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        一類Caputo-Hadamard型分?jǐn)?shù)階微分方程耦合系統(tǒng)邊值問題

        2023-02-19 12:12:28潘欣媛何小飛陳國平李治林
        應(yīng)用數(shù)學(xué) 2023年4期
        關(guān)鍵詞:吉首邊值問題不動點

        潘欣媛 ,何小飛 ,陳國平 ,李治林

        (1.吉首大學(xué)數(shù)學(xué)與統(tǒng)計學(xué)院,湖南 吉首 416000;2.吉首大學(xué)張家界學(xué)院,湖南 張家界 427000)

        1.引言

        近年來,分?jǐn)?shù)階微分方程得到了許多學(xué)者研究,并被廣泛應(yīng)用于科學(xué)和工程領(lǐng)域.[1-3]關(guān)于分?jǐn)?shù)階邊值問題已有豐富的文獻(xiàn),例如: 具有Riemman-Liouville型導(dǎo)數(shù)的分?jǐn)?shù)階邊值問題,具有Caputo型導(dǎo)數(shù)的分?jǐn)?shù)階邊值問題,具有Hadamard型導(dǎo)數(shù)的分?jǐn)?shù)階邊值問題.[4-9]但是關(guān)于具有Caputo-Hadamard型導(dǎo)數(shù)的分?jǐn)?shù)階邊值問題的研究還相對較少.另一方面,當(dāng)微分系統(tǒng)具有兩個或多個變量且這些變量相互作用時,運用耦合微分方程組描述更加精確和簡潔.耦合系統(tǒng)邊值問題作為分?jǐn)?shù)階微分方程的一個重要的研究方向,也受到了廣泛關(guān)注.[10-13]因此,對具有Caputo-Hadamard型導(dǎo)數(shù)的分?jǐn)?shù)階微分方程耦合系統(tǒng)邊值問題做出進(jìn)一步補充和更深入的探究具有重要的理論意義和實用價值.

        本文研究如下具有Caputo-Hadamard型導(dǎo)數(shù)的序列分?jǐn)?shù)階微分方程耦合系統(tǒng)邊值問題

        2.預(yù)備知識

        定義2.1[1]函數(shù)f:(1,∞)R的α>0階Hadamard型分?jǐn)?shù)階積分定義如下

        引理2.2[1](Banach不動點定理) 設(shè)D為Banach空間E中的一個非空閉子集,映射T:為壓縮映射,即

        其中k為常數(shù),則存在唯一點x?D,使得Tx?x?,即T在D內(nèi)存在唯一不動點.

        引理2.3[3](Leray-Schauder二擇一定理) 設(shè)X是一個Banach空間,T:為全連續(xù)算子,定義集合ε(T):xλT(x),[0,1]},則集合ε(T)無界或者T在X上至少有一個不動點.

        引理2.4給定φ(t),ψ(t)([1,e],R),則邊值問題

        通過應(yīng)用邊值條件x′(1)0,x(e)C,可得

        3.主要結(jié)果

        為了得到主要結(jié)果,我們給出以下假設(shè):

        (H1) 存在正常數(shù)li,使得對任意的xi,yi,i1,2,[1,e]有

        (H2) 存在正常數(shù)mi,ni,i0,1,2,使得對任意的[1,e]有

        (H3) 存在正常數(shù)τ1≥0,τ2≥0,θ1>0,θ2>0,使得對任意的[1,e]有

        我們首先證明T(Br)?Br.對任意的(x,y)有

        所以T(Br)?Br.

        下證算子T是壓縮映射.令(x1,y1),(x2,y2)×X,則對任意的[1,e]有

        證首先證明算子T是全連續(xù)算子.設(shè)X×X中的序列{(xn,yn)}滿足(xn,yn)(x,y),則對任意的[1,e]有

        由f的連續(xù)性可知,當(dāng)(xn,yn)(x,y)時,有|f(s,xn(s),yn(s))?f(s,x(s),y(s))|0.那么,當(dāng)(xn,yn)(x,y)時,有|H(xn,yn)(t)?H(x,y)(t)|0.同理可得,當(dāng)(xn,yn)(x,y)時,有|G(xn,yn)(t)?G(x,y)(t)|0.由此可知,當(dāng)(xn,yn)(x,y)時,有|T(xn,yn)(t)?T(x,y)(t)|0,則算子T連續(xù).

        設(shè)? ?X×X且?有界,則存在正常數(shù)Q1,Q2,對任意的(x,y),有|f(t,x(t),y(t))|≤Q1,|g(t,x(t),y(t))|≤Q2.令(x,y),則存在r0使得∥(x,y)∥≤r0.那么對任意的(x,y),有

        所以,算子T一致有界.

        當(dāng)t21時,有|H(x,y)(t1)?H(x,y)(t2)|0.同理可得,當(dāng)t21時,有|G(x,y)(t1)?G(x,y)(t2)|0.那么,當(dāng)t21時,有|T(x,y)(t1)?T(x,y)(t2)|0.即算子T等度連續(xù).由Arzela-Ascoli定理可知,算子T是全連續(xù)的.

        下證算子T至少有一個不動點.定義有界集合Φ{(x,y)×X: (x,y)λT(x,y)}.設(shè)(x,y),則有(x,y)λT(x,y),0<λ<1,那么對任意的[1,e]有

        由此,可以得到集合Φ是有界的.由引理2.3可知,算子T至少有一個不動點.即邊值問題(1.1)在[1,e]上至少有一個解.

        證給出以下定義

        要使邊值問題(1.1)有解,只要證明算子T存在不動點即可.對于算子T:×X只要證明對于任意的(x,y),[0,1]有(x,y)λT(x,y).

        由定理3.2可知算子T全連續(xù),那么Fλ(x,y)也是全連續(xù)的.

        下證(x,y)λT(x,y)成立.設(shè)存在[0,1]使得對任意的[1,e]滿足(x,y)λT(x,y),則有

        因為(x,y)λT(x,y),又由Leray-Schauder度的同倫不變形可得

        其中I是到自身的映射.由Leray-Schauder度的性質(zhì)可知,F1(x,y)?T(x,y)0在BR中至少存在一個解.

        4.舉例

        例4.1考慮邊值問題

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