第1 9卷第4期 甘肃科学学报 V0I.19 NO.4 2007年1 2月 Journal of GaRSH Sciences Dec.2007 二阶奇异非线性常微分方程 正CO一周期解的存在性 杨 和 (西北师范大学数学与信息科学学院,甘肃兰州 730070) 摘 要: 用Krasnoselskii不动点定理研究了变系数二阶奇异非线性常微分方程 (£)+口(£)“(£): f(t,“(£)),在更一般的条件下获得了该微分方程的正60一周期解的存在性和多重性结果. 关键词: 正周期解;Krasnoselskii不动点定理;存在性;多重性 中图分类号: o l75.8 文献标识码: A 文章编号:1004—0366(2007)04—0004—04 Positive Solutions of Periodic Boundary Value Problems for Second-Order Singular Nonlinear Differential Equations YANG He (College of Mathematics and Information Science,Northwest Normal University,Lanzhou 730070。China) Abstract:The existence of positive periodic solution for a second order singular nonlinear ordinary differ— ential equation (£)+a(£)U(£)一f(t,U(£))is discussed.By using Krasnoselskii fixed point theorem of cone map,some existence and multiplicity result of periodic solutions are obtained. Key words:positive periodic solutions;Krasnoselskii fixed point theorem;existence;multiplicity 近年来,由于其广泛的应用背景,二阶奇异周期 f边值问题正解的存在性问题受到人们的广泛关注, 【“U(0)一U(∞),U (0)一U (∞) (f)+口 厂 : £ )),£∈[0,0,3 (2) 其中文献[1,2]研究了常系数二阶奇异周期边值问 正解的存在性和多重性.其中a(t),f(t,U)满足 题,在允许f(t,“)在U一0处奇异的条件下获得了 条件: 正解的存在性和多重性结果.文献[3,4]用Kras— (H )a(£):Eo,∞]一(0,+o。)连续; noselskii不动点定理研究了变系数二阶周期边值问题: (H )f(t,“):[-0, ×(0,+o。)一[0,+o。)连续. f“ (£)+口(£)“(£)一f(t,“(£)),tff E0,1] … 注:若liarf(t,“(£))=+o。,对t∈J一致成 {“(0)一“(1),“,(0)一“,(】) 立,则称f(t,“)在“一0处奇异,为了叙述方便,我们 正解的存在性和多重性.其中厂(t,U)在U一0处奇 引入如下记号: 异且在“一十。c附近满足超线性条件,即 J一[-0,∞],M—maxa(£), ,∈J lim 一十。。. “一+∞ “ l,v/一nlaXa(f), 一 ̄/M, ,∈J 我们试图在.厂(f,“)满足更一般的条件,即允许 一lim p m , f(t,“)在U=0处奇异,但不要求_厂满足超线性条件 ’+∞ f∈J 的前提下,用Krasnoselskii不动点定理研究如下周 一lim inf min , 期边值问题: 收稿日期:2006—12—18 基金项目:}l肃省fi然科 :越金项¨(3ZS012-B25 01 6) 维普资讯 http://www.cqvip.com 第19卷 杨 和;二阶奇异非线性常微分方程正 一周期解的存在性 b 一lim inf min u一+∞t∈』 . 是一个待定的正数. 显然f (t,“(£))连续,易见“是PBVP(2)的 解的充要条件为“是A的不动点. 取0<r<R<+。。,记 1 预备知识 为了研究问题(2),先考虑问题(2)对应的线性 周期边值问题: 2。一{“∈C(J)…“l1l<r}, n 一{“∈C(1)I ll“ll<R}, 则 {l 十(O) 一 (叫), (O)一 (㈦ 叫) ㈣ 关于问题(3),则有如下解的存在唯一性定理及估计 式: 引理1嘲 设口(£)满足(Ht),o<M<( ),则 对Vh∈C(J),线性周期边值问题(3)存在唯一解 “一P^,且P:C(J)一C(J)为线性全连续算子,且当 h≥O时,P^满足估计式: ≤P^≤ l lll, (4) 其中丁:C(J)一C(Y)为积分算子: ( )(£)一r G(£,s)^(s)d , (5) J 0 其中G(t,s)是线性周期边值问题 (£)+Mu(t)一0,“(O)一“(叫),“ (O)一“ (叫) 的Green函数,G(t, )的表达式为 G l r(叫+一 ),O≤£≤ ≤叫 t ≤叫 其中r(£)∈C ( )由下式确定: r(£)一——— — )一 ,t∈J ,∈ 2卢sin 容易验证: 8叫 COS 1 ’ (6) on. 叫。m jJ . 0 G( 一i 1』 Vd. (7) 在C(1)中,定义范数为II“ll—maxl“(£)l,设 C ( )为C(1)中的非负函数锥,取C (J)的子锥 K一{“∈C+( )l“}(£)≥ ll“ll,t∈J}, 其中 一 c。s ,定义算子 A:C (J)--,.-C ( ) 如下: Au—p( 厂 (f,“)), (8) 这里 厂 (£,“( ))一』厂 州 ‘ ’≥ l,( , ),“( )(『 0∈12l,21l C122. 引理2 A(K(-I(12z\nt))c K,且 A:(K(-I(nz\nt)一K 为全连续算子. 证明 对V“∈(K(-I 12 \n1),由式(4)及式 (8),有 llA ≤ ))ds, 2邶sin 从而有 (Au)(£)一P(f (£,“(∞一. )))≥一 一 T(f (£,“(£)))≥ 2 rl f (s, (s))ds≥ J 0 c。s 。。2 lk2e_l l所以Au∈K,即A(K n(n \n1))cK,又由A连 续,易证A:K n(n \n )一K为全连续算子. 我们对A应用如下锥映射的Krasnoselskii不 动点定理讨论问题(2)的解的存在性. 定理B【 ] 设X为Banach空间,K为X中的 闭凸锥,n ,n 为X中的开区域,0∈n ,n cn , A:Kn(12 \12 )一K为全连续映射,若下列条件之 一成立: (i) l lA“ll≤ll“ll,V“∈K n an , l lA“ll≥ll“ll,V“∈K n an。; (ii) l lA“ll≥ll“ll,V“∈K(-I n , l lA“ll≤ ll“ll,V“∈K(-I an , 则A在K(-I(g2 \n )中必有不动点. 2主要结果及证明 定理1 设(H ),(H2)成立,0<”l,M< (暑)。 >一 , <Ⅲ删PBVP(2) , C0S —=一 维普资讯 http://www.cqvip.com 6 甘肃科学学报 2007年第1期 少有一个正解. 因为 一 证明 因为fo>— co 13 — ,由fo的定义知; 一 U。∈K,故V t∈J,U。(f)≥ 『 IU。『I≥ >0, 因此U。为问题(2)的正解. 存在r。>0,当0<z≤r。时,有 ≥ m∞ 我们还可以用Krasnoselskii不动点定理证明 多个正解的存在性: 定理2设(H ),(H。)成立,若 z, 取r∈(O,r1),.;【一r,贝U当U∈an [-I K时,对 V 5∈J,因为“(5)≤『 IU『I=r<r。,故 f(s ̄U㈦)≥ )≥ ∞ M2 ——酬“『I=M II“『f’ ∞ 又因为 “(5)≥ 『 IU『I一 =毅, 所以 厂 ( ,“( ))一f(s,“( )), 由引理l有 (Au)(f)一P(f (£,“(f)))一 P(f(t,“(£)))≥T(f(t,“(f)))≥ . M『I“『I l G(t, )ds一『 Izt『I, 所以 『I Au『I≥『 IU『f. (9) 又因为 <m,由 的定义知,存在R0>0, 当z≥R。时,有厂(r,z)≤眦,取R>啪x(! ,r。) 则R>r。>r一.;【,当U∈ z n K时,对V 5∈J ,有“( )≥ If U『I一 >R。,故 f(s,“(5))≤mu(5)≤m『I u『f. 又因为“( )≥ >毅,所以厂(s,“( ))一 f(s,“(s)),由引理1知 (Au)(f)一P(f。(f,“(f)))一 P(f(t,“(f)))≤ 『I T(厂(f,“( )))『I≤ 『 If G( )d 一 『f’ 所以 『I Au『I≤『I“『f. (1o) 由式(9)及式(1O)知,A在K n(n。\n・)上满 足定理B的条件(ii),由定理B知A在K n (g2 \t2 )中存在不动点“。…II必为问题(2)的解,又 M<(、詈)C , ‘, fo> , —”“ , m coS L’:一 且存在P>0使 max{f(t,z)f t∈J,劬≤z≤P)<mp, (11) 其中 = c。s譬,则PBMP(2)至少有2个正解. 证明 由定理1的证明知,当 fo> —COS 时,有式(9)成立,又因为 ’ coS =一 由 的定义知,存在R。>0,当z≥R。时,有 ∽ m cos ‘。 取R>max(鲁,r),.;【一r,则R>I,记 1"22一{U∈C(J)l『I U『I<R), 则当U∈ 。n K时,对V ∈J,有 “(s)≥ 『I U『I一 >R。, 故 f(s,u )≥ )≥ COS 酬 一M II , ,n COs 又因为 “(s)≥ >毅, 所以 、( ,“( ))一.厂(S,U( )), 维普资讯 http://www.cqvip.com 第19卷 杨 和:二阶奇异非线性常微分方程正 一周期解的存在性 与式(9)证明类似可以证明 其中n(£),f(t, )满足条件(H。)与(Hz),在讨论问 l lA“ll≥ll U l1. (12) 题(2)时,要求M—maxn(£)满足0<M<f 1。, 取 一(U∈C(.厂)I l lU ll<P),则当0< tE J 、C , 对问题(14)则不需要此条件,此时G(t,s)对应的 r<P<R时,有0∈01,01 n 0。,0。c 02其中0 r(£)为 如定理1的证明中所定义,下证 II A“ll<I lU II. (13) :当U∈ 。n K,对V s∈J,有 r(£)=——:: :——_、—_ ,∈ t∈J 2 sin^ 劬一 U ll≤U ll≤P, 故由式(11),有 r(£)恒正,据此可知问题(14)对应的引理1成立,故 f(s, (s))<mp—m I IM II,s∈J 对问题(14)可建立与问题(2)类似的正周期解的存 又因为 在性与多重性结果. “(s)≥劬> 一毅, 参考文献 所以 Zhongxin Zhang,Junyu Wang.On Existence and Multiplicity 厂’(s,“(s))一f(s,“(s)), ]l=J of Positive Soluti] ons tO Peri] odic Boundary Val] ue Problems for ] ] 因此接引理1,有 Singular Nonlinear Second Order Differential Equations[J]. (Au)(£)一P(f。(£,“(£)))=P(f,“(£))≤ Math.Ana1.App1.2003,281 t 25—27. II T(f(t,“(£)))II< Daqing Jiang,Jifeng Chu,Donal 0 Regan,Ravi・P.Agarwa1. Multiple Positeve Solutions tO Superlinear Periodic Boundary Value Problems with Repulsive Singular Forces[J].Math.A— TfI IlrG(3 0 )d一 I1, ha1.App1.2003,286:563—576. 故 Lin Xiaoning,Li Xiaoyue,Jiang Daqing.Positive Solutions tO II A“ll<l lU ll, Superlinear Semipositone Peridoic Bondary Value Problems with Repulsive Weak Singular Forces[J].Computers and 即式(13)成立,于是A在K n( \0-)上满足定理 Mathematics with Applications.2006,51 l 507—514. B的条件(ii),在K n(0:\ )上满足定理B的条 Daqing Jiang,Jifeng Chu,Meirong Zhang.Multiplicity of Posi— tive oSlutions tO Superlinear Repulsive Singular Equations[J]. 件(i),故由定理B知,A在K n( \0。)与K n Differential Equations.2005,21 I l 282-302. (0:\ )中分别存在不动点U。和U ,由式(13)知, 李永祥.二阶非线性常微分方程的正周期解[J].数学学报, Ul,U2 a 0 3,因此I 1Ul I1< <I 1U2 I1,故“1,U2为 2002,45(3):482—488. A的2个不同的不动点,此2个不动点为问题(2)的 郭大钧.非线性泛函分析[J].济南;山东科学技术出版社, 1985. 2个正解. 罔作茂,刘旭.非线性微分方程边值问题解的存在性[J].甘肃 注对问题(1)的处理方法也适合于如下形式的边 科学学报,2005,17(2):14-16. 值问题: 徐嘉.一类非线性二阶常微分方程m+1点边值问题的可解性 f一“ (£)+(£(£)“(£)一f(t,“(£)),t∈[O, ] [J].甘肃科学学报,2006,18(1):II-13. I“(O)=“(c ),“ (O)=“ (c ) (14) 作者简介: 杨和,(1982一)男.甘肃省武威人。西北师范大学数学与信息科学学院2005级在读硕士研究生,主要研究方向为非线性 泛函分析. ]
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