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        一類廣義B-T方程邊值問題解的存在性

        2021-05-07 09:25:56劉筱玥
        大學數(shù)學 2021年2期
        關(guān)鍵詞:定義

        劉筱玥, 江 滟, 邵 悅

        (揚州大學 數(shù)學科學學院,江蘇 揚州225002)

        1 引 言

        (1)

        的mild解的存在性,其中Dα表示α階Riemann-Liouville分數(shù)階導數(shù),Iγ表示γ階黎曼-劉維爾型的分數(shù)階積分,f∶[0,1]×→定義為特定函數(shù),它符合相應條件.

        階為分數(shù)的微積分是由經(jīng)典整數(shù)階微積分推廣而來,在記憶和遺傳材料,流變學和力學系統(tǒng),高分子材料等物理化學領域都有著廣闊的現(xiàn)實價值.在非整數(shù)階的微積分理論不斷開拓創(chuàng)新的大背景下,階為分數(shù)的微積分已經(jīng)成為數(shù)學界研究的熱點.文獻[1]在Banach空間中討論了非線性分數(shù)階微分方程邊值都為零的情況下解是否存在的問題.

        本文旨在討論特定的非線性的分數(shù)階的微分方程在其邊值不等于零時解是否存在的問題,設微分方程及其邊值為(1)式.綜合運用Schauder不動點定理等,嘗試討論f在一些比較弱的條件下,邊值問題(1)的適度解是否存在,例如條件為:Caratheodory型條件等.由于當函數(shù)的初始值非零時,Riemann-Liouville分數(shù)階導數(shù)的奇異性帶來困擾,因而初始值非零的情形并非對初始值為零的簡單推廣.

        2 預備知識

        定義1[2]設h∈L1([a,b];),α>0,定義算子)→C([a,b];)為

        定義2[2]設h∶[a,b]→,α>0,n=[α]+1,定義

        則上式叫h在t點的α階Riemann-Liouville分數(shù)階導數(shù), 式子中的[α]是指實數(shù)α的整數(shù)部分.

        根據(jù)Riemann-Liouville分數(shù)階積分的定義,能夠推導得到,算子I對指標滿足半群性質(zhì),也就是說,對于α,β>0,t∈[a,b],有

        引理1[2]若Dαu∈L1([0,T];),n-1≤α

        3 mild解的存在性

        為討論邊值問題(1)解的定義,先討論相應的線性方程.設g∈C([0,1];),α∈(1,2),β∈(0,1).考慮分數(shù)階線性微分方程邊值問題

        方程兩邊作用積分算子Iα,得

        IαDαu(t)=aIαDβu(t)-Iαg(t).

        (2)

        由于1<α<2,由引理1知,存在常數(shù)c1,c2,使得

        IαDαu(t)=u(t)+c1tα-1+c2tα-2.

        (3)

        由α階Riemann-Liouville分數(shù)階積分的性質(zhì)得

        IαDβu(t)=Iα-βIβDβu(t).

        (4)

        由于0<β<1,由引理1知,存在常數(shù)c3,使得

        IβDβu(t)=u(t)+c3tβ-1.

        (5)

        將(5)式代入(4)式得

        IαDβu(t)=Iα-βu(t)+c3Iα-βtβ-1.

        (6)

        代入(6)式得

        (7)

        將(3),(7)式代入(2)式,得

        化簡后得

        上式兩邊應用積分算子I2-α,得

        (8)

        (9)

        (10)

        則(9)式可化為

        (11)

        在此基礎上,到了邊值問題(1)對應的mild解,并給出定義3.

        則稱u是邊值問題(1)的一個mild解,其中P,G1,G2由(10)給出.

        記空間C2-α(0,1]={x:(0,1]→|x連續(xù)且存在}.定義范數(shù)為

        于是此作出以下假設

        (T1)f(0,1]×→,符合Caratheodory條件,也就是對于幾乎處處t∈(0,1],f(t,·):→連續(xù);對于u∈,f(·,u):(0,1]→可測.

        (T2) ?h∈Lp((0,1];+),Ω∶(0,+∞)→(0,+∞)非減局部有界,使得?t∈(0,1],x∈X,有

        |f(s,u(s))|≤h(s)Ω(‖u‖),

        定理1若(T1)、(T2)成立且k1<1,則邊值問題(1)有解.

        證定義算子T∶C2-α(0,1]→C2-α(0,1],為

        那么容易看出T的不動點就會成為滿足邊值問題(1)的mild解.下面用Schauder不動點定理來輔助證明t2-αTu(t)在題設范圍內(nèi)存在不動點.

        顯然,通過條件(T1), (T2)以及輔助應用控制收斂定理,可以知道T連續(xù).

        下一步,要證明有界閉凸集U?B,0∈U的存在,可以使之滿足TU?U,事實是可以證明,由(T2),有

        因此可取r>0,使得

        從而有

        Ω(r)k2‖h‖p+k3+rk1≤r.

        (12)

        記U={u∈C2-α(0,1]∶‖u‖≤r},則顯然U是C2-α的有界閉凸集,對?u∈U,t∈(0,1], 由(T2)及(8)式,利用赫爾德不等式,可得

        ≤k3+rk1+Ω(r)‖h‖pk2≤r.

        由上面可以推導出t2-αTU?U.而且也容易得到t2-αTU一致有界.

        下一步需要證明T映C2-α中有界集為等度連續(xù)集.首先需要假設U?C2-α為有界集,則存在r>0,使得?u∈U,有‖u‖≤r,任取t1,t2∈(0,1],設t2>t1,則

        =I1+I2+I3+I4+I5.

        (13)

        由于

        (14)

        由于α∈(1,2),β∈(0,1),利用積分的絕對連續(xù)性,由(9)-(14)式可得當t2-t1→0時

        因此t2-αT映C2-α中有界集為等度連續(xù)集.

        至此,證明了t2-αT是連續(xù)的,映有界集為等度連續(xù)集,從而t2-αT為連續(xù)的緊映射,即滿足Schauder不動點定理,因此t2-αT不動點的存在性得以證明, 亦即T不動點的存在性也得以證明,故邊值問題(1)mild解的存在性已證明完畢.定理得證.

        進一步地,定理1中的增長性條件(T2)完全可以由下面的次線性增長替換.

        (T3) 存在a1,a2∈Lp([0,1]∶+),使得|f(t,u(s))|≤a1(t)+a2(t)‖u‖,?t∈(0,1],x∈X.

        為方便起見,以下記:

        定理2若(T1), (T3)成立,且0

        證此定理的證明與定理1的證明非常類似,首先需要定義一個算子T:B→B

        ≤N3+rN1+N2.

        由r的取法可知,N3+rN1+N2≤r,故得‖Tu‖≤r.因此,TU∈U.從以上證明中易見TU一致有界.下面證Tu等度連續(xù).由前證知Tu有界,任取t1,t2∈[0,1],t1

        其中

        由此易知,t2-αT映C2-α中有界集為等度連續(xù)集.

        到這里,已經(jīng)完成了證明了t2-αT連續(xù)性的證明,以及滿足映有界集為等度連續(xù)集的條件,從而t2-αT為連續(xù)的緊映射,并且使之可以符合應用Schauder不動點定理的條件,從而得知t2-αT在題設區(qū)間內(nèi)不動點的存在性,也就是說T存在不動點,故存在滿足邊值問題(1)的mild解.至此,定理證明完畢.

        4 結(jié) 論

        本文研究了一類廣義的Bagley-Torvik方程的邊值問題解的存在性.討論是邊值非零的情形.由于Riemann-Liouville分數(shù)階導數(shù)當初始值非零時具有弱奇異性,因此討論的問題并非齊次邊值問題的簡單推廣.首先討論相應的線性方程,由此得到此類問題的Green函數(shù),給出mild解的定義.在加權(quán)的連續(xù)函數(shù)空間中,利用Schauder 不動點定理,證明了邊值問題(1)的mild解存在的充分條件.

        致謝作者非常感謝相關(guān)文獻對本文的啟發(fā)以及審稿專家提出的寶貴意見.

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