著名的 Gronwall-Bellman不等式[1, 2]可以表述如下
其中 $c\ge 0$ 为常数,$f$ 是非负连续函数, $u$ 是未知函数. 该不等式广泛应用于微分方程和差分方程解的存在性、唯一性、有界性、振动性、稳定性 及不变流型等性质的研究. Gronwall-Bellman型不等式的推广形式很多, 参见文献 [2, 3, 4, 5, 6, 7, 8]及其中参考文献.
2008年马庆华 和 Pečarić[4]讨论了下面的 Volterra-Fredholm 型积分不等式
2011年 Abdeldaim 等[6]研究了如下的多重积分不等式
另一方面,随着积分不等式理论及差分方程理论的发展,许多学者更关注 Gronwall-Bellman 型不等式的离散形式,见参考文献[9, 10, 11, 12, 13, 14, 15].
Pachpatte 在文献[11] 中研究了线性迭代不等式
作者受文献[4, 6, 11]的启发, 研究了一种新的具有多重和的非线性 Volterra-Fredholm 型差分不等式
其中 $N$ 是正的自然数.
文中,令 ${\mathbb N}_0:=\{0,1,2,\cdots\}$,${\mathbb N}:=\{1,2,\cdots\}$, ${\mathbb N}_{n_0}^{l}=\{n_0,n_0+1,n_0+2,\cdots,l\} $ $(n_0\in{\mathbb N}_0,$ $l\in{\mathbb N})$. 函数 $u(n)$的差分定义为 $\Delta u=u(n+1)-u(n)$. 显然,具有初始条件$u(n_0)=0$的线性差分方程 $\bigtriangleup~ u(n)=b(n)$ 有 $u(n)=\sum\limits_{s=n_0}^{n-1} b(s)$. 为方便起见,我们补充定义 $\sum\limits_{s=n_0}^{n_0-1} b(s)=0$.
为了简化证明过程的叙述,我们给出下面的记号.
我们用式(1.5)中的函数$\phi_i(u)$ 和 $\varphi(u)$定义一个函数列 $\{w_i(u)\}$,递归定义如下
显然,函数列 $\{w_i(u)\}$ 由非负递减函数组成,且满足 $w_i(u)\ge \phi_i(\varphi^{-1}(u)),i=1,\cdots,k$. 此外函数列 $\{w_i(u)\}$还满足比值 ${w_{i+1}(u)}/{w_i(u)}$,$i=1,\cdots,k-1$也都是不减的函数. 文献 [17]中把这种函数单调性的比较记作
对于给定的常数 $u_i>0$,我们用(2.1)式中的函数$w_i$定义函数$W_i$
显然,这些函数都是严格的递增函数. 在不至于产生歧义的情况下, 用简单的记号$W_i(u)$ 表示$W_i(u,u_i)$. $W_i^{-1}$ 表示$W_i(u)$的逆函数. 根据文献[3]中注释2,在函数 $W_i$中选择不同的$u_i$ 不会影响我们的结果. 利用(1.5)式中的函数$h_{ij},f_{i,j}$,我们定义函数 $h_j,f_j$ 如下
其中 $t_0=n$. 显然,$h_1,h_2,\cdots,h_k,f_1,f_2,\cdots,f_{k-1}$ 关于第一个变量都是单调不减的. 利用函数 $h_j,f_j$, 我们定义新的函数 $\{H_i(n)\}~(i=1,2,\cdots,k)$
定义函数
定理2.1 假设 $\varphi$ 是严格单调递增函数,$h_k(n,m),f_i(n,m), h_i(n,m)\in C({\mathbb N}_{n_0}^{N}\times {\mathbb N}_{n_0}^{N},{\bf R_+}),$ $ (i=1,\cdots,k-1)$,$a(n)\in C({\mathbb N}_{n_0}^{N} ,{\bf R_+})$ 是非减的, 所有的 $\phi_i$ 都是连续函数,且对 $u>0$,有$\phi_i(u)>0$ $(i=1,\cdots,n)$, $W_i$ 由$(2.3)$式定义,且满足 $W_i(+\infty)=+\infty,i=1,2,\cdots,n$. 假设$(2.6)$ 式中定义的函数 $G(\xi)$ 是单调递增的且 $G(\xi)=0$ 有解 $\xi=c>a(N)$. 则 不等式 $(1.5)$ 中的未知函数$u(n)$有估计式
其中 $W_i^{-1}(i=1,2,\cdots,n)$ 是 $W_i$的逆函数.
证 利用(2.1) 和 (2.4)式,由 (1.5)式得到
对任意 $n\in{\mathbb N}_{n_0}^{N_1}$成立,其中$N_1\le N$ ,$N_1$ 是任意的.
用 $z_1(n)$ 表示不等式(2.8)中右端,显然它是 ${\mathbb N}_{n_0}^{N_1}$上非负不减的函数. (2.8) 式等价于
利用差分公式及 (2.9)式有
因为$w_1$ 及 $z_1$的单调性. 由(2.11)式推出
另一方面,由积分中值定理,对任意整数
对所有的 $\forall n\in{\mathbb N}_{n_0}^{N_1}$成立,其中 $W_1$由式 (2.3)定义. 由(2.12)式和 (2.13)式,推出
在 (2.14)式中令$n=s$ ,再分别令 $s=n_0,n_1,n_2,\cdots,n-1$,然后把所得式子相加,我们有
令 $z_2(n)$表示不等式(2.15)的右端,则它在 ${\mathbb N}_{n_0}^{N_1}$上是非负不减的函数. (2.15) 式等价于
由 $z_2$的定义,利用差分公式及 (2.16) 式 我们有
利用 函数$ w_i/w_1$ $(i=2,\cdots,k)$,$W_1^{-1}$和 $z_2$ 的单调性, 由(2.18)式可以推出
进行(2.13) 式及 (2.14)式的类似推导,由(2.19)式推出
这里函数 $W_2$ 由 (2.3)式定义. 重复 (2.16)式到 (2.20)式的类似推导,我们有
对所有的 $ n\in{\mathbb N}_{n_0}^{N_1}$成立,其中 $W_{k-2}$ 由 (2.3)式定义. 令 $z_{k-1}(n)$为不等式 (2.21)中右端的函数,则它在 ${\mathbb N}_{n_0}^{N_1}$上是非负不减的. (2.21) 式等价于
由$z_{k-1}$的定义,利用差分公式及 (2.22)式我们有
对所有 $ n\in{\mathbb N}_{n_0}^{N_1}$成立. 从(2.24)式我们推出
对所有 $ n\in{\mathbb N}_{n_0}^{N_1}$成立,这里利用了函数 $z_{k-1}, W_1^{-1},\cdots,W_{k-2}^{-1} $ 及 $ w_{k-2}/w_{k-1}$的单调性.
进行由(2.19)式推出(2.21)式的推导,由(2.25) 式推出
对所有的 $ n\in{\mathbb N}_{n_0}^{N_1}$成立.
令 $z_{k}(n)$ 为不等式 (2.26)右边的函数,则它在 ${\mathbb N}_{n_0}^{N_1}$上是非负不减的函数. (2.26)式等价于
利用差分公式及(2.27)式我们有
对所有的 $n\in{\mathbb N}_{n_0}^{N_1}$成立. 由 (2.29)式我们有
对所有的 $n\in{\mathbb N}_{n_0}^{N_1}$.
重复(2.14) 式及 (2.15)式类似的推导,我们有
从(2.16),(2.22),(2.27)式及 (2.31)式我们有
对所有的 $ n\in{\mathbb N}_{n_0}^{N_1}$成立. 将 (2.17),(2.23)式及 (2.28) 式带入 (2.32) 式,我们有
因为 $N_1$ 是任意选取的,我们有
由 $z_1$ 的定义及 (2.10)式我们推出
因为 $N_1$ 是任意选取的,从 (2.34) 式及 (2.35)式,我们推出
或者
从函数 $G$的定义,定理 2.1的假设 及(2.36)式,我们得出
其中$G$ 关于第一个变量是递增的,从最后的不等式及 (2.9) 式, 我们得到所求的估计 (2.7)式.
我们定义下面的函数
对所有的 $u> k$,其中 $W_i,i=1,2$ 由 (2.3)式定义.
推论2.1 假设$(1.5)$式中 $k=2$,$\varphi,a,f_1,h_i,\phi_i,W_i,i=1,2$的定义同定理 $2.1$一样. 假设函数 $E(\xi)$ 是递增的且 当$\xi>k$时方程$E(\xi)=0$有一个解 $\xi=c$ . 如果 $u(n)$ 满足 (1.5)式,则
其中 $W_i^{-1}~(i=1,2)$ 是 $W_i$的逆函数.
注 如果 在推论2.1中$\phi_1=\phi_2$, 则推论 2.1 的结果就是文献[4]的定理 2.1$'$. 因为如果 $\phi_1=\phi_2$,则
由(2.40)式推出 $u(n)\le W_1^{-1}\big\{W_1(c) +H_1(n)+H_2(n)\big\}$ 对所有的 $t\in {\mathbb N}_{n_0}^{N}$成立.
最后,我们用推论2.1中的结果来研究 Volterra-Fredholm 差分方程
式中
下面我们研究方程(3.1)解的界.
推论3.1 假设 $(3.1)$式及 $(3.2)$ 式中的$F_1,F_2$ 满足条件
其中 $f_1(n,s),h_1(n,s),h_2(n,s)$的定义和推论 2.1相同. 假设 $p_1,p_2$ 是常数且 $0 $\begin{align} & |x(n)|\le W_{1}^{-1}\{W_{2}^{-1}[{{W}_{2}}[{{W}_{1}}(c)+\sum\limits_{n={{n}_{0}}}^{n-1}{{{h}_{1}}}(n,s){{f}_{1}}(n,s)] \\ & \ \ \ \ \ +\sum\limits_{n={{n}_{0}}}^{n-1}{{{h}_{1}}}(n,s)[\sum\limits_{n={{n}_{0}}}^{s-1}{{{h}_{2}}}(s,\tau )]]\},~~\forall n\in \mathbb{N}_{{{n}_{0}}}^{N},\\ \end{align}$ (3.5) 其中 $\begin{equation}\label{widef1} W_1(u)=\frac{u^{1-p_1}}{1-p_1}-\frac{u_1^{1-p_1}}{1-p_1}, \end{equation}$ (3.6) $\begin{equation} \label{widef2} W_1^{-1}(u)=\Big((1-p_1)u+u_1^{1-p_1}\Big)^{\frac{1}{1-p_1}}, \end{equation}$ (3.7) $ \begin{equation} \label{widef3} W_2(u)=\frac{1-p_1}{1-p_2}\Big((1-p_1)u+u_1^{1-p_1}\Big)^{\frac{1-p_2}{1-p_1}}-\frac{1-p_1}{1-p_2}\Big((1-p_1)u_2+u_1^{1-p_1}\Big)^{\frac{1-p_2}{1-p_1}}, \end{equation}$ (3.8) $\begin{equation} \label{widef4} W_2^{-1}(u)=\frac{1}{1-p_1}\Big\{\Big[\frac{1-p_2}{1-p_1}u+\frac{1-p_1}{1-p_2}\Big((1-p_1)u_2+u_1^{1-p_1}\Big)^{\frac{1-p_2}{1-p_1}}\Big]^{\frac{1-p_1}{1-p_2}}+u_1^{1-p_1}\Big\}, \end{equation}$ (3.9) $u_1,u_2$ 是非负常数,$ W_1^{-1}$ ,$W_2^{-1}$ 分别是 $W_1$和 $W_2$的逆函数, $c$ 是下面方程的一个解 $ \begin{align} & {{W}_{2}}[{{W}_{1}}(2u-|{{x}_{0}}|)]-{{W}_{2}}[{{W}_{1}}(u)+\sum\limits_{s={{n}_{0}}}^{N-1}{{{h}_{1}}}(N,s){{f}_{1}}(N,s)] \\ & =\sum\limits_{s={{n}_{0}}}^{N-1}{{{h}_{1}}}(N,s)[\sum\limits_{\tau ={{n}_{0}}}^{s-1}{{{h}_{2}}}(s,\tau )].~~ \\ \end{align}$ (3.10) 证 由定理 2.1中函数 $W_i$ 的定义,我们推出 $\begin{equation} W_1(u,u_1):=\int^{u}_{u_1} \frac{{\rm d}s}{s^{p_1}}, W_2(u,u_2):=\int^{u}_{u_2} \frac{(W^{-1}(s))^{p_1}{\rm d}s}{(W^{-1}(s))^{p_2}}. \label{w1def} \end{equation}$ (3.11) 由(3.11)式,我们得到 (3.6),(3.7),(3.8) 式及 (3.9)式. 我们令 $\begin{align} & E(u):={{W}_{2}}[{{W}_{1}}(2u-|{{x}_{0}}|)]-{{W}_{2}}[{{W}_{1}}(u)+\sum\limits_{s={{n}_{0}}}^{N-1}{{{h}_{1}}}(N,s){{f}_{1}}(N,s)] \\ & \ \ \ \ \ \ \ -\sum\limits_{s={{n}_{0}}}^{N-1}{{{h}_{1}}}(N,s)[\sum\limits_{\tau ={{n}_{0}}}^{s-1}{{{h}_{2}}}(s,\tau )]. \\ \end{align}$ (3.12) 从(3.6),(3.8) 式及(3.12)式,以及 $E(|x_0|)<0$. 由(3.12)式,我们推出 $\begin{equation}\label{Edfinp1} ~~E'(u):= 2 W_2'\Big[W_1(2u-|x_0|)\Big]W_1'(2u-|x_0|)-W_2'\Big[W_1(u) + \sum^{N-1}_{s=n_0}h_1(N,s)f_1(N,s)\Big]W_1'(u) .~~ \end{equation}$ (3.13) 从(3.6)式 及 (3.8)式,我们推出 $\begin{align} & \ \ \ 2{{W}_{{{2}'}}}[{{W}_{1}}(2u-|{{x}_{0}}|)]{{W}_{{{1}'}}}(2u-|{{x}_{0}}|) \\ & =2{{((1-{{p}_{1}})(\frac{{{(2u-|{{x}_{0}}|)}^{1-{{p}_{1}}}}}{1-{{p}_{1}}}-\frac{u_{1}^{1-{{p}_{1}}}}{1-{{p}_{1}}})+u_{1}^{1-{{p}_{1}}})}^{\frac{{{p}_{1}}-{{p}_{2}}}{1-{{p}_{1}}}}}{{(2u-|{{x}_{0}}|)}^{-{{p}_{1}}}} \\ & =2{{(2u-|{{x}_{0}}|)}^{{{p}_{1}}-{{p}_{2}}}}{{(2u-|{{x}_{0}}|)}^{-{{p}_{1}}}}\ge 2{{(2u)}^{{{p}_{1}}-{{p}_{2}}}}{{(2u)}^{-{{p}_{1}}}}\ge {{u}^{{{p}_{1}}-{{p}_{2}}}}{{u}^{-{{p}_{1}}}} \\ & ={{W}_{{{2}'}}}[{{W}_{1}}(u)]{{W}_{{{1}'}}}(u)>{{W}_{{{2}'}}}[{{W}_{1}}(u)+\sum\limits_{s={{n}_{0}}}^{N-1}{{{h}_{1}}}(N,s){{f}_{1}}(N,s)]{{W}_{{{1}'}}}(u),~~\forall u>|{{x}_{0}}|. \\ \end{align}$ (3.14) 由(3.13)式及 (3.14)式,以及 $E(u)$ 是单调递增的且方程 $E(n)=0$有一个解 $c$ 满足$u>|x_0|$. 利用(3.2),(3.3) 式及 (3.4)式的条件,从(3.1)式 我们推出 $\begin{align} & |x(n)|\le |{{x}_{0}}|+\sum\limits_{s={{n}_{0}}}^{N-1}{|}G(n,s,x(s),\sum\limits_{\tau ={{n}_{0}}}^{s-1}{{{F}_{2}}}(s,\tau ,x(\tau )))| \\ & \ \ \ \ \ \ \ \ \ \le |{{x}_{0}}|+\sum\limits_{s={{n}_{0}}}^{n-1}{{{F}_{1}}}(n,s,x(s),\sum\limits_{\tau ={{n}_{0}}}^{s-1}{{{F}_{2}}}(s,\tau ,x(\tau ))) \\ & \ \ \ \ \ \ +\sum\limits_{s={{n}_{0}}}^{N-1}{{{F}_{1}}}(n,s,x(s),\sum\limits_{\tau ={{n}_{0}}}^{s-1}{{{F}_{2}}}(s,\tau ,x(\tau ))) \\ & \ \ \ \ \ \ \le |{{x}_{0}}|+\sum\limits_{s={{n}_{0}}}^{n-1}{{{h}_{1}}}(n,s)[{{f}_{1}}(n,s)|x(s){{|}^{{{p}_{1}}}}+\sum\limits_{\tau ={{n}_{0}}}^{s-1}{{{h}_{2}}}(s,\tau )|x(\tau ){{|}^{{{p}_{2}}}}] \\ & \ \ \ \ \ \ +\sum\limits_{s={{n}_{0}}}^{N-1}{{{h}_{1}}}(n,s)[{{f}_{1}}(n,s)|x(s){{|}^{{{p}_{1}}}}+\sum\limits_{\tau ={{n}_{0}}}^{s-1}{{{h}_{2}}}(s,\tau )|x(\tau ){{|}^{{{p}_{2}}}}],~\forall n\in \mathbb{N}_{{{n}_{0}}}^{N}. \\ \end{align}$ (3.15) 利用推论2.1的结果,由上式我们就可以得到所求的估计 (3.5)式.
其中
$u_1,u_2$ 是非负常数,$ W_1^{-1}$ ,$W_2^{-1}$ 分别是 $W_1$和 $W_2$的逆函数, $c$ 是下面方程的一个解
证 由定理 2.1中函数 $W_i$ 的定义,我们推出
由(3.11)式,我们得到 (3.6),(3.7),(3.8) 式及 (3.9)式. 我们令
从(3.6),(3.8) 式及(3.12)式,以及 $E(|x_0|)<0$. 由(3.12)式,我们推出
从(3.6)式 及 (3.8)式,我们推出
由(3.13)式及 (3.14)式,以及 $E(u)$ 是单调递增的且方程 $E(n)=0$有一个解 $c$ 满足$u>|x_0|$. 利用(3.2),(3.3) 式及 (3.4)式的条件,从(3.1)式 我们推出
利用推论2.1的结果,由上式我们就可以得到所求的估计 (3.5)式.