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分数阶脉冲微分方程边值问题解的存在性

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第36卷第2期 吉首大学学报(自然科学版) Vo1.36 No.2 2015年3月 Journal of Jishou University(Natural Science Edition) Mar.2015 文章编号:1007—2985(2015)02—001t一05 分数阶脉冲微分方程边值问题解的存在性 黄 羿,陈国平 (吉首大学数学与统计学院,湖南吉首416000) 摘要:运用临界点理论中的山路引理,研究一类具有狄利克雷边值问题的分数阶脉冲微分方程解的存在性,证明了解 的存在性结果. 关键词:脉冲;分数阶;微分方程;狄利克雷边值条件;临界点理论 中图分类号:O175.8 文献标志码:A DOI:10.3969/j.issn.1007—2985.2015.02.003 作为整数阶微分方程的推广,分数阶微分方程用来描述复杂物理和动力学问题时,可以更加准确地描述非线性非保守 的动力学行为.同时,分数阶微积分的全局相关性可以更优美地刻画现实世界中的现象和规律[1 ].因而,近几十年来,分数 阶微积分被广泛地应用于生物、物理、电子、工程及控制论等领域 ].目前,关于分数阶微分方程的研究包括解的存在性和 唯一性、解的稳定性、边值问题等解的动力学性质 “ ,主要研究方法包括不动点定理、拓扑度理论(延拓定理和重合度理 论)、比较方法(上下解方法和单调迭代方法)和临界点理论 “ ].脉冲微分方程能够充分考虑到瞬时突变现象对状态的 影响,更深刻、精确地反映事物的变化规律,具有很强的现实意义 ,在医学、生物、控制论及航天运动模型中广泛存 在[24-27]. 2012年,文献[16]首先使用临界点理论研究分数阶微分方程解的存在性,事实证明这种方法对于解决带左右分数阶导 数算子的物理模型非常有效.据了解,运用临界点理论解决分数阶脉冲微分方程边值问题解的存在性的文献鲜少出现.笔者 尝试使用临界点理论中的一般山路引理,研究下列分数阶脉冲微分方程方程边值问题解的存在性: }I D (“(f))+ “(f)一f(t,“(£)) ≠£ , ∈[o,T], JAD “(~tj)一I㈩ j(“(£J)) =1,2,…,P, … ’ lD。( ( ))一--5- (oD7 (6D;“( ))一 DF (;D}“(£))). 其中: 为参数;T>0; :[O,丁]×R—R是连续函数;0一t。<£1<…<t,<t什1一T;J』:R—R是连续函数;AD。“(f ) 一D “(t7)一D M(tf),D M( )和D。“(t7)分别表示 在t 处的左右极限,d∈(1/2,1). 1 预备知识 定义1 设函数f∈AC”([口,6],R ),当 一1≤口<n,n∈N时,函数的口阶Riemann-Liouville左导数为 ,(f,一 dn ,一而 参( ds) ∈[ ]; 函数的 阶Riemanr卜Liouvme右导数为 *收稿日期:2014—10—18 基金项目:湖南省教育厅科学研究项目(14C0940) 作者简介:黄羿(1982一),女,湖南岳阳人,吉首大学数学与统计学院讲师,硕士生,主要从事微分方程与动力系统 研究;陈国平(1964一),男,湖南邵阳人,吉首大学数学与统计学院教授,博士,主要从事微分方程与动力系统研究. 12 吉首大学学报(自然科学版) 第36卷 =c 一 ,(f)_dD7一n 高 参( ( ds)t∈[口’6]. 出), 定义2t 设函数f∈AC ([口,6],R ),当n一1≤口<n, ∈N时,函数的口阶Caputo左导数为 函数的口阶caput。右导数为:D;,(":(一1)一。D:-矗,“)(t)= 性质.1 D。 (,(t)+g(t))一D。pf(t)+D。.£lg(t). ( ). 为了使用方便,引入分数阶导数的几点性质,其中,(t)和g(f)为函数,口和 为常数[2]. 性质2 I( D_.f(t))g(t)dt—I( D g(£)),(£)dl,£∈a,6]. 定义3IS] 设E是一个实Banach空间,F是E上具有连续Frechet微分的泛函,即F∈C (E,R).如果对于V{U )c E,{F(“ )}有界且F (“ )一0(n一。。),蕴含{“ }在E中存在收敛的子序列,那么称泛函F在E上满足Palais Smale条 件(简称为PS条件). 定理1ts (山路引理) 设E是一个实Banach空间, ∈C (E,R )且满足(PS)条件,(i) (O)一0;(ii)存在常数ID >o,,,>0,对于所有的 ∈E,使得 (“)≥y,Il“Il=y}(1U)存在e∈E,l Ie lI≥y,使得妒(P)≤y.因此 存在一个临界 值c≥y,且C=inf IIla】【 (1‘),其中I1一{g∈c([O,1],E):g(o)一o,g(1)一e). 引进Sobolev空间叫:,’(0,丁). :’ (O,T)c C ([O,T],R ),0<口≤1,1≤P<o。.对于V“∈ 一,函数t‘∈ L ([O,T],R ), ̄oDTu∈L ([O,1’],R ),易知硼 是一个白反、可分离的Banach空间[】 . 定义范数 U l 1L :(J- I“(f)I—df)l/P,l 1lI。一(』:l 5D; (t)}’df)“ ,It“II 一 m[。a. x]l”(z)I. 对于V口∈ : ,在等式罢(D (f))+A“(£)一,。, )两边同时乘以 ,并且从。到T积分,得 J.r。I面d(D。“(t))+ “(£)一,(t,“(f))) (£)df—o. 由定义1和定义2可知,当“(O)一0时, D7 (:D:“(t))一“(t),t∈a,6],有 P (2) c。 et ct,出一一 c“ct c 一÷ cs。:“c ・:。} ct 。}“ct ・ 。 ct 肼 跏㈤ 一 cs 联立(2),(3)式,得 1 一 跏㈤.fD P )+ 』 “(t) ( )dt一』 ,(£,“(£)) (£)df—o. 定义4 若“∈叫 且满足方程(4),则称U是方程(1)的弱解. 定义泛函 :W'o’P—R, 一一(4) 托c ).c脚㈤ 一 P Ju。(tj) 件 “2(删 一 Ⅲ㈤ , F( ,zt)==』: (f, )ds, (5) 其中 则泛函 可导.由性质1和性质2知 )一一÷ 跏㈤.cD 肼 脚㈤ 一耋 J。rT 口( t)dt~JrT。f( t 。 (t)dt・ 引理1 如果“∈叫 是泛函 的一个临界点,那么函数U是分数阶脉冲边值问题(1)的一个弱解. 证明 如果”是泛函 的一个临界点,那么对V口∈ :’一有 (“)( )一0成立,即 J_ ,(f,“(£)) (£)出一一÷.r二’(5D “(£)・;D (t) D “(£)・5D: (z))d£一 ∑ ,)+ ( “)d“ 第2期 黄羿,等t分数阶脉冲徽分方程边值问题解的存在性 13 从而函数 是分数阶脉冲边值问题(1)的一个弱解. 2 主要结果及证明 定理2 假设以下条件成立: (H1)F∈c(Eo,T]×R ,llt),存在 ∈I-o,1/2),M>O,使得对Vz∈R ,当I z I≥M,M>O,t∈Eo,T]时,有0 <F(t, )< (,(t, ),.r)成立. (H2)[ f是次线性的,即存在常数口>0,b>0和 ∈Eo,1),使得对V(£, )∈[0,T]X R有I f(t, )l≤a+ b l (H3)[23 脉冲函数次线性增长,即存在常数 』>0,b >0和 』∈[o,1),使得对V ∈R,有I J』( )I≤。』+ b』l I rj( 一1,2,…,户). (H4)[28 { ( 。)}为有界序列,liar (“I)一0.1 ( I)I≤d1,l l(“1)ll≤dl成立,其中dl为常数,dl>0.一 一一 当a∈(1/2,1]时,分数阶脉冲边值问题(1)至少有1个解. 首先引入几个重要的引理: 引疆2t。。 当口∈(1/2,13时,对于V ∈硼:一,有 l c0s( a)l Il“lI:≤一J。( D: (f)・:D ”(t))dt≤T- 丌【1“lJ:・ 引理3t 。 令0<口≤1。1<户<oo,对V“∈ ,有 ≤C II 5D L—C lI。 c一 , I lIl 一≤z『l“lI≤zC ll“Il。 z— ,r. 引理4[。。 假设条件(H1)成立,对Vt∈Eo,T],下列结论成立: , )≤F(t,南)I I 0<l“I≤1, , )≥F(£,南) l I1> 1. 定理3 当 >M m >时, > 0 时, L令(令 ( “, )一I一  fT,0 CoDo;u(t)・ ( ̄D-'ru(t))出十鲁J出十÷IJ ’ 0 (t)dt,有 m Il“lf:≤ L( , )≤M l lM ll: ∈硼5’’. 证明 一方面,L(“, )≤ 1 I1“II ̄-:+睾・4-T ・  III I“ 一m:=M  II I “II 2t,其中M=一2 -.1一一‘ I 2 : ff另一方面,L(“,t‘,“lI)≥ I II:,其中 一J 蜜。 + ‘ T ‘ 然后考虑口∈(1/2,13时,分数阶脉冲边值问题(1)解的存在性. 第1步:验证9(“ )满足(PS)条件. 设{U }是W: 中一序列,当 一o。时, ( )一0.首先证明{“ )有界.由(5),(6)式有 P P m(1—2 )It II:≤2d。+21 II“ II∑(口』+bj z ,II“。tl )+2/ll II I∑(口 +6jz II“。II J)+ J正1 』正1 P 2pd。II 。II≤2d +2lC I lII ∑(口』+bilriC I l l』)+ 』;1 P 2plC I1“ II ∑(口,+6』z ,C I“ I I,)+2,ud C l II。. 』一1 当m>0, ∈Eo,1/2)时,{UI}在 ∈w ’ 是有界序列. 1 然后证明{“t)强收敛于“.由于“。在w 中弱收敛于“,当a>÷时,P 将w 嵌入c([o,T],R )中,因此“。在c([o, T],R )中也弱收敛于 . 任取,∈C([O,T],R ) ,且f(u^)一,(“),f∈c(Eo,T],R )’ (w:’’) ,则f(u。)一,(M)对于一切U^在 c([0,T],R )中收敛于U,对于一切“。在w:’一中也收敛于U,即fl 一“。ll。。一O(k—oo).易得ll“ 一U 一0,l} 一“l li2—0, 吉首大学学报(自然科学版) 第36卷 ( (“★)一 (“))( ^一 )≥I COS(' ̄a)I l ^一“lIl:+ l lu^一u c l由 ∑ I“ (tj)——“(f )I。。——l』j( (t,“ (£))—— r( ,“(£)))df 从而知 (“。)满足(PS)条件. C ,第2步:用临界点理论证明脉冲边值问题(1)的弱解存在. 由引理4知, J.T。F( ,“( ))出≤ F( ,T_爱 .丁)l“( )I 出≤J9 Il“II ≤ II“ 一 C n p 为常数, l“ (“)≥m II l2。一lC II“II ∑(口』十6』∑ l C ll“1I J)一卢c I J=1 P ☆p lC∑6 l jC I: +∑l 2c。n Ii“I I2一lC∑n =1 J 1 』=1 l lo,令lI“ 一ID, (“)≥y=( 一J9c— lC∑b l c II“l >0,l即存在常数l。,y>0,当0<It l l。。≤1时,使得 (“)≥y. 令 ∈R\{0},U∈ ’ \{0),A一{l (£)『≥1,T∈[O,£]},存在常数 >0,由引理4知,成立 ))dz≥』AF( , ;● ) ㈤ ≥ 1 , ( )≤』 II“If 2+lC I“II。∑(口 +bs z ,C I“I )一 II f I I“( )I dt+Ta. ● “ 设Q∈w:一,且I lQ lI一1,当 ∈[O,i/2), >0,0<rJ<1时,存在}Q∈R\{0)有I1 e 1I>P, (P)<0成立. 不妨设e一 ,由山路引理得到 存在临界值c≥7,且c=inf max (“),其中r一{g∈C([O,13,E):g(O)一0,g(1) ger“∈g(LO・1j) 一 m = . ∑ ㈤ 一  p ~ — C 参考文献: ,£ C [1]KILBAS A A,RIVASTAVA M,TRUJILLO J J.Theory and Applications of Fractional Differential Equations[M].Am— ∞ ∑ 卜 一 172]IL GOR PODLUBNY.Fractional Differential EquatC ions[M].New York:Academic Press,1999. 口 sterdam:Elsevier Science Ltd.,2006. [3]周 燕.分数阶Pfaff-Birkhoff变分问题及其对称性[D].苏州:苏州科技学院,2013. [4]王小东.Riemann-Liouvlle分数阶微积分及其性质证明[D].太原:太原理工大学,2008. 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