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奇异半正Sturm—Liouville方程边值问题的正解

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第27卷第2期 201O年04月 工 程 数 学 学 报 v0l_27 N0.2 Apr.2010 CHINESE JOURNAL OF ENGINEERING MATHEMATICS 文章 ̄-:1005—3085(2010)02—0353—05 奇异半正Sturm—Liouville方程边值问题的正解术 ( 、,、, 毛锦秀 ,赵增勤 ,许乃伟 £(1一曲阜师范大学数学系,曲阜273165; 2一山东水利职业学院基础部,日照276826) 摘要:本文研究超线性Sturm-Liouville方程的边值问题,其中非线性项可变号且 端点处具有奇异 性。利用锥上的不动点指数定理和l甲移变换的方法,我们得到奇异半正边值问题 少存在一个更 广泛意义的 解及正解的性质。本文考虑的是一般形式的方程和边值条件,改进’r之前的结果。 关键词:奇异半正边值问题;正解;锥 ㈣ , 舯卿 p卜 ,. 分类号:AMS(2000)34B15 中图分类号:O175.8 文献标识码:A : f I0 t +㈣ = I I0 £ 1 引言 本文研究如下微分方程边值问题 (1) 的正解,其中f∈ ((0,1)×【0,+∞),【0,+∞)),g∈c((0,1)X f0,+∞),(一。。,+∞))。 文献f11中研究了不具奇异性的非线性半正边值问题,应用锥上的不动点定理得出方程有正 解。最近,在文献【21中,赵通过范数形式的锥拉伸压缩不动点定理,得到方程的 [0,1】正 解。然而,文献『1】中考虑非线性项可变号,但没有考虑非线性项是奇异的和 【0,1】正解。文 献【2】考虑了奇异和 【0,1】正解,但没有考虑非线性项可变号。故边值问题(1)是文献[1]和文 献f2]的直接推广。已有的研究半正的文章,见文献【3—11]。 受上述工作的启发,本文研究半正边值问题(1),并且考虑一般形式的方程和边值条件,更 具有普遍性。应用锥上的不动点指数定理和平移变换,得到了 ,1]正解存在的结论。 我们列出本文使用的假设。 ( )P∈C ((0,1),(0,+。。)),且 1 -p ̄s)ds<+。。 ( )对任意t∈(0,1),U∈f0,+∞),存在函数q∈ ((0,1),【0,+∞))使得 Ig(t,乱)I 口(£). 收稿日期:2007—11—27.作者简介:毛锦秀(1982年5月生),女,博士.研究方向:非线性泛函 基金项目:国家自然科学基金(10871116)高教博士点专项科研基金(200804460001). 工 程 数 学 学 报 第27卷 0,1)一(0,+。o),h:(0,+∞)一(0,+∞),使得f(t, ) (日3) 存在连续函数 :(且 @) (乱), lim u-+O U :0, 1im 口—+-t-。。 U :+∞, 在(0,1)的任意闭子区间上一致成立。 (日4)令 =mm)1一rl-两,r2lc 1J,, maxo<t<1 一E=( )~. 型:0 rl,有 r】为由(Ha)中 1im 可知,对 >0,存在r1>0,对任意的0< f(t,乱)≤瓦U, =mot<%fo a(t,s)ds・ 南max h(r)+2>/o G 其中a(t,s)是相应于边值问题(1)的线性问题的Green函数。 E=))d ( 丽dT)~. 若函数 ( )∈c[o,l】UC。(0,1)满足边值问题(1),则称乱( )为边值问题(1)的解。若 解 (£)使得.1 .p(£) )与.1im p(t)u )都存在有限,则称为 [0,]解。若解u(1 £)在(,10 )t—}U十 t~一 。 上恒正,则称为正解。 注1若在边界条件中 ≠0,且 ≠0时,则(1)的解必是G Io,1】解。当 =0,或 者 =0时,(1)的解不一定是 [0,1】解。 mp(注2显然,当1i )乱 )存在有限时,t 1imo+札 )不一定存在,同理,当 liar1p(t) (t) t 0+一存在有限时, lim乱 )不一定存在,从而c 【0,1】解是依赖于p(£)的更广泛意义的解。 1一当p(£)在t=0,t:1点极限存在非零时, 【0,1】解是一般c [0,1]解的意义。 本文的主要结果如下。 定理1若( 1)一(/-/4)成立,那么奇异超线性半正边值问题f1)至少有一个G f0,1】iEi ̄-uo, 且存在常数k>0,使得 0 )>kG(t,t),t∈f0,11。 2 定理的证明 令 :C[O, 】,定义I II1 置嚣】1 ( )f,令Q={札∈ l札( ) £1f札l1G( , ), ∈【0, 】)。 我们要用到函数 += 第2期 毛锦秀等:奇异半正Sturm-Liouville方程边值问题的正解 355 由(日4)可知 )= G s)g(s)ds lG 咖(s)ds<+o。, 显然, (t)是边值问题(1)当非线性项为q(t)时的解。易知,x(t)为c [0,1】正解。 另外,对固定的 (£)∈Q,不妨设Ⅳ 。m ax u(t),则 (s)一 (s)j+≤ (s) ll 『I Ⅳ。 定义算子 如下 Au(t)=/G( ,s)[y(s,【 (s)一 (8)]+)+g(s,[u(s)一 (s)h.)+q(s)]ds,0 £ 1. J0 若 (£)为算子A的正不动点,即 (£)=Au(t),简单计算有 -(p(t)u (£)) =f(t,【u(t)一 (t)】+)+g(t,fu(t)一 (£)】+)+g(t), (2) (3) (0)一 n+p(t)乱 ):0, 7 (1)+ t lim p(t)u (£)=0・ 一故若(H1)一( )成立,则算子 在el0,1】中的正不动点必为(2),(3)的正解。 1)首先易证算子 映Q到Q,且为全连续算子。 2)其次,令Q :{ ∈Q l II钆ll<rl}。我们证i(A,q Q)=1。事实上,对任意 的0< T1,有f(t,U) 羞。则由(tI4)可知,对任意的u∈ Qr , I 煅l<2m1G(£,s)(瓦1[ (s)一 (s)]++2口(8))ds 1G ax G t) 1 q(s)ds+jri 。(t<s)ds <≥+≥=一 . 故对任意的U∈aQ ≥1,有A ≠ ,则由不动点指数的性质知i(A,Q Q)=1。 3)再证存在常数R>rl,使i(A,Q月,Q)=0。选取[ , 】∈(0,1),取 M>2 鼹 G s)dsr. 瑚 ), 由(113)知,存在常数R1>7"1,使f(t,钆) Mu,t∈【 , 】,乱 R1。令 R≥max{ 显然R>R1>rl,下证u Au, ∈ QR。 事实上,若 然,则存在Y1∈Q冠使Yl A 1,因为yl(t)  ̄llylIIa(t,t)= ̄nG(t, )。而 )= G s)q(s)ds<G t) s)ds 1㈣ s)ds, (5) 工 程 数 学 学 报 第27卷 故 (£)一 (£) 1一百fdq(s)ds) (t) fG t)≥丢ERv(1一 )≥ t E[12 ̄02]. R 1 ) /G(£,s),(s,( 1(s)一z(s)))ds /G@,G@, s)M[yl(s)一x()一 s)]ds  ̄ cRy(1一 )一 )M G(M/G(t, s)ds,V ,V∈【,t∈【0,1】. L, _ 从而 M 2 ----) max  rI "a( )dsr 这与M的选取矛盾,所以由不动点指数的性质就有i(A,QR,Q)=0。 4)最后,由不动点指数的可加性知i(A,QR\Q Q)=一1。所以 在QR\Q 上至少有 个不动点z(t)且满足rl IIzlf R。 因为z(t)≥EIIzllV(t,t)≥srlG(t,t),同(5)式, ̄,fr]-fz(t)一x(t)≥ (£)≥0,故z(t)满 足(2),(3)且[z(t)一 (t)】+:z(t)一 ( )。易证,z(t)是c 【0,1】解。令 一。(t)=z )一 @) 昙 ( ) a(t,£)=kG(t,t), ∈(0,1). 因为(p(£)2 (t)) =(p(t) 6(≠)) +口(t),因此uo(t)因为x(t)和z(t)均为c:[0,1】正解, uo(t)是 边值问题(1)一个c:[0,1】正解。证毕。 注3 Np(t)=1时,G [0,1]正解即为C [0,1】正解。 最后我们给出本文定理的一个简单应用。 例考虑下述奇异半正边值问题 ,,( 一 cta 0< L (6) . 【u(0)= (1)=0・ Green函数 G( ,s):{【 一s)' 0 s 1’ 8(1一 ),0 s t 1, , ) mTr由 ) 丽 1 , 2:)= 。, =1, rl・ lim 0 可知,对 >0,存在rl>0,对任意的0<U r1有 丽 瓦U, =躐 )s)as- 第2期 毛锦秀等:奇异半正Sturm.Liouville方程边值问题的正解 357 … 我们取m<且27r,则 q(t)dt=m丌< ,同时 ∞ ( )+ ))=_1+ 2mlr< maxo<7一.≤∈h(T)+2’ 这样条件( 1一日4)皆满足。根据本文定理1,S1.p(t)=1,故边值问题(6)至少有一个C [0,1】 正解。 参考文献: Ma R,Wang R,Ren L.Existence results for semipositone boundary value problems[J].Acta Math Sci, 2001,21B:189-195 Zhao Z Q.Existence and incomparability of positive solutions for second order singular superlinear difer— ential equations[J].Acta Math Appl Sini,2006,29(5):921—932 Aris R.Introduction to the Analysis of Chemical Reactors[M].Englewood Clifs,NJ:Prentice Hall,1965 Agarwal R P,O’Regan D.A note on existence of nonnegative solutions to singular semi—positone prob- lems[J].Nonlinear Anal,1999,36:615—622 Anuradha V,Hai D D,Shivaji R.Existence results for superlinear semi—positone BVP’s[J].Proceeding of the American Mathematical Society,1996,124:757—764 Xu X.Positive solutions for singular semi—positone boundary value problems[J].J Math Anal Appl,2002, 273:480-491 Xu X.Positive solutions ofr singular semi—positone three point systems[J].Nonlinear Anal,2007,66:791—805 Lian H,Ge W.Existence of positive solutions for Sturm—Liouville boundary value problems on the half- line[J].J Math Anal Appl,2006,321:781—792 Liu Y.Positive solutions ofsingular semipositone boundary value problems[J].Acta Math Sci,2005,25A(3): 307-314 Zhang X,Zou H,Liu L.Positive solutions of second—order m-point boundary value problems with changing sign singular nonlinearity[J】.Appl Math Lett,2007,20:629-636 Zhang X,Liu L.Positive solutions of superlinear semipositone singulra Dirichlet boundary value prob- lems[J1.J Math Anal Appl,2006,316:525—537 Positive Solutions to the Singular Semi-positone Sturm-Liouville Boundary Value Problem MAO Jin—xiu ,ZHAO Zeng-qin ,XU Nai.wei。 (1-Department of Mathematics,Qufu Normal University,Qufu 273165; 2・Department of Foundation,Shandong Water Conservation Professional Institute,Rizhao 276826) Abstract:In this paper,we investigate boundary value problems of super・linear Sturm-Liouville diferential equations when the nonlinearity may change sign and may be singular at the endpoints. Existence of at least one positive solutions in a broader sense and the property of the positive solutions of singular semi—positone boundary value problems are obtained by using the fixed point index theory on a cone and the method of transformation.We consider the general form of differential equations and boundary conditions,SO the obtained results improve the existing conclusions. Keywords:singular semi・positone boundary value problem;cone;positive solution Received:27 Nov 2007. Accepted:14 Apr 2008. Foundation item:The National Natural Science Foundation of China(10871116);the Doctoral Program Foundation of Education Ministry of China(2O0804460001). 

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