分数阶为2〈α≤3的微分方程两点边值问题解的存在性
2020-07-13
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第33卷第6期 Vo1.33,No.6 西华大学学报(自然科学版) Journal of Xihua University・Natural Science 2014年11月 NOV.2014 ・基础学科・ 分数阶为2<OL≤3的微分方程 两点边值问题解的存在性 葛 碧 ,王 培 ,徐艳艳 401520;2.西华大学数学与计算机学院,四川成都610039) (1.重庆师范大学涉外商贸学院数学与计算机学院,重庆合川 摘要:利用schauder不动点定理及Green函数的性质得到了分数阶为2<Ol≤3的微分方程两点边值问题 '卅U解的存在一。其中,Do l丁 LL 0,I-qt- 。 l ' 十+为Ri / …一… emann—Liouville分数阶I导 /J M ’J ,』DOau( )=,(t,u(‘),。D0+ “( )),0≤ ≤ ‘l +数, D0+ 为caputo,S分数阶导数。 u(0)= (1)= O)=0,2<a≤3,0< ≤1 关键词:分数阶微分方程;边值问题;不动点定理;解的存在性,Green函数 中图分类号:0175.8 文献标志码:A 文章编号:1673—159X(2014)06—078—04 doi:10.3969/j.issn.1673—159X.2014.06.0018 Existence Solution for Two-point Boundary Value Problem of a Fractional Differential Equation with 2< GE Bi ,WANG Pei ,XU Yan.yan (1.School of Mathematics and Computer Engineering,Chongqing Noralm University Foreign Trade and Business College, Chongqing 401520 China;2.School ofMathematics and Computer Engieenring,Xihua University,Chengdu 610039 China) ≤3 Abstract:By applying the schauder fixed—point theorem and the nature of Green function,the authors attained an existence solu- tion for two—point boundary value problem of a fractional differential equation rD0+ (t)= t,U(t), D0+ u(t)),0≤ ≤1 【M(0)= (1)=u<0)=0,2< ≤3,0<口≤1 where Do+is the Riemann—Liouvill Fractional differentiation and D0+ is the caputo’s Fractional differentiation. Keywords:fractional differential equation;boundary value problem;fixed—point theorem;existence solution;Green function 近年来,随着分数阶微分方程在工程、经济等 众多领域的重要应用,此问题的研究亦受到众多学 者的关注。研究分数阶微分方程及分数阶微分方 程的边值问题对解决非线性问题意义重大。 本文主要研究以下边值问题: f D +u(t)= t,u(t), D +M(t)),0≤£≤1 1 预备知识 定义1… 函数,:(0,+∞)一R的 阶Rie— mann.Liouville分数阶积分为 + ) 高f 0( 一s) s) 函数,:(0,+O0) R的 阶Rie— 【U(0)=M(1)=M 0)=0,2<o/≤3,0</3≤1 (1) 其中:O/>0;F( )为Gamma函数,右端在R 上逐点 有定义。 定义2 其中 为【0,1】×【0,+∞】×【0,+∞】上的连续函 数;Do+为Riemann.Liouville分数阶导数; D g+为 caputo’S分数阶导数。 收稿日期:2013—11—21 基金项目:西华大学重点学科应用数学(XZIX}910—09一1) mann—Liouville分数阶导数为: Do.f( (岳) …广一 s) 作者简介:葛碧(1987一),女,助教,硕士,主要研究方向为函数逼近论。 第6期 葛碧,等:分数阶为2<d≤3的微分方程两点边值问题解的存在性 79 其中n=[OL】+1,[0【】表示 的整数部分,右端在 冉由u(U)=u(1)=M (O)=0口J解得C0=C1: 上逐点有定义。 定义3 函数/:(0,+。。) R的 阶caputo’s 0,cz一 l- ~ ) ; 分数阶导数为 则边值问题(2)的唯一解可以表示为 D 3+ z) 志』t。( ) (s)ds, “㈤= 卜 。。 ) 一 其中n一1< < ,右端在R 上逐点有定义。 本文的主要结果证明将用到以下3个引理。 (卜 ) g(s)ds 而1Ⅲ(t--S) 一 引理1[2 J假设 ∈C(0,1)n (0,1),其中口> 0,Riemann—Liouville分数阶导数属于C(0,1)n (1一s)一 ]g(s)ds一志 1一s) g(s)ds= L(0,1),即Do+M(t)∈C(0,1)nL(0,1),则有 G( ,s)g(s)ds。 嚣+1)o+ (t)= ( )+C0+C1t+c2t +…+ 在j文罩. Cn1t 一1 -其中,ci∈R,J=1,2,…, 。凡是满足n≥OL的最小 F ( ) 一 整数。 G( ,s)=J【f 一 引理2若u(t)∈c[o,1],分数阶边值问题 r( ) ’… fOo+M( ) g( ),0≤ ≤1, … rf ) 一 s 【“(0)=M(1)=u (0)=0,2<仅≤3; 的解可以表示为M(t): G(t,s)g(s)ds,其中G G (£,s)=Jlf 一 一1)rt—s1 一 一2t r1一s1 一。 (t,s)表示分数阶边值问题(2)的Green函数,即 F(OL) I G ( ,s)lds= G( ,s)=J【f 一 害 r( ) ’, …’, 1一s) 一 一( 一1 r(OL) + F ( ) , 一’; ¨ r()OL ~ F O( +)’/ 1, 一 G ( ,s)=J【『 r()O/ 一’ 则函数l G (t,s)l是t∈[0,1]上的可积函数。 Ol一1)(t—s) 一 一2t(1一s) 一 我们考虑 F( ) (t)= G(t,s),(s, (S), D 3+“(s))ds, 证明:由引理1有 (t)=瑶+g(t)+Co+C1t+ 定义算子 :x—x,令 (t)= G(t,s)f c2t ,其中co,cl,c2∈R 结合Riemann—Liouville分数阶积分的定义 (s,M(S),。D g+u(s))ds。 故分数阶边值问题(1)有解等价于算子方程 可有 Tu= 有不动点(这里只考虑0<口<1的情况)。 ( ) 而1 J。t(t-s)一 g(s)ds十c。+c-£+cz£ 令 :={ (t)J ∈C[0,1]且 +M(t)∈C[0,1]), 则Ⅱ )=而1』 ( 一1)( ) )ds+ C[0,1]表示[0,1]上全体连续函数,其范数定义为 C1+2c2t l,0< <1 80 西华大学学报・自然科学版 易知( ,ll・l l)是Banach空间。 引理3 E 设 是一个Banach空间,UCX为 非空有界凸子集,又设T: 是一个全连续算子, 则 在 中有不动点。 2 主要结论及证明 定理1 设f(t, (t),。D 3+ (t))是定义在 【0,1]x[0,+∞]×[0,+oo】上的连续函数,若 满足: 1)若存在非负函数a(f),h( ,y)满足 l_厂(t,u( ), D 3+ ( ))l≤0( )+h( ,y),其中,口 (t)∈L(0,1),h( ,Y)在R×R上连续. lim 静 < -- A,0< <1, 静 < : , 则分数阶2点边值问题(1)至少有1个解。 证明:令 kr 1 I G( )。(s)Ids, k 器 I G ,s)口(s)Ids, 一 , j, ( ) =max{d , 。 设s= ( 一 l+iar 卜 亡辛 ),由分数阶 边值问题(2)可以得到存在常数d >0,使得h ( ,y)≤( 一 )(1 l+1 Y 1),1 1+1 Y 1≥d , M= max{ ( ,y):I I+l y l≤d。),现取d >d ,则有 ≤ —s,h(x,y)≤(A—s)d ,1 1+1Y1≤d ,贝0对任 意的c≥d ,可有h( ,Y)≤(A—e)c,l I+I Y I≤c. 令U={ (t)1 M(t)∈X,l Iu ll≤d,t∈[0,1]), 则U是有界闭凸子集。 因为f(t,u(f), D 3+ ( ))在[0,1】× [0,+∞]×[0,+∞]上连续,且对任意的“∈X有 界,若M ,n=1,2,…,M∈X且ll/.t 一 I1_÷0,n_÷∞, 则有 l Tu (t)一 (t)l=I f G(t,s)[,(s,u (s), D 3+uns))一厂(s,“(s), D 3+ (s))]dsI≤ max IAt un(£), 昧“n( ))一厂( , ( ), cE【0Il】D + (t))I川G(t,s)lds≤ max …I,(t, (t), D 3+ (t))一 f,M(t), I(』: f ds)= (f), c。3+ (£))一 £,“(£), 。3+u( ))’t而2_ta≤ max In(£), D ( ))一 0'l(£), D 2+ ( ))I≤ ; 1 (f)一Tu ( )1=I』 G(£,s)[ s,“ (s), 。D 3+un(s))一f(s,“(s),。D 3+ (s))]ds 1≤ maxIf(f,u ( ), Mn( ))一 t,u( ), 0ll]。D 3+ ( ))l IG'(t,s)Ids≤高 】I f,“ ( ), D 2+an(£))一At, (£),。D 3+u( ))I≤ 生 . F( +1)’ I D 3+Tu ( )一 D 2+Tu(t)I= I S o( )邛( n s)一 s)) I≤max If(t, n( ), D 3+un( ))一 t E[0,。】( ), D 2+u( ))‘ 青 可 … 而 , (£), D3+“ ( ))-f(t,u( ),。口3+“( ))I≤ 2e l-’(1一 )1-’(oL+1) 因此, 是连续的。 接下来,我们证明T: 。对任意的“(t)∈U 有 l Ttt(t)I=I f ̄G(t,s s,u(s), D3+ (s))l≤ 1 G( ,s)。(s)l ds+』 G( ,s) ( (s), +“(s))ds≤  ̄-d(A— ; 1 Tu ( )I=I G (t,s) s,“(s), D 3+u(s)) l≤ l G ( ,s)0(s)l ds+』 G (t s) (“(s), D 3+“(s))ds≤ +cf( —s) ; I D3 f)I=I而 』。t(t-s)-eTu'(s) I≤ S o(t-s)邓(』 I Gs ,丁) )I¨ s l G (s,丁)h(u(丁), D 2+u(r))l dr)ds≤ + i : 』。t(t--S)一 (』 I G (s, ) (¨(丁), 3+ 第6期 葛碧,等:分数阶为2<cL ̄<3的微分方程两点边值问题解的存在性 81 M(丁))I卉)ds≤尼+d(4一占 而 l lTu l lmax,,; ( G (s, ) 0,u(0), D 3+Tu(0))dO)dsl≤ I ) ( (s,o)f(o,“( ), ma0IxlI Tu l+maxl Tu I+ 】cE【0'I]t∈[0,1】 I D g+Tu J=3Ii}"4-d(A一 )・ 1≤d旦D 3+ ( ))d )一』 (r—s)一 (』 Gs's, )-厂(0, M( ), D 3+ ( ))dO)dsf+ l』 ( 一s)一 (』 Gs's, )/ , ( ), D 3+ ( ))dO)ds一 F 2 ( 一 ) ( + ) “ 十A 4Ⅱ ^一 ÷= ,4一 d F 因此, 是 的。 下面,我们将证明 是等度连续的,对任意u(t)∈ 』 (丁一s)一卢(』 Gs'(s, )‘厂( ,M(0), ,令t,T∈[0, ], < ,Ⅳ_ maxI f(t, ( ), D g+Tu(0))dO)dsl≤ 。,1】D +M( ))l, Ⅳ —二 丽f 0((£一s)一 一(丁一s)一 )d + lTu(t)一Tu( )『= I G(t,s)一 G( ,s)I 5,u(s), D +M( ))ds≤ Ⅳ而 “ (F 1 一 )r( 丽 +)¨ O/1 丁一s) ds≤ Ⅳ(』 『G(t,s)一G( ,s)l ds+』 『G(t,s)一 Ⅳ ≤ G( ,s)f ds+』 I G(t,s)一G( ,s)『ds)≤ Ⅳf [(t—s) 一 一t (1一s) 一 一( 一s) 一 + Ⅳ ! 二12:! . r(2一 )F( +1)’ 7- (1一s) ]/F( )ds+ 因为 2£ (1_t) 一。,2f (1一丁) 一 ,t ,t , , , Ⅳ』 血 4t(1一 ) ,4£(1一 ) ,2 ,2 ,4(t—r)一卢在[0,1]上 都是一致连续的,所以算子 是等度连续的,又有 Ⅳ堑( 二 2:: 二!):: ± := 二!:±!:. Tu∈U,故一致有界。因此 是全连续算子。则由 r( +1) ’ 不动点定理可知,分数阶边值问题(1)在 中至少 JTu (t)一Tu ( )I= I G (t, )一G ( , 有一个解。 s)l s, (s),。D 3+M(s))ds≤Ⅳ(』 l G (t,s)一 参考文献 G ( ,s)J ds+』 J G (t,s)一G (T,s)l ds+ [1]张晓娜,胡卫敏,邱中蔚.一类分数阶微分方程两点边值问 J G (£,s)一G ( , )I ds)≤ 题解的存在性[J].伊犁师范学院学报:自然科学版,2012(1):5—9. [2]Xu Xiaojie,Jiang Daqing,Yuan Chengjun.Multiple Positive Ⅳ』 [( 一1)(t一5)“一 一2t(1一s) 一 一 Solutions for the Boundary Value Problem of a Nonlinear Fractional Dif- ( 一1)( —s) 一 一2r(1—5) 一 ]/F( )ds+ ferentila Equation[J].Nonlinear Analysis,2009,71:4676—4688. Ⅳ』 【2t(1一s) 一 一( 一1)( —s)“一 + [3]Bai Z B,Lu H S.Positive Solutions for Boundary Value Prob. 1em of Nonlinear Fractional Differential Equation[J].J Math Anal Appl, 2T(1一s) ]/F( )ds+ 2005,311:495—505. [4]Su X W,Liu L D.Existence of Solution for Boundary Value Problem of Nonlinear Fractional Differentila Equation[J].Appl Math Ⅳ 一 F ( + )Ol 1 ≤ Chinese Univ Se B,2007,22(3):291—298. 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