number of equilibria of the system and the stability of these equilibria. It was also observed that, by continuity, the stability of an equilibrium point changes from stable to unstable point surrounded by a stable limit cycle. Then, the limit cycle increases until it joins a homoclinic curve which is the connection between the stable and unstable manifold of a saddle point.</p>
<fig id="F7" position="float">
<label>Figure 7</label>
<caption><p>The bifurcation diagram of system (4) for (<italic>A, M</italic>) &#x0003D; (0.1, &#x02212;0.1) fixed created with the numerical bifurcation package MATCONT [<xref ref-type="bibr" rid="B39">39</xref>]. The curve <italic>H</italic> represents the Hopf curve, <italic>SN</italic><sub>1,2</sub> represents the saddle-node curve, and <italic>BT</italic> represents the Bogdanov&#x02013;Takens bifurcation.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-07-731038-g0007.tif"/>
</fig></sec></sec>
<sec sec-type="conclusions" id="s4">
<title>4. Conclusions</title>
<p>In this manuscript, we studied a Leslie&#x02013;Gower predator-prey model with weak Allee effect and functional response Holling type II, i.e., system (2) with <italic>m</italic> &#x0003C; 0. We simplified the analysis by studying a topologically equivalent system (4). The topologically equivalent system (4) has two equilibria on the axis which are always (non-hyperbolic) saddle points, see Lemma 3.1. In addition, system (4) has at most three positive equilibria in the first quadrant, see Lemma 2.1 and <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1</xref>. As the function &#x003C6; is a diffeomorphism preserving the orientation of time, the dynamics of system (2) is topologically equivalent to system (4) ([<xref ref-type="bibr" rid="B29">29</xref>], Theorem 1). Therefore, we can, for instance, conclude from the results of section 3 that there are conditions on the system parameter for which the predator and prey can coexist without oscillations or with oscillations, see <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6</xref> and this behavior depends intrinsically and non-linearly on the system parameters including the predation rate (<italic>q</italic>) and the intrinsic growth rate of the predator (<italic>s</italic>).</p>
<p>In more detail, when the system parameters are such that system (4) has only one positive equilibrium, i.e., <italic>Q</italic> &#x0003C; <italic>Q</italic><sup>&#x02212;</sup>(<italic>A, M</italic>) or <italic>Q</italic> &#x0003E; <italic>Q</italic><sup>&#x0002B;</sup>(<italic>A, M</italic>), see Regions I, II, VII and VIII in <xref ref-type="fig" rid="F7">Figure 7</xref>, then it is a repeller surrounded by a stable limit cycle or an attractor, but not a saddle point, see Corollary 3.2 and <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3</xref>. Note that when the equilibrium is an attractor it is not necessary a global attractor since there is a small region in parameter space near the Hopf bifurcation where the equilibrium is surrounded by two limit cycles, see <xref ref-type="fig" rid="F8">Figure 8A</xref>. The observed behavior for system (4), and hence system (2) with <italic>m</italic> &#x0003C; 0, in this case of one positive equilibrium &#x02013; global attractor, attractor with two limit cycles, or repeller with one limit cycle &#x02013; is similar to the behavior of the original Leslie&#x02013;Gower predator-prey (1) with logistic growth for the prey [<xref ref-type="bibr" rid="B40">40</xref>]. In other words, for <italic>q</italic> smaller than some <italic>q</italic><sup>&#x02212;</sup> or larger than some <italic>q</italic><sup>&#x0002B;</sup> both systems (1) and (2) with <italic>m</italic> &#x0003C; 0 present qualitatively similar behaviors, see <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3B</xref>.</p>
<fig id="F8" position="float">
<label>Figure 8</label>
<caption><p>Phase plane of system (4) for <italic>A</italic> &#x0003D; 0.1 and <italic>M</italic> &#x0003D; &#x02212;0.1 for varying <italic>Q</italic> and <italic>S</italic>. The equilibria (0, 0) and (1, 0) are always saddles. The brown (red) curve represents the predator (prey) nullcline. <bold>(A)</bold> For <italic>Q</italic> &#x0003D; 0.345 and <italic>S</italic> &#x0003D; 0.134332 <italic>P</italic><sub>1</sub> is an attractor surrounded by two limit cycles, the inner one is unstable, while the outer limit cycle is stable. <bold>(B)</bold> For for <italic>Q</italic> &#x0003D; 0.363 and <italic>S</italic> &#x0003D; 0.1298 system (4) has three equilibria. Here, <italic>P</italic><sub>2</sub> is a saddle, <italic>P</italic><sub>1</sub> is an attractor surrounded by an unstable limit cycles and <italic>P</italic><sub>3</sub> is a repeller. The three positive equilibria <italic>P</italic><sub>1,2,3</sub> are surrounded by a stable limit cycle.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-07-731038-g0008.tif"/>
</fig>
<p>In contrast, for <italic>Q</italic><sup>&#x02212;</sup>(<italic>A, M</italic>) &#x0003C; <italic>Q</italic> &#x0003C; <italic>Q</italic><sup>&#x0002B;</sup>(<italic>A, M</italic>), system (4) has three equilibria in the first quadrant, which is not possible in the original Leslie&#x02013;Gower predator-prey (1) nor in the model with strong Allee effect, i.e., system (2) with <italic>m</italic> &#x0003E; 0. In this case, the middle one is always a saddle point, while the outer two are repellers or attracters, see Corollary 3.3 and <xref ref-type="fig" rid="F4">Figures 4</xref>, <xref ref-type="fig" rid="F6">6</xref>. If the two outer equilibria are attractors, then either the stable manifold of the saddle point determines a separatrix curve which divides the basins of attraction of the two attracters, or there exists an unstable limit cycle dividing the basins of attraction, see <xref ref-type="fig" rid="F6">Figures 6A&#x02013;D</xref>. When both outer equilibria are repellers the system necessarily possesses a stable limit cycle, see <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6F</xref>. When the outer equilibria are an attractor and a repeller, the attractor can be a global attractor or there are two limit cycles surrounding the equilibria, see <xref ref-type="fig" rid="F6">Figures 6E</xref>, <xref ref-type="fig" rid="F8">8B</xref>. The latter one again happens near the Hopf bifurcation. In other words, there are regions in parameter space for which system (4) has two attractors or an attractor and a stable limit cycle. As such, a modification of one, or both, of the species could have the result that you end up in a different basin of attraction and you will thus have significantly different dynamics as you will approach the other attractor, see <xref ref-type="fig" rid="F6">Figures 6A&#x02013;D</xref>, <xref ref-type="fig" rid="F8">8B</xref>. We also performed an initial (numerical) bifurcation analysis which revealed the existence of saddle-node and Bogdanov&#x02013;Takens bifurcations, see Theorems 3.1 and 3.2 and <xref ref-type="fig" rid="F7">Figure 7</xref>.</p>
<p>In summary, we showed that the weak Allee effect in the Leslie&#x02013;Gower model (2) presents&#x02014;due to the presence of a region in parameter space where we have three positive equilibria&#x02014;richer dynamics than the original Leslie&#x02013;Gower predator-prey model (2) studied, for example, by Saez and Gonzalez-Olivares [<xref ref-type="bibr" rid="B40">40</xref>]. The original Leslie&#x02013;Gower predator-prey model (2) does not possess the bifurcations studied in section 3.2. That is, a saddle-node bifurcation and a Bogdanov&#x02013;Takens bifurcation. Moreover, the original model only has one positive equilibrium point, which can be stable surrounded by two limit cycles. Therefore, the populations could switch between a stable state or an oscillatory behavior. However, system (2) with a weak Allee effect can have two stable equilibria and thus depending on the initial condition the population could end up in two stable states. From an ecological point of view, we can also conclude that the species in system (2) could coexist or oscillate but never go extinct, see <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6</xref>. This behavior was also observed by Ostfeld and Canhan [<xref ref-type="bibr" rid="B24">24</xref>]. The authors found that the stabilization of vole (<italic>Microtus agrestis</italic>) populations in Southeastern New York depend on the variation in reproductive rate and thus this impact the reproductive activity of the species. This is again similar to the original Leslie&#x02013;Gower predator-prey model (2), but different from the Leslie&#x02013;Gower model (2) with strong Allee effect, i.e., <italic>m</italic> &#x0003E; 0. In the latter case, the model supports coexistence and extinction of the species [<xref ref-type="bibr" rid="B29">29</xref>].</p></sec>
<sec sec-type="data-availability" id="s5">
<title>Data Availability Statement</title>
<p>The original contributions presented in the study are included in the article/supplementary material, further inquiries can be directed to the corresponding author/s.</p></sec>
<sec id="s6">
<title>Author Contributions</title>
<p>CA-I implemented the methodology, performed the analytics and numerical analysis, composed all the figures, drafted the manuscript, wrote the cover letter and acted as the corresponding author. JF provided the technical assistance with the interpretation of the results and critically reviewed the manuscript. PH directed the research, provided the technical assistance with the interpretation of the results and critically reviewed the manuscript. All authors contributed to the article and approved the submitted version.</p></sec>
<sec sec-type="COI-statement" id="conf1">
<title>Conflict of Interest</title>
<p>The authors declare that the research was conducted in the absence of any commercial or financial relationships that could be construed as a potential conflict of interest.</p></sec>
<sec sec-type="disclaimer" id="s7">
<title>Publisher&#x00027;s Note</title>
<p>All claims expressed in this article are solely those of the authors and do not necessarily represent those of their affiliated organizations, or those of the publisher, the editors and the reviewers. Any product that may be evaluated in this article, or claim that may be made by its manufacturer, is not guaranteed or endorsed by the publisher.</p></sec>
</body>
<back>
<ref-list>
<title>References</title>
<ref id="B1">
<label>1.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Arancibia-Ibarra</surname> <given-names>C</given-names></name></person-group>. <article-title>The basins of attraction in a modified May-Holling-Tanner predator-prey model with Allee effect</article-title>. <source>Nonlinear Anal Theory Methods Appl.</source> (<year>2019</year>) <volume>185</volume>:<fpage>15</fpage>&#x02013;<lpage>28</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.na.2019.03.004</pub-id></citation></ref>
<ref id="B2">
<label>2.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Kundu</surname> <given-names>S</given-names></name> <name><surname>Maitra</surname> <given-names>S</given-names></name></person-group>. <article-title>Asymptotic behaviors of a two prey one predator model with cooperation among the prey species in a stochastic environment</article-title>. <source>J Appl Math Comput.</source> (<year>2019</year>) <volume>61</volume>:<fpage>505</fpage>&#x02013;<lpage>31</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s12190-019-01251-4</pub-id></citation></ref>
<ref id="B3">
<label>3.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Mart&#x000ED;nez-Jeraldo</surname> <given-names>N</given-names></name> <name><surname>Aguirre</surname> <given-names>P</given-names></name></person-group>. <article-title>Allee effect acting on the prey species in a Leslie&#x02013;Gower predation model</article-title>. <source>Nonlinear Anal Real World Appl.</source> (<year>2019</year>) <volume>45</volume>:<fpage>895</fpage>&#x02013;<lpage>917</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.nonrwa.2018.08.009</pub-id></citation></ref>
<ref id="B4">
<label>4.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Mateo</surname> <given-names>R</given-names></name> <name><surname>Gast&#x000F3;n</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>Aroca-Fern&#x000E1;ndez</surname> <given-names>M</given-names></name> <name><surname>Broennimann</surname> <given-names>O</given-names></name> <name><surname>Guisan</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>Saura</surname> <given-names>A</given-names></name> <etal/></person-group>. <article-title>Hierarchical species distribution models in support of vegetation conservation at the landscape scale</article-title>. <source>J Veget Sci.</source> (<year>2019</year>) <volume>30</volume>:<fpage>386</fpage>&#x02013;<lpage>96</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1111/jvs.12726</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">21054380</pub-id></citation></ref>
<ref id="B5">
<label>5.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Mondal</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>Pal</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>Samanta</surname> <given-names>GP</given-names></name></person-group>. <article-title>On the dynamics of evolutionary Leslie-Gower predator-prey eco-epidemiological model with disease in predator</article-title>. <source>Ecol Genet Genomics.</source> (<year>2019</year>) <volume>10</volume>:<fpage>1</fpage>&#x02013;<lpage>12</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.egg.2018.11.002</pub-id></citation></ref>
<ref id="B6">
<label>6.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Santos</surname> <given-names>X</given-names></name> <name><surname>Cheylan</surname> <given-names>M</given-names></name></person-group>. <article-title>Taxonomic and functional response of a Mediterranean reptile assemblage to a repeated fire regime</article-title>. <source>Biol Conserv.</source> (<year>2013</year>) <volume>168</volume>:<fpage>90</fpage>&#x02013;<lpage>98</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.biocon.2013.09.008</pub-id></citation></ref>
<ref id="B7">
<label>7.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Turchin</surname> <given-names>P</given-names></name></person-group>. <source>Complex Population Dynamics: A Theoretical/Empirical Synthesis</source>. <publisher-loc>Princeton, NJ</publisher-loc>: <publisher-name>Princeton University Press</publisher-name> (<year>2003</year>).</citation></ref>
<ref id="B8">
<label>8.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Hooper</surname> <given-names>D</given-names></name> <name><surname>Chapin</surname> <given-names>F</given-names></name> <name><surname>Ewel</surname> <given-names>J</given-names></name> <name><surname>Hector</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>Inchausti</surname> <given-names>P</given-names></name> <name><surname>Lavorel</surname> <given-names>S</given-names></name> <etal/></person-group>. <article-title>Effects of biodiversity on ecosystem functioning: a consensus of current knowledge</article-title>. <source>Ecol Monogr.</source> (<year>2005</year>) <volume>75</volume>:<fpage>3</fpage>&#x02013;<lpage>35</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1890/04-0922</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">24774563</pub-id></citation></ref>
<ref id="B9">
<label>9.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>May</surname> <given-names>R</given-names></name></person-group>. <source>Stability and Complexity in Model Ecosystems</source>. <publisher-loc>Princeton, NJ</publisher-loc>: <publisher-name>Princeton University Press</publisher-name> (<year>1974</year>).</citation></ref>
<ref id="B10">
<label>10.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Moller</surname> <given-names>AP</given-names></name> <name><surname>Stokke</surname> <given-names>BG</given-names></name> <name><surname>Samia</surname> <given-names>DSM</given-names></name></person-group>. <article-title>Hawk models, Hawk mimics, and antipredator behavior of prey</article-title>. <source>Behav Ecol.</source> (<year>2015</year>) <volume>26</volume>:<fpage>1039</fpage>&#x02013;<lpage>44</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1093/beheco/arv043</pub-id></citation></ref>
<ref id="B11">
<label>11.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Monclus</surname> <given-names>R</given-names></name> <name><surname>von Holst</surname> <given-names>D</given-names></name> <name><surname>Blumstein</surname> <given-names>D</given-names></name> <name><surname>R&#x000F6;del</surname> <given-names>H</given-names></name></person-group>. <article-title>Long-term effects of litter sex ratio on female reproduction in two iteroparous mammals</article-title>. <source>Funct Ecol.</source> (<year>2014</year>) <volume>28</volume>:<fpage>954</fpage>&#x02013;<lpage>62</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1111/1365-2435.12231</pub-id></citation></ref>
<ref id="B12">
<label>12.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Hanski</surname> <given-names>I</given-names></name> <name><surname>Henttonen</surname> <given-names>H</given-names></name> <name><surname>Korpim&#x000E4;ki</surname> <given-names>E</given-names></name> <name><surname>Oksanen</surname> <given-names>L</given-names></name> <name><surname>Turchin</surname> <given-names>P</given-names></name></person-group>. <article-title>Small&#x02013;rodent dynamics and predation</article-title>. <source>Ecology.</source> (<year>2001</year>) <volume>82</volume>:<fpage>1505</fpage>&#x02013;<lpage>20</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1890/0012-9658(2001)082[1505:SRDAP]2.0.CO;2</pub-id></citation></ref>
<ref id="B13">
<label>13.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Hanski</surname> <given-names>I</given-names></name> <name><surname>Hansson</surname> <given-names>L</given-names></name> <name><surname>Henttonen</surname> <given-names>H</given-names></name></person-group>. <article-title>Specialist predators, generalist predators, and the microtine rodent cycle</article-title>. <source>J Anim Ecol.</source> (<year>1991</year>) <volume>60</volume>:<fpage>353</fpage>&#x02013;<lpage>67</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.2307/5465</pub-id></citation></ref>
<ref id="B14">
<label>14.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Roux</surname> <given-names>P</given-names></name> <name><surname>Shaw</surname> <given-names>J</given-names></name> <name><surname>Chown</surname> <given-names>S</given-names></name></person-group>. <article-title>Ontogenetic shifts in plant interactions vary with environmental severity and affect population structure</article-title>. <source>N Phytol.</source> (<year>2013</year>) <volume>200</volume>:<fpage>241</fpage>&#x02013;<lpage>50</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1111/nph.12349</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">23738758</pub-id></citation></ref>
<ref id="B15">
<label>15.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Bimler</surname> <given-names>M</given-names></name> <name><surname>Stouffer</surname> <given-names>D</given-names></name> <name><surname>Lai</surname> <given-names>H</given-names></name> <name><surname>Mayfield</surname> <given-names>M</given-names></name></person-group>. <article-title>Accurate predictions of coexistence in natural systems require the inclusion of facilitative interactions and environmental dependency</article-title>. <source>J Ecol.</source> (<year>2018</year>) <volume>106</volume>:<fpage>1839</fpage>&#x02013;<lpage>52</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1111/1365-2745.13030</pub-id></citation></ref>
<ref id="B16">
<label>16.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Wood</surname> <given-names>S</given-names></name> <name><surname>Thomas</surname> <given-names>M</given-names></name></person-group>. <article-title>Super&#x02013;sensitivity to structure in biological models</article-title>. <source>Proc R Soc Lond Ser B Biol Sci.</source> (<year>1999</year>) <volume>266</volume>:<fpage>565</fpage>&#x02013;<lpage>70</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1098/rspb.1999.0673</pub-id></citation></ref>
<ref id="B17">
<label>17.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Graham</surname> <given-names>IM</given-names></name> <name><surname>Lambin</surname> <given-names>X</given-names></name></person-group>. <article-title>The impact of weasel predation on cyclic field-vole survival: the specialist predator hypothesis contradicted</article-title>. <source>J Anim Ecol.</source> (<year>2002</year>) <volume>71</volume>:<fpage>946</fpage>&#x02013;<lpage>56</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1046/j.1365-2656.2002.00657.x</pub-id></citation></ref>
<ref id="B18">
<label>18.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Leslie</surname> <given-names>P</given-names></name></person-group>. <article-title>Some further notes on the use of matrices in population mathematics</article-title>. <source>Biometrika</source>. (<year>1948</year>) <volume>35</volume>:<fpage>213</fpage>&#x02013;<lpage>45</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1093/biomet/35.3-4.213</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">12315394</pub-id></citation></ref>
<ref id="B19">
<label>19.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Courchamp</surname> <given-names>F</given-names></name> <name><surname>Clutton-Brock</surname> <given-names>T</given-names></name> <name><surname>Grenfell</surname> <given-names>B</given-names></name></person-group>. <article-title>Inverse density dependence and the Allee effect</article-title>. <source>Trends Ecol Evol.</source> (<year>1999</year>) <volume>14</volume>:<fpage>405</fpage>&#x02013;<lpage>10</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/S0169-5347(99)01683-3</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">10481205</pub-id></citation></ref>
<ref id="B20">
<label>20.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Courchamp</surname> <given-names>F</given-names></name> <name><surname>Berec</surname> <given-names>L</given-names></name> <name><surname>Gascoigne</surname> <given-names>J</given-names></name></person-group>. <source>Allee effects in Ecology and Conservation</source>. Oxford University Press (<year>2008</year>).</citation></ref>
<ref id="B21">
<label>21.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Stephens</surname> <given-names>P</given-names></name> <name><surname>Sutherland</surname> <given-names>W</given-names></name></person-group>. <article-title>Consequences of the Allee effect for behaviour, ecology and conservation</article-title>. <source>Trends Ecol Evol.</source> (<year>1999</year>) <volume>14</volume>:<fpage>401</fpage>&#x02013;<lpage>5</lpage>. <pub-id pub-id-type="pmid">10481204</pub-id></citation></ref>
<ref id="B22">
<label>22.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Allee</surname> <given-names>W</given-names></name> <name><surname>Park</surname> <given-names>O</given-names></name> <name><surname>Emerson</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>Park</surname> <given-names>T</given-names></name> <name><surname>Schmidt</surname> <given-names>K</given-names></name></person-group>. <source>Principles of Animal Ecology</source>. <publisher-loc>Philadelphia, PA</publisher-loc>: <publisher-name>WB Saundere Co. Ltd.</publisher-name> (<year>1949</year>).</citation></ref>
<ref id="B23">
<label>23.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Berec</surname> <given-names>L</given-names></name> <name><surname>Angulo</surname> <given-names>E</given-names></name> <name><surname>Courchamp</surname> <given-names>F</given-names></name></person-group>. <article-title>Multiple Allee effects and population management</article-title>. <source>Trends Ecol Evol.</source> (<year>2007</year>) <volume>22</volume>:<fpage>185</fpage>&#x02013;<lpage>91</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.tree.2006.12.002</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">17175060</pub-id></citation></ref>
<ref id="B24">
<label>24.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Ostfeld</surname> <given-names>R</given-names></name> <name><surname>Canham</surname> <given-names>C</given-names></name></person-group>. <article-title>Density-dependent processes in meadow voles: an experimental approach</article-title>. <source>Ecology</source>. (<year>1995</year>) <volume>76</volume>:<fpage>521</fpage>&#x02013;<lpage>32</lpage>.</citation></ref>
<ref id="B25">
<label>25.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Arancibia-Ibarra</surname> <given-names>C</given-names></name> <name><surname>Gonz&#x000E1;lez-Olivares</surname> <given-names>E</given-names></name></person-group>. <article-title>A modified Leslie&#x02013;Gower predator&#x02013;prey model with hyperbolic functional response and Allee effect on prey</article-title>. In: <source>BIOMAT 2010 International Symposium on Mathematical and Computational Biology</source>. <publisher-name>Rio de Janeiro</publisher-name> (<year>2011</year>). p. <fpage>146</fpage>&#x02013;<lpage>62</lpage>.</citation></ref>
<ref id="B26">
<label>26.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Gonz&#x000E1;lez-Olivares</surname> <given-names>E</given-names></name> <name><surname>Gallego-Berr&#x000ED;o</surname> <given-names>L</given-names></name> <name><surname>Gonz&#x000E1;lez-Ya&#x000F1;ez</surname> <given-names>B</given-names></name> <name><surname>Rojas-Palma</surname> <given-names>A</given-names></name></person-group>. <article-title>Consequences of weak Allee effect on prey in the May&#x02013;Holling&#x02013;Tanner predator&#x02013;prey model</article-title>. <source>Math Methods Appl Sci.</source> (<year>2015</year>) <volume>38</volume>:<fpage>5183</fpage>&#x02013;<lpage>6</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/mma.3441</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">25855820</pub-id></citation></ref>
<ref id="B27">
<label>27.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Gonz&#x000E1;lez-Olivares</surname> <given-names>E</given-names></name> <name><surname>Mena-Lorca</surname> <given-names>J</given-names></name> <name><surname>Rojas-Palma</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>Flores</surname> <given-names>J</given-names></name></person-group>. <article-title>Dynamical complexities in the Leslie&#x02013;Gower predator&#x02013;prey model as consequences of the Allee effect on prey</article-title>. <source>Appl Math Modell.</source> (<year>2011</year>) <volume>35</volume>:<fpage>366</fpage>&#x02013;<lpage>81</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.apm.2010.07.001</pub-id></citation></ref>
<ref id="B28">
<label>28.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Tintinago-Ru&#x000ED;z</surname> <given-names>P</given-names></name> <name><surname>Restrepo-Alape</surname> <given-names>L</given-names></name> <name><surname>Gonz&#x000E1;lez-Olivares</surname> <given-names>E</given-names></name></person-group>. <article-title>Consequences of weak Allee effect in a Leslie&#x02013;Gower-type predator&#x02013;prey model with a generalized holling type III functional response</article-title>. In: <source>Analysis, Modelling, Optimization, and Numerical Techniques</source>. <publisher-loc>Denmark</publisher-loc>: <publisher-name>Springer</publisher-name> (<year>2015</year>). p. <fpage>89</fpage>&#x02013;<lpage>103</lpage>.</citation></ref>
<ref id="B29">
<label>29.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Arancibia-Ibarra</surname> <given-names>C</given-names></name> <name><surname>Flores</surname> <given-names>J</given-names></name> <name><surname>Pettet</surname> <given-names>G</given-names></name> <name><surname>van Heijster</surname> <given-names>P</given-names></name></person-group>. <article-title>A Holling&#x02013;Tanner predator&#x02013;prey model with strong Allee effect</article-title>. <source>Int J Bifurc Chaos</source> (<year>2019</year>) <volume>29</volume>:<fpage>1</fpage>&#x02013;<lpage>16</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1142/S0218127419300325</pub-id></citation></ref>
<ref id="B30">
<label>30.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Dumortier</surname> <given-names>F</given-names></name> <name><surname>Llibre</surname> <given-names>J</given-names></name> <name><surname>Art&#x000E9;s</surname> <given-names>J</given-names></name></person-group>. <source>Qualitative Theory of Planar Differential Systems</source>. <publisher-loc>Berlin; Heidelberg</publisher-loc>: <publisher-name>Springer-Verlag</publisher-name> (<year>2006</year>).</citation></ref>
<ref id="B31">
<label>31.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Andronov</surname> <given-names>A</given-names></name></person-group>. <source>Qualitative Theory of Second-Order Dynamic Systems</source>. <publisher-name>Halsted Press</publisher-name> (<year>1973</year>).</citation></ref>
<ref id="B32">
<label>32.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Chicone</surname> <given-names>C</given-names></name></person-group>. <source>Ordinary Differential Equations with Applications</source>. <publisher-loc>Berlin</publisher-loc>: <publisher-name>Springer Science &#x00026; Business Media</publisher-name> (<year>2006</year>).</citation></ref>
<ref id="B33">
<label>33.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Curtiss</surname> <given-names>D</given-names></name></person-group>. <article-title>Recent extensions of Descartes&#x00027; rule of signs</article-title>. <source>Ann Math.</source> (<year>1918</year>) <volume>19</volume>:<fpage>251</fpage>&#x02013;<lpage>78</lpage>.</citation></ref>
<ref id="B34">
<label>34.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Labouriau</surname> <given-names>I</given-names></name> <name><surname>Rodrigues</surname> <given-names>A</given-names></name></person-group>. <article-title>Bifurcations from an attracting heteroclinic cycle under periodic forcing</article-title>. <source>J Diff Equat.</source> (<year>2020</year>) <volume>269</volume>:<fpage>4137</fpage>&#x02013;<lpage>74</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jde.2020.03.024</pub-id></citation></ref>
<ref id="B35">
<label>35.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Perko</surname> <given-names>L</given-names></name></person-group>. <source>Differential Equations and Dynamical Systems</source>. <publisher-loc>New York, NY</publisher-loc>: <publisher-name>Springer</publisher-name> (<year>2001</year>).</citation></ref>
<ref id="B36">
<label>36.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Xiao</surname> <given-names>D</given-names></name> <name><surname>Ruan</surname> <given-names>S</given-names></name></person-group>. <article-title>Bogdanov&#x02013;Takens bifurcations in predator&#x02013;prey systems with constant rate harvesting</article-title>. <source>Fields Inst Commun.</source> (<year>1999</year>) <volume>21</volume>:<fpage>493</fpage>&#x02013;<lpage>506</lpage>.</citation></ref>
<ref id="B37">
<label>37.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Huang</surname> <given-names>J</given-names></name> <name><surname>Gong</surname> <given-names>Y</given-names></name> <name><surname>Ruan</surname> <given-names>S</given-names></name></person-group>. <article-title>Bifurcation analysis in a predator-prey model with constant-yield predator harvesting</article-title>. <source>Discrete Contin Dyn Syst Ser B.</source> (<year>2013</year>) <volume>18</volume>:<fpage>2101</fpage>&#x02013;<lpage>21</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3934/dcdsb.2013.18.2101</pub-id></citation></ref>
<ref id="B38">
<label>38.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Zhu</surname> <given-names>C</given-names></name> <name><surname>Lan</surname> <given-names>K</given-names></name></person-group>. <article-title>Phase portraits, Hopf bifurcations and limit cycles of Leslie-Gower predator-prey systems with harvesting rates</article-title>. <source>Discrete Contin Dyn Syst B.</source> (<year>2010</year>) <volume>14</volume>:<fpage>289</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3934/dcdsb.2010.14.289</pub-id></citation></ref>
<ref id="B39">
<label>39.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Dhooge</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>Govaerts</surname> <given-names>W</given-names></name> <name><surname>Kuznetsov</surname> <given-names>Y</given-names></name></person-group>. <article-title>Matcont: a matlab package for numerical bifurcation analysis of odes</article-title>. <source>ACM Trans Math Softw.</source> (<year>2003</year>) <volume>29</volume>:<fpage>141</fpage>&#x02013;<lpage>164</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1145/779359.779362</pub-id></citation></ref>
<ref id="B40">
<label>40.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>S&#x000E1;ez</surname> <given-names>E</given-names></name> <name><surname>Gonz&#x000E1;lez-Olivares</surname> <given-names>E</given-names></name></person-group>. <article-title>Dynamics on a predator&#x02013;prey model</article-title>. <source>SIAM J Appl Math.</source> (<year>1999</year>) <volume>59</volume>:<fpage>1867</fpage>&#x02013;<lpage>78</lpage>.</citation></ref>
</ref-list>
<fn-group>
<fn id="fn0001"><p><sup>1</sup>We will refer to equilibria with two positive entries as positive equilibria.</p></fn>
<fn id="fn0002"><p><sup>2</sup>Note that (2) is singular along <italic>N</italic> &#x0003D; 0, and the equilibria (0, 0) is thus also a singular point in (2) with <italic>m</italic> &#x0003C; 0.</p></fn>
<fn id="fn0003"><p><sup>3</sup>The same expressions for <italic>Q</italic><sup>&#x000B1;</sup> are obtained when we compute two other roots coincide.</p></fn>
<fn id="fn0004"><p><sup>4</sup><italic>A priori</italic>, the role of <italic>P</italic><sub>1</sub> and <italic>P</italic><sub>3</sub> could be interchanged.</p></fn>
</fn-group>
</back>
</article>