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非线性多阶分数阶微分方程组正解的存在性

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第56卷第1期 吉林大学学报(理学版) Vo1.56 No.1 2018年1月 Journal of Jilin University(Science Edition) Jan 2018 doi:10.13413/j.cnki.jdxblxb.2018.01.01 非线性多阶分数阶微分方程组正解的存在性 代 群 ’ 李辉来 ,孙艳 高瑞梅 (1.长春理工大学理学院,长春130022;2.吉林大学数学学院,长春130012) 摘要:应用增算子不动点定理和锥拉伸压缩不动点定理研究一类非线性多阶分数阶微分方程 组的正解,得到了该方程组正解的存在性. 关键词:非线性方程组;Caputo分数阶导数;正解;不动点定理 中图分类号:O175.1 文献标志码:A 文章编号:1671—5489(2018)01—0001—05 Existence of Positive Solutions for a Multi--order Nonlinear Fractional Differential System DAI Qun ,LI Huilai。,SUN Yan ,GAO Ruimei (1.School of Science,Changchun University of Science and Technology,Changchun 1 30022,China; 2.College of Mathematics,Jilin University,Changchun 130012,China) Abstract:Using the fixed point theorems of increasing operator and the fixed point theorem of cone expansion and cone compression,we studied the positive solutions of a class of multi—order fractional differential equations,and obtained the existence of positive solutions of the equations. Key words:nonlinear system;Caputo fractional derivative;positive solution;fixed point theorem 分数阶微分方程在物理学、化学、工程学等领域应用广泛 .文献[5—8]应用不动点定理研究了 非线性微分方程正解的存在性和唯一性;Alsaedi等L9]研究了如下非线性时间分数阶微分方程组解的 存在性和爆破解问题: f z‘ ( )一D备十( 一“(0))( )一U (£)73 (£),t>0, (£)一D (口一 (O))( )一 (£)73 ( ),t>0, 【 (O)一 0>0, (0)一口o>0. 本文考虑如下非线性多阶分数阶微分方程组正解的存在性问题: f L】(D)U(£)一Up(£)Vq(£),t>0, L2(D) (£)一U (z) (£),t>0, (1) 【 (0)=::z‘o>0, (0)==: 0>0, 其中: w-1 L (D)一 D叶Sn一∑nc上 ,。S+i,0<S <…<S ≤1, 口 >o; 一1 m一1 L2(D): D。K+m一∑6c; K。阜.,0<K <…<K ≤1,b >0, J=1 收稿日期:2017—06—01. 作者简介:代群(1981一),女,汉族,博士,讲师,从事微分方程的研究,E—mail:daiqunll30@163.tom.通信作者:高瑞梅 (1983一),女,汉族,博士,讲师,从事微分方程的研究,E—mail:gaorm135@nenu.edu.cn. 基金项目:国家自然科学基金(批准号:11501051). 2 吉林大学学报(理学版) 第56卷 D , DK牟( 一1,2,…, ;J一1,2,…, )是Caputo分数阶导数;“>0,v>0,P,q,r,5是正实数. 1 预备知识 定义1 E。 函数Y:(0,+。。)一 的口>O阶Riemann—Liouville分数阶积分定义为 1 ft m (£)一志J。( s) ( s, 其中等式右端在(O,+oo)内有定义. 定义2E。 具有 阶连续导数的函数Y:(0,+。。)一 的a>0阶Caputo分数阶导数定义为 D + ( )一 ==- j。( 一s) Y (5) , 一 <a≤ , >o, E ・ 定义3E 定义4 L3_ 设K为Banach空间E中的一个闭锥,在E中偏序≤定义为:对于z,YEE,如果 对于z,YEE,偏序区间(z, >定义为(z, >一{zEE: ≤ ≤Y). —z∈K,有z≤ ,则称(E,K)为一个偏序Banach空间. 引理113-43 设(E,K)是一个偏序Banach空间,z0,Yo E K,zo≤ 0,F:(z0,Y0)一<z0,Yo)是一个 增算子,且 。≥z。,Fy。≤ 。.如果F是一个连续紧算子,并且K是一个正规锥,则F在(zo,yo)中 有一个不动点. 引理2_3- 设(E,K)是一个偏序Banach空间,U ,U。为E中开集,0 E U (==U C U2,且 F:Kn(I2/u )一K是全连续算子.若下列条件之一成立: 1)Jf F ll≤l lll, E K N OU ,且l lF甜Jf≥I lll, E K n 3U ; 2)ll F lI≥l lIl, E K N 3U ,且l lFu Jl≤I lU ll,U∈K n aU . 则F有一个不动点. 设空间x一{ (£): (£)E C Eo,1]),在X中定义范数 lI l—max{l ( )l:t E Eo,13). 令 K一{ ( )∈X: (£)≥0,0≤t≤1). 显然,K是一个正规锥. 2 主要结果 ) +)~+蓦 S-S ̄-IU㈤ds+志 _s) n~ s ㈤ (2) 喜而 j’ ( Km-Kj-1 7J㈤ds+志 m .(3) )一 )一iiED) ̄:用算子J 同时作用于方程组(1)第一个方程的两边,得 萎 s £)::= ㈤], 从而 )~+萎 ( Sn-Si-1IA㈤d +志j- ( . 同理可得方程(3). 算子F,G:K-- ̄K定义为 ㈤~+薯 If ( Sn-Si-1IA㈤ds+志 ( m , . ㈤~+ 而 』 ( K--Kj-1 7J㈤ds+志j. 第1期 代群,等:非线性多阶分数阶微分方程组正解的存在性 3 M是锥K中的有界子集,如果存在正常数L,使得对任意的 EM则f’(M),G(M)是紧致子集. — ,都有ff ff≤L, 证明:只需证明F,G:K—K是全连续算子. 首先,证明F(M)是有界集.令 P1一l+ max{u (£) ( ):o≤ , ≤ L}, O≤£≤1 —,,’ 、 P2—1+ max{ (£) (£):0≤ , ≤L), O≤£≤1 …’ 、 P=max{Pl,P2). 则有 I F. )i≤“。+f r(s.a-'s,)f (t-s)Sn-Si-1U㈤ds}+ J志 (t-s q 丽 I J≤ .三 I+ ≤ 一 .2 暑丽 同理,有  一一 + 。 F(S )’, £∈rn,,LU ij.’    一(£)J≤ + 因此,F(M),G(M)是有界集. F(K —— —6.L K +1) +志,. 0 十 其次,证明算子F是等度连续的.令“, EM,对任意的0≤ < ≤1有I 一£ I< ,则 I c 一 c l≤霎 兰 c 一s 一 一 ds~ c 。一 ~ 一 d I+ 志 P(S 一S ) ’r1 . (h--s)S"-idsl ̄ r(s 一S ) 而PF(S 萎 一[(tl--S)s"-I--(tz--s)Sn-1]d5+ (tz--S 4- 1) s [ti-t2 I+ s s J≤  i=1 I-- ti—t 一zI ≤ w1 J t 一t j n一一 , 其中Ⅳ ==:蓦 同理,可得 干 + 与 无关.  , 是 I ( 1)一Gv( 2)1≤V 2 I tl—t2 1 m~ 一 , 其中wz与£ , z无关.因此,F,G是等度连续算子.由Arzela—Ascoli定理可知而紧致集. 引理S <0,口 <0. 证明:对方程(2)两边同时求t的导数,有 “ 一茎 Sn-Si-2 蚪 s ㈤ 。. 4 吉林大学学报(理学版) 第56卷 同理,有 <O. 定理1 如果存在O≤z( )≤7c(t),O≤ (£)≤ (f),满足 L1(D)z( )≥z (£)Y (f), L1(D)芏( )≤芏 ( ) ( ), L2(D) (£)≥z (£) (£), L2(D) (£)≤芏 (£)夕 (£), 则方程组(1)有正解. 证明:只需证明F,G有不动点即可.由引理4,F,G是全连续算子.对于0< < z,O< < z, “1, 2, 1,722 E K, >O,q>0,有 z( )一 (£)一 /-/.j (t-s)Sn-Si-][税z(s)一 (s)]ds+ J。(£一s)Sn-1[甜;(s) ;(s)一 (s) i(s)]d5一 — F(S 一S )J o I‘(f一5) 一 一 [ (s)一 (s)]ds+ ~ …~ ‘……一’ J。( 一s) ” ;(s)[ !(s)一 (s)] + 志J。( 一s) 由定理中的条件,可得 [ 一甜㈧ >0, 从而F ( )>F甜 (£).同理可得Gv (£)>G ( ).因此,F,G是增算子. Fx≥z, F ≤芏, Gy≥Y, G ≤ . 又由引理2,F,G有不动点U E(z,芏>,72 E(y, >, >O, >0. 定理2如果存在两个正数 ,M,使得 ≤U (£)72 ( )≤M, 令 ≤ (£) ( )≤M, V t E[0,1]. 则方程组(1)有正解. 证明:令 u 一 K.1 <南)1, uz=== K:II“II< ). 对于 ,vE K N OU。,有 。≤ )≤ 由于 ( ) (£)≤ ,则 眦 , V£∈[0,13. 霎而 I 一卅 I I≤ 蓦而 +蒜≤ 矗r( )『 l +善 S。 r( 一 S +1i )。+ ”] l≤ r( ) ‘≤ . +第1期 代群,等:非线性多阶分数阶微分方程组正解的存在性 5 凶此, I III≤ 一II II, V ∈K n a 同理,有J lG ll≤Il ll,V ∈Kn aU . 另一方面,对于U∈Kn au ,有  In( ≥志 Sn-1Up ds≥ ≥ , V ∈[o'1]. 因此, II I≥冠专 一I III, V ∈K n au . 同理,V ∈Knau ,有II G II≥c IlI.又由引理2。方程绢(1)在Kn( /U )中有不动点. 3数值实验 例1考虑分数阶微分方程组: f(D 一 。)U:U 。 ,5,t∈[o,1], 口>0, (D 。一bD 。) : 。 ,t∈[0,1], b>0, 【u(O)一Uo>1, (O)一 0>1. 由引理5, <O, z‘(O)≥“(£)≥ (1), (O)≥ ( )≥ (1), 因此 T]1/2 (1)≤U (£) (£)≤U (O) (O), 叩一min{1,“(1)}. 又由定理2知, 该分数阶微分方程组存在正解. 参 考 文 献 [1]Kilbas A A,Srivastava H M,Tr ̄illo J J.Theory and Applications of Fractional Differential Equations[M]. Amsterdam:Elsevier,2006. 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