非线性分数阶P-Laplacian方程边值问题正解的存在性
2024-07-29
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2014年10月 湘南学院学报 Journal of Xiangnan University Oct.,2014 Vol_35 No.5 第35卷第5期 非线性分数 阶P—Laplacian方 程边值问题 正解的存在性 蒋园园,彭明华,邓显倡,王 珍 指导教师:王金华,向红军 (湘南学院数学与金融学院,湖南郴州摘423000) 要:运用锥上的Krasnoselskii不动点定理和Leggett—Williams定理,考虑了一类非线性分数阶p-Laplacian方程正 解的存在性。获得了该边值问题存在正解的充分条件,并举例说明了所得结果的有效性. 关键词:P—Laplaeian方程;边值问题;正解;Krasnoselskii不动点定理;锥 中图分类号:O175.13 文献标识码:A DOI:10.3969/j.issn.1672-8173.2014.05.030 1 引言 分数阶微积分是整数阶微积分的延伸与拓展,是一个研究任意阶次(实数阶次或复数阶次)的微分、积分 算子特性及其应用的数学问题的理论,其发展几乎是与整数阶微积分同步,具有广泛的理论意义与实际研究 价值.分数阶微分方程受到人们的广泛关注和研究,这与分数阶微分方程自身理论的深入发展和其在各个领 域中的应用是密不可分的.正因为如此。线性、非线性分数阶微分方程边值问题的研究引起了国内外许多学者 的广泛关注并逐渐成为了一个热点问题,见参考文献[1—5].如:文献[3]的作者研究了边值问题: Do+11,( )=.厂( , (t)),0<t<1,11,(0)+u(0)=0, (1)+11,(1)=0, 其中,1<Ol 是一个实数,D;+是Caputo分数导数,.厂:【0,1]×【0,+∞)一[O,+∞)是连续函数,获得了该 边值问题存在多重正解的充分条件. 文献[4]的作者研究了非线性分数微分方程边值问题: Do+u(t)+/-(t,u(t))=0,0<t<1,u(o)=M(1)=0, 其中,是1<Ol 一个实数,D +是Riemann—Liouville分数导数, :[0。1】×[O,+∞)一【0,+∞)是连续函 数.应用Krasnoselskii不动点定理得到了该问题存在正解的多个结果. 随着分数阶微分方程边值问题理论的发展,分数阶P—Laplacian边值问题的研究也逐渐成为热点,但由 于带P—Laplacian算子的方程研究难度较大,据了解分数阶P—Laplacian方程边值问题的结果相对较少.因 此,本文考察如下非线性分数阶P—Laplacian方程边值问题: fD:+( (Do+ (t)))= t, (£)),0<t<1, lu(0)+IZ (0)=0, (1)+ (1)=0,Do+u(f)I :o=0, 1 1 、 。 其中,0<r<1,1<Ot 是实数,D +表示Caputo分数导数, :[0,1】×[0,+∞)一[0,+∞)是连续函数, (s)= p-2s,P>1, 。)一 = q,.1+ 1=1.运用锥上的Kr=.asnoselskii不动点定理和Leggett—Williams定 P理,获得了该边值问题存在多重正解的充分条件,并举例说明了所得结果的有效性. 收稿日期:2013—12—18;修回日期:2014—04—05 基金项目:湖南省大学生研究性学习和创新性实验计划项目(湘教通[2014]248号;湘南学院大学生研究性学习和创新性 实验计划项目(湘南学院院发[2012]192号) 作者简介:蒋园园(1992一),女,广西全州人.通信作者:向红军(1967一),男,湖南洞口人,教授,硕士:研究方向:微分方程. ・1 19・ 湘南学院学报(自然科学版) 2014年10月(第35卷)第5期 本文后面的内容安排如下:在第2部分中,将介绍本文需要应用的定义和引理.在第3部分中,将讨论边 值问题(1.1)多重正解的存在性.在第4部分中,运用实例证明我们的理论是有效的. 2基本定义和准备工作 首先,我们介绍一些有关分数阶微积分的基本的定义和引理. 定义2.1 一个函数y:[0.oo)_÷ 的仅( >0)阶Caputo导数定义为: D +y( ) i南J。(£一s) 一 一 ),‘ ’(s)ds, 其中,n=[ ]+1,[ ]表示实数 的最大整数部分. 定义2.2|9 当 >0时,函数y的 阶分数积分定义为: +y(t) 高JO(£一s) ,,(s)ds,f>0・ 定义2.3_9]一个函数,,(t)的 阶Riemann—Liouville导数定义为: 跟y㈤=而1_( (…) 。 , >0, 其中凡=[ ]+1,[ ]表示的 整数部分. 定义2.4 ]若函数 :K一【0.+∞)是连续的且对所有的 ,Y∈K,0鱼 1,有: (tx+(1一t)Y) t ( )+(1一t) (y), 则称函数 是 上的非负连续凹函数. 引理2.5[3]设 >0,则分数微分方程Do~+M(t)=0有解: M(t)=C0+clt+c2t +… +c 一1t _。,C ∈R,i=0,1,…,n一1,n=【 ]+1. 由此引理2.5,有下面的引理2.6: 弓l理2.6 m 设 >0,贝0有 +D +u(t)= (t)+C0+clt+c2t +...+CnIt 一 ,其中c ∈R,i=0,1,…, n, =[ 】+1. 以下不动点定理在本文中起着重要的作用. 引理2.7 设 是一个Banach空间,P c X是在 上的一个锥.假设n。,n 是开集,有0∈ 。c Q。c Q:,如果S:P—P是全连续算子,有: (1)l lS ll≤l lW Il, ∈P n anl,且lI|s Il 则S在P n n \Q,中至少有一个不动点. 引理2.8 设K是一个锥且Kc={Y∈K I l1),l },l : — 是全连续的,a是 在上的一个非负连 『 lW ll, ∈P n dQ2,或 (2)l1.s lI;兰I Ill,W∈P n aQl,且lI 5 ll ll埘ll,W∈P n aQ , 续凹函数满足 (),) l lY ll,Y∈Kc.若存在0<0<6<d 使得: (1){ ∈K( ,b,d)I ( )>b}≠ , ( )>b,Y∈K( ,6,d); (2)l y IlI<口,Il Y l 0;l (3) ( )>b,y∈K( ,6,c),lf Il>d,同时成立. 则T至少有三个不动点 ,Y:,Y 满足: l lYl fl<0,b< (Y2),l IY3 ll>口, (y3)<b. 引理2.9¨3 设Y∈C【01】,边值问题 .fD +“(t)=Y(t),0<t<1,1<仅 , l (0)+u (0):0(1)+ (1):0,, (2・1) 有唯一解: r1 . (f)=I G(t,s)Y(5)ds, ・1 20・ 蒋园园,彭明华,等:非线性分数阶p-Laplacian方程边值问题正解的存在性 其中, (1一s) 一 (1一t)+(t—s) 一 r(0c) + 。G(t,s)= F ( ) + 。 F ( 一 F (0[一1 1 , ’。一’ ’…t,’ (2.2) 1 ) 称为边值问题(2.1)的格林函数. 引理2.10[。 (2.2)式中定义的格林函数G(t,s)有以下性质: (1)G(t,s) 0,( .s)∈[0,1]×【0,1】且G(t,s)为连续函数; (2)存在一个正函数r∈c(o,1),满足: min G(t,s) r(s) (s),maxG(t,s) 其中, 肌)= + 一(0,1). (s),s∈(0,1), 3 主要结果 在本节中,我们将利用引理2.7、引理2.8讨论问题(1.1)的正解的存在性. 引理3.1边值问题(1.1)等价于积分方程: ㈩= G ( (s一 一 , (下))打ds. J。( —r r-if( , ( ))dr+c, (3.1) 证明:由边值问题(1.1)及引理2.6,我们有: ( +u(t))=roJ(t,u(£))+c 又由于Do+“(t)I =0,所以得:c=0.因此, Do ( ( 一下 , ))d丁)・ 所以,边值I'.-1题(1.1)等价于以下边值I'.-1题: D £) ( J。(£一下) r, ( ))d J,0< < , < , u(o)+/2'(O)=0, (1)+ (1)=0. 由引理2.9可知,边值问题(1.1)等价于积分方程(3.1). 令E=C[0,1],对V u∈E,定义II M II=max I u(£)I,记K={ ∈E I ( ) 0.1/m 4i n/4 I H( )I 2 。 寺I Iu II},并令锥K上的非负连续凹函数 为: ( )=, m立in I ( )I・ 引理3.2假设 £,“)在【0,1]×【0,oo)上连续,定义算子T:K—E, )= 则有T:K—K是全连续的. ( s一丁t-,f(r 下))d ds・ 证明:引理的证明将分为三个步骤,①证明T:K一 由引理2.10,显然有当t∈【0.1]时,Tu(t) 0,且Tu(t)是连续的.V ∈K,由引理2.10,有: 。 嘶1 )=。 ≥ J。1 ㈤ ( 。。( ㈩ ds s—r)卜 丁,“( ))d ds. I (t)l (s) ( (s—r t-,f( ,u( ))d ds. .ax另一方面,II“11=m 1,1. 湘南学院学报(自然科学版) 2014年10月(第35卷)第5期 因此,可以得到mil/4 ̄/n (t)4 ÷Io l u I【,这意味着T:K一 ② 是有界算子. 设P c K是有界的,即:存在一个正常数g>0,对所有的 ∈P有II II 1:0 £ 1.0 u },M∈尸,贝0有: 令N=max{I,( ,“( ))I+ I ㈤l=l G ( (s一 一 , (丁))打) I ≤( ) 因此, (P)是一致有界. ( r)r-ld ̄)ds=( ) (等) ≤( ) 胁 . ③T等度连续. 由c(t, )在[0,1]×[O,1]上连续,它在[0,1]×[0,1]上一致连续.因此,固定的s∈[0,1】,对任意 >0,存在一个常数6>0,对任意的t。,t2∈【0,1】,I21一 2 l<6,有: j G( s)一G( s)l<(rrⅣ(r), s. 所以. 1 u(f2)一 1)l c(t2,s)一G(fl ( ) I G _G( ( ・ s一 一 ,u( d7) 证毕. 即 (P)是等度连续的.由Arzela—Ascoli定理,可得 :K K是全连续的. 记,A=( ) ,B=( ) …f3/4 s s. 定理3.1设 ,u)在[0,1】×[0,oo)上连续,假设存在两个正常数rz>r・>0,有: ( ・) )≤ 【、 ,( )∈ 0,1 × 0,r2 ; ( )厂( )≥ j,( )∈ o,l × 0 ; 则边值问题(1.1)至少有一个it!解u,满足r {l u II<』 . 证明:由引理3.2知71:K—K是全连续的.因此,当且仅当u满足算子方程 =Tu时,边值问题(1.1)有一 个正解“=M(t). 设Pl:={ ∈K I I lM <rl 1.V u∈oP1,£∈[0,1】,由(H2)有: I1 (f) G ( …(s— )卜 (r))d ) (s一丁)r- r))d丁) f3/4 ~min G ( ≥rBL( ) Jf3l/44㈤肌 r) : II . 所以【 ITu【I>II M ll,u∈OP . 设P :={“∈K I II M Il<r }.V ∈OP ,t∈[0,1],由(日 )有: I )II= ∞ ( .(s .r) 1 72. 蒋园园,彭明华,等:非线性分数阶p-Laplacian方程边值问题正解的存在性 max f ̄G 咖 ( 丁 r ))itT)ds ㈦ ( …)r-ld"r)ds≤7- ( ) 胁 凶 =II训. 所以【 ITu l ll lll, ∈OP . 因此,由引理2.7的(2),问题(1.1)至少有一个正解u,满足r。≤1l u lI<r:. 定理3.2假设,(t, )在【0,1]X[O,oo)上是连续的,存在常数0<0<b<c,满足以下条件: ( )f(t,u)< (署),( )∈[0,1]×[0,口]; ( )I厂(t,u)> (鲁),( , )∈【 1, 3]×【6,c]; ( )f(t,“) (暑),( , )∈[0,1]×【0,c】・ 则边值问题(1.1)至少有三个正解“ ,“:, ,且 ma x。 1 m inI a xI u2( )I<m 2( )I-<-C I“1( )l<0,b<l/4/4 。 l 呱l 。<maxI u3( )I m i n1/4I M3( )l<6・ /4 证明:由引理3.2,有 :K—K是全连续的.因此,当且仅当u满足算子方程 =Tu时,边值问题(1.1)有 一个解 : (t).下面证明在定理的条件下,算子 满足引理2.8的所有条件: (1)如果 ∈ ,有Il“1l ,由(日 ),可以得到: I (I£)ll: I (f)l= l G( ) ( T一 M( ( 所以 :K—c(s一下) ,u( ))打ds l ) 一 c)>6.显然,{M∈K( ,6,c)I (“)>6)≠ 打) 7- ( ) o,一 ,同样的,如果M∈K—,由( )有I ITu Il<。.满足引理2.8的条件(2). (2)设 (f)=丁b+c0 .1,有II II<c且 (“): b+..如果u∈K(a,b,c),1/4 n( ) ar i n I l/4 /4 。 /4,则有b≤u(£) .由( ),可以得到: (f)l_。 1/ar4鱼 i n/ I4 0 G( ) (\ I1 r ) J n (s— ) r,u(r))打ds I (s 丁 Ⅲ ds > G ( 告( ) 3/4 ㈤ 所以,对所有的 ∈ ( ,b,c),有 ( )>b.满足引理2.8的条件(1). (3)令c=d,与(1)的证明类似,如果u∈ ( ,b,c),则有I I Tu I I>c=d,且 ( )>b,满足引理2. 8的条件(3).由引理2.8,边值问题(1.1)至少有三个正解满足: m axO鱼 1 】I u1( )I<0,6< mi n/4 I 2(£)I<max I M2( )I , ‘ 1/4立 /4 。蚓O鱼 1 Ⅱ<m。 m in l M3( )I<6・ ax I u3(£)I c.1/44 证毕. 3应用举例 例题1 考虑问题: .1 , . 湘南学院学报(自然科学版) 2014年10月(第35卷)第5期 吲1 2 = + t2 1 <l’ (4.1) (s)=l s 取P=q:2,通过简单计算可得: _( = 去 2568, 3 . B=(南) …f3/4 s s= / , r =2,有: S 0 ), p (1) (+ M > 1 , + + 1<0.8081< ( )0.8862, )∈[0,1]×[0,21, .0 、, = ( (2) ,“,= + +÷ 。.5> ( ) 。.4544,( , )∈ 。, ×[。, ]. 0 由定理3.1,可以知道问题(4.1)至少有一个正解 满足1/7 J I“I I . }1 例题2 考虑问题: 1 D 1( (D2o+“(£))): ,u( )),0< <1, 一l p g + “(0)+u (0):0, (1)+lZ'(1)=0,Do+“( )J 。:0, :(4.2) 0 = >1 ,其中. D Ⅱ古+寺 “ , ¨ “ 一一 【 t+丽U+ 16, >1 = 4 2.2568, s = 1/10取P=g:2,由例1知: =0 ( ) ( ) …f3/4小 ,=3 . 设n:而16:l,c:10,有: (1) ,M) 丽t+u2_<0.035< (、2..(2) £,u) t+ 1】×[。, 】, + 16≥326。7> ( )3.1807,( , )∈[丢,-34]×[1,1。】, 2568,,./≈。.。4J43,( ,“)∈【。(3) ,配) 了t+ /Z+ 16 5929< ( )一4.43ll,(f,u)∈[o,1】×[。,10】. ,由定理3.2,可以得到问题(4.2)至少有三个正解“ “ , 满足: max I“・( )l< 1,1<…。 mi n I z( )l<max I“:( )l<1。, 峨< I u ( )l<l o. l u。( )I<1. ・124・ 蒋园园,彭明华,等:非线性分数阶p-Laplacian方程边值问题正解的存在性 参考文献: [1]D Delbosco and L Rodino.Existence and uniqueness for a nonlinear fractional differential equation[J].Journal of Mathematical A. nalysis and Applications,1996,204(2):609—625. [2]H Jafan and V D Gejji.Positive solutions of nonlinear fractional boundary value problems using adomian decomposition method[J]. Applied Mathematics and Computation,2006,180(2):700—706.. [3]S Q Zhang.Positve solutions ofr boundary value problems of nonlinear fractional differentila equations[J].Electronic Journal of Dif- ferential Equations,2006,36:1—12. 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By using Krasnoselskii fixed point theorem in a cone and Leggett-Williams theorem,some sufifcient conditions for the existence of positive solutions are obtained. Examples are given to illustrate the effectiveness of our results. Key words:P—Laplacian equation;boundary value problem;positive solution;Krasnoselskii fixed point theorem;cone