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三阶非线性奇异微分方程组的正解

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第36卷第4期 曲阜师范 大学学报 V01.36 No.4 2010年10月 Journal of Qufu Normal University Oct.2010 三阶非线性奇异微分方程组的正解 张丽, 张克梅 (曲阜师范大学数学科学学院,273165,山东省曲阜市) 摘要:研究带有参数的三阶非线性奇异微分方程组两点边值问题正解的存在性,通过运用锥理论中的 不动点定理,得到了有关方程组正解存在性的多种结果. 关键词:三阶边值问题;微分方程组;不动点定理;正解 中图分类号:O175:8 文献标识码:A 文章编号:1001-5337(2010)04-0009 ̄6 1 引 言 近年来,关于非线性三阶边值问题(BVP)得到了很好地研究,文献[4]详细地讨论了以下边值问题 ( )+AⅡ( )_,(“㈤)=0,0< <1, f 1.1) tu(0)=M (0):0, (1)+ M”(1)=0 正解的存在性,这里入是正参数.作者根据 取值范围的不同,运用不动点定理,得到了有关BVP(1.1)是 否存在正解的多个结论.文献[5]运用Guo—Krasnoselskii S不动点定理讨论了以下边值问题 一.U ( )=0(t) t, ),0<t<1, J一l (0):u ( )=b (0)=0,(t)h(t,u),0<£<1,tt r(1)=Ot (7 1), (1.2) (0)= (0)=0, (1)=OLI) ('7) 正解的存在性.受到以上启发,本文中我们考虑以下边值问题 一,U (t)=A口(t) t, , ),0<t<1, (£) b(t)g(t, ),0<t< f 1.3) l (0)=M (0)=0, M (1)+ ”(1)=0, v(O)= (0)=0, (1)+ ”(1)=0 正解的存在性,A, 是正参数,OL,卢 0, + >0,f,g∈C([0,1]×[0,+∞)X[0,+∞),[0,+∞)), a,b∈C((0,1),[0,+∞))且在t=0,t=1奇异,但在(O,1)上不恒等于0. 为了进一步得到我们的主要结果,我们需要下面的Guo—Krasnoselskii S不动点定理. 定理1.1 设(E,ll・I1)是Banaeh空间,P是E中锥,假设Q ,Q 是E中开子集且0∈Q ,n cn2. 如果 T:P 71( 2\Q1) P 是全连续算子并满足: (i)lJ ll ll M lI,V U∈P n an ,l lll≥l IU ll,V/Z∈P n an , 或 (ii)l lll l IU I『,V M∈P n aQ ,l lll≤lI//,ll,V U∈P n an , 收稿日期:2009-07-25 基金项目:国家自然科学基金资助项目(10871167). 作者简介:张丽,女,1984一,硕士;研究方向:非线性分析及应用.E—mail:lili184@163.corn. 张克梅,女,1968.,博士,教授;研究方向:非线性泛函分析.E—mail:zhkm90@126.corn 10 曲阜师范大学学报(自然科学版) 2010年 则T在Pn(n:\12 )中至少有一不动点. 2预备引理 { 、馁/f‘ a2 t(2 (1+ -s)2) + ,( /3 +t2卢)  一(t-22’…一,s)2., 0 s… …‘ , 引理2.2[4 对于o ,s l,有G( ,s) q(t)G(1,s),这里g(£)= 毛. 考虑Banach空间E=C([0,1],R)×C([O,1],R),其中JI(“, )JI::J} lI+ lI,IJ u IJ: ̄-…inat xI M(t)l, I● l. A(u, )( ) A[Jn G(1,s)口(s)厂l(s, (s), (s)) ≤A{~ [ 0'¨.。 ma,x I(x,y)I , ,y’}J J[I1 c(1,s)Ⅱ(s) <+。。. 日(M, )( ) Jn G(1,s)6(s)g(s,M(5), (s))(1s≤ {L fE[。,1]1。 g( , ,),)1J J[I) ‘C(1,s)6(s) <+∞. 2 A q( max /c(t,s)口(s) ,“(s),移(s) g(f) ( , )『1. 第4期 张丽,等:三阶非线性奇异微分方程组的正解 类似可证得B( , )(t) q(t)l lB(“, )l1. 由于 A(U, )(t)+B(M, )(t) q(t)l lA(“, )ll+g(t)l lB( , )II=q(t)l】(4(“, ),B(M, ))ll, 故T(M, )=(A( ,t)),B( , ))∈P,即T(P)c P. 对于n 2,定义a (t),b (t)分别为 inr ),n( )},0 c , 。( ), 一1 n f 1一1一n , inr ),n 1一 , 一 , inr ),6( )}'0 b (t)= 6( ), 一1≤ n , 11一一, inr ),b(1一 )), 一 则易知a (t) n( ),b (t) 6(t).对于n 2,定义 :P—P为 (“, )(t)=(A (u, )(t),B (u, )(t)),0 t 1, 这里 A (u, )(t)=A J G(t,s)口 (s),(s,u(s), (s))ds,0 t 1, (“, )(t)= J G(t,s)b (s)g(s, (s),"(s))ds,0 t 1. 由Ascoli—Arzela定理易证,对于n 2,rn在P上全连续.令B ={( , )∈尸:fi(“, )Jf≤ },下证当 一 。。时,{ }一致收敛于 事实上,对Vt∈[0,1],对每个固定R>0,(u,V)∈B ,根据厂,g的连续性和积 分的绝对连续性,我们有 l (“,l )一T( , )lJ=fl(A (u, ),B (u, ))一(A(U, ),B(“, ))ll =ll(A (U, )一A( , ),B (u, )一B( , ))Il =l lA (U, )一A( , )lI+ll (u, )一B(u, )l l= max A ̄ G(t,s)[an㈤一 ) ㈥, )) I+ —G(t,s) ㈤一 )]g(s,u㈥, )) f s A[0 G( 1,s)(n(s)一an(s))厂(s,u(s), (s)) +A f .lG(1,s)(n(s)一口 s)) ,u(s), (s))ds+ i rG(u 1,s)(6(s)一6 (s))g(s,“(s), s)) + f G(l1,s)(6(s)一bn(s))g(s,“(s), (s))ds —i *Jo G(1,s)。(s s,“(s), (s)) + 一上G(1,s)。(s s, (s), (s))ds+ -÷ ,1 10 f G(1,s)b(s)g(s, (s), (s))ds+ J,G(1,s)b(s)g( ,M( ), (s))ds 』1一上 A{ c。,-m, a。x , s , , )( G(1,s)。(s)ds+ :一上G(1,s)。(s)ds)+ {fE[0Ilmj。a。sxx,y_<Rg )( iG(1’ ㈠¨ 上G(1, ㈤ds)一 一 故当n一∞时,{ }一致收敛于 ,所以 全连续. l2 曲阜师范大学学报(自然科学版) 2O10年 3主要结果 我们首先定义以下常数 = 辩 ,go=lim sup。 , ……,= , = , … … 厂= ,g , ‘ = ,, … g … M0=max{/o,g。},M =max{厂,g }, mo=min{fo,g0},m =min{-, ,g }, A=max{fo xG(1, )。(s)ds,Jc G(1,s)6(s)ds)>0, =min{fo G(1,s)。(s)q(s)ds,J[ G(1,s)6(s)g(s)ds)>0・ 定理3・1 Ni3.t(4 ),(A2)成立,曰m >A ,则对于A,Iz E( , 1 ),BVP(1.3)至少有一正解. 证明取充分小的占。>0,使得(A+ )( 十 )A 1.由M0及 ,g。的定义可知,存在l。>0,使得对 于每个(t,M, )∈[0,1]×[0,l1]×[0,l1],有f(t,u, ) (M0+ 1)(M+ ),g(t,/z, ) (JJI + 1)( + ). 若( , )∈P,lI(“, )ll=1 ,我们有 Il T(u, )ll=l lA(“, )ll+ll B(“, )ll:A(“, )(1)+B(“, )(1) =A』G(1, )。( , ( ),∥( ))ds+ f G(1, )b( )g(s, ( ), ( ))ds A(Mo+ 。)J G(1,s)。(s)(M(s)+ (s))ds+ (Mo+8 )I G(1,s)6(s)(u(s)+ (s))ds ≤A(Mo+ )( ll+ II)J G(1,s)a(s)ds+ (Mo+ 。)(II“ll+ _1)J G(1,s)6(s) (A+ )(Mo+ )ll(“, )l】A ll(M, )l1. 令 ={( , )∈E:Il( , )Il<l },则对于(“, )∈Pn a Q ,有l lT(“, )ll≤lI( ,tI)lI. 同样地,取充分小的 :>0,使得(A+ )(m 一 )B 1.由m 及 ,g 的定义可知,存在Z>0,使得 对于每个(t,“, )E[0,1]X[1,+∞)×[1,+∞),有 t,M, ) (m 一 2)(“+ ),g(t,“, )≥(m 一 2)(u+ ). 若(“, )∈P,lJ(/Z, )J J=l ,这里l =2max{l ,l},则有 Il ( , )lI=I IA(“, )ll+l lB(u, )ll=A(1Z, )(1)+B(“, )(1) =A J G(1,s)0(s)_厂(s,M(s), (s))ds+ I G(1,s)b(s)g(s,M( ), (s))ds a(m 一 z)Jf】G( ,s)。(s)( (s)+ (s))ds+ (,札 一 z)J。G( ,s)6(s)(M(s)+ (s))ds ≥A(m 一 )if(“, )lI f G(1,s)a(s)q(s)ds+tx(, 一 :)ff(“, )fl f G(1,s)b(s)q(s)ds (A+ )(,n ~ )ll(M, )II B ll( , )l1. 第4期 张丽,等:三阶非线性奇异微分方程组的正解 13 令n ={(11,, )∈E:ll(11,, )l】<2:},则n cQ:,且对(u, )∈Pn aQ:,有l lT( , )l l由定理1.1(i)可知, 在Pn( :\Q )中至少有一不动点. , ) lI. 定理3.2假设(A ),(Az)成立, m。>A ,则对于A,tx∈( , 1 ),BYe(1.3)至少有一正解. 证明取充分小的 ,>0,使得(A+IX)(m。一 ,)B≥1.由m。及fo,g。的定义可知,存在Z,>0,使得对 于每个(t,“, )∈[0,1]X[0,z3]×[0, 3],有厂( ,“, )≥(m0一 3)(“+ ),g(t, , ) (,孔。一 3)( + ).若 (“, )∈P,II( , )II=z ,我们有 I IT(“, )ll=l IA( , )ll+l lB(u, )ll=A(u, )(1)+B(u, )(1) :A J G(1, )a(s)f(s, ( ), ( ))ds+ J G(1, )6( )g(s, ( ), (s))ds 三兰:A(,, 一 3)J G(1,s)0( )( ( )+ ( ))ds+ (m0一占3)}G(1, )b(s)( ( )+ ( ))ds A(mo一 3)}J(u, )l JJ G(1,s)口(5)g(s)ds+ (m0一 3)IJ( ,2))lJ J G(1‘,s)6(s)9( )ds (A+ )(m0—8,)ll(u, )l lB  t。 II( , )lI.  ・ .令n,={(“, )∈E:lJ(M, )lJ<z。},则对于u∈Pn aQ,,有 T( ,口)l Jl1(u, )l}. 同样地,取充分小的 >0,使得(A+ )( + )A 1.又由 及厂,g 的定义可知,存在z >0,使 得对于每个(t, )∈[0,1]x[Z ,+o。)×[z ,+∞),有厂(t,“,口) ( + 4)(“+ ),g(t,“, ) (M + )(u+ ).若(u,口)∈P,ll(u,t))ll=z ,这里 =2max{z ,z },则有 Il T(u, )ll=I lA( , )ll+l lB( , )ll=A(//,, )(1)+ ( , )(1) =A J 0 G(1,s) ( )I厂( , ( ), ( ))ds+ f G(1,O s)b(s)g(s, (s), ( ))ds (M + )J c(1, )0( )( (s)+ (5))ds+ ( + )J G(1,5)6(5)( (5)+ ( ))ds ≤A( + )(IJ M lJ+lJ lI)f G(1,s)0(s)ds+ ( + )(Jf“I J+J} J{)J G(1,s)b( )ds (A+ )( + 4)ll(M, )ll A ≤Il( , )l1. 令Q =i( , )∈ :ll( , )lI<z },则 ,c ,且对( , )∈Pn aQ ,有lJ 71(“, )l IIJ(“, )lj. 由定理l£。. 1(ii)可知, 在pn(、  \n )中至少有一不动点. 。,、. ^  ‘ ‘ , j 定理3.3 假设( 。),(A2)成立,2A t, , ) M+ Ag(t,“, )<“+ ,( , )∈(0,。。)X(0, ∞),£∈[0,1],则BVP(1.3)无正解. 证明假设(u, )是BVP(1.3)的解,则由G(t,s)关于t的增性可知, lj(u, )ll=Il//,Il+l lIl= (1)+ (1) =A J0 J G(1,s)n(s) s,u(s), (s))ds+ JJ0  G(1,s)b(s)g(s, (s), (s))ds < G(1,咖( n( + )) -J1 lnG( )6( )(“(s) + )) (M II ̄!C(1 )¨ 1 ll(u,v)ll c(1 )6(s)ds . ≤II(u, )II. 矛盾,结论得证. 定理3.4 假设(A1),(A2)成立,2A (t, , )>M+ ,2 g(t, , )>u十 ,( , )∈(0,∞)X(0, ∞),t∈[0,1],则BVP(1.3)无正解. 证明假设(M, )是BVP(1.3)的解,则由G(t,s)关于t的增性可知, 14 曲阜师范大学学报(自然科学版)r}r}r ,il 2 3  4  1 5 6 ]』7 8 9 2010年  lI(u, )Il=II u lI+ Il=u(1)+ (1) =A f G(1,s)n(s s,“(s), (s))ds+ f G(1,s)b(s)g( , (s), (s))ds > C(1 )(M㈤+ ))ds+ c(1 )(n㈤+ )) ≥ II( )II 。c(1 ) )ds+ 1 II( )ll G(1, ㈤ ) ≥ll(u, )lI. 矛盾,结论得证. 参考文献: 郭大钧.非线性泛函分析[M].第2版.济南:山东科学技术出版社,2001. 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