著名的 Gronwall-Bellman不等式[1, 2]可以表述如下
其中 c≥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 N0:={0,1,2,⋯},N:={1,2,⋯}, Nln0={n0,n0+1,n0+2,⋯,l} (n0∈N0, l∈N). 函数 u(n)的差分定义为 Δu=u(n+1)−u(n). 显然,具有初始条件u(n0)=0的线性差分方程 △ u(n)=b(n) 有 u(n)=n−1∑s=n0b(s). 为方便起见,我们补充定义 n0−1∑s=n0b(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ϕi(u) 和 φ(u)定义一个函数列 {wi(u)},递归定义如下
显然,函数列 {wi(u)} 由非负递减函数组成,且满足 wi(u)≥ϕi(φ−1(u)),i=1,⋯,k. 此外函数列 {wi(u)}还满足比值 wi+1(u)/wi(u),i=1,⋯,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 ui>0,我们用(2.1)式中的函数wi定义函数Wi
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Wi(u) 表示Wi(u,ui). W−1i 表示Wi(u)的逆函数. 根据文献[3]中注释2,在函数 Wi中选择不同的ui 不会影响我们的结果. 利用(1.5)式中的函数hij,fi,j,我们定义函数 hj,fj 如下
其中 t0=n. 显然,h1,h2,⋯,hk,f1,f2,⋯,fk−1 关于第一个变量都是单调不减的. 利用函数 hj,fj, 我们定义新的函数 {Hi(n)} (i=1,2,⋯,k)
定义函数
定理2.1 假设 φ 是严格单调递增函数,hk(n,m),fi(n,m),hi(n,m)∈C(NNn0×NNn0,R+), (i=1,⋯,k−1),a(n)∈C(NNn0,R+) 是非减的, 所有的 ϕi 都是连续函数,且对 u>0,有ϕi(u)>0 (i=1,⋯,n), Wi 由(2.3)式定义,且满足 Wi(+∞)=+∞,i=1,2,⋯,n. 假设(2.6) 式中定义的函数 G(ξ) 是单调递增的且 G(ξ)=0 有解 ξ=c>a(N). 则 不等式 (1.5) 中的未知函数u(n)有估计式
其中 W−1i(i=1,2,⋯,n) 是 Wi的逆函数.
证 利用(2.1) 和 (2.4)式,由 (1.5)式得到
对任意 n∈NN1n0成立,其中N1≤N ,N1 是任意的.
用 z1(n) 表示不等式(2.8)中右端,显然它是 NN1n0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w1 及 z1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 ∀n∈NN1n0成立,其中 W1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=n0,n1,n2,⋯,n−1,然后把所得式子相加,我们有
令 z2(n)表示不等式(2.15)的右端,则它在 NN1n0上是非负不减的函数. (2.15) 式等价于
由 z2的定义,利用差分公式及 (2.16) 式 我们有
利用 函数wi/w1 (i=2,⋯,k),W−11和 z2 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 W2 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∈NN1n0成立,其中 Wk−2 由 (2.3)式定义. 令 zk−1(n)为不等式 (2.21)中右端的函数,则它在 NN1n0上是非负不减的. (2.21) 式等价于
由zk−1的定义,利用差分公式及 (2.22)式我们有
对所有 n∈NN1n0成立. 从(2.24)式我们推出
对所有 n∈NN1n0成立,这里利用了函数 zk−1,W−11,⋯,W−1k−2 及 wk−2/wk−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∈NN1n0成立.
令 zk(n) 为不等式 (2.26)右边的函数,则它在 NN1n0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∈NN1n0成立. 由 (2.29)式我们有
对所有的 n∈NN1n0.
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∈NN1n0成立. 将 (2.17),(2.23)式及 (2.28) 式带入 (2.32) 式,我们有
因为 N1 是任意选取的,我们有
由 z1 的定义及 (2.10)式我们推出
因为 N1 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 Wi,i=1,2 由 (2.3)式定义.
推论2.1 假设(1.5)式中 k=2,φ,a,f1,hi,ϕi,Wi,i=1,2的定义同定理 2.1一样. 假设函数 E(ξ) 是递增的且 当ξ>k时方程E(ξ)=0有一个解 ξ=c . 如果 u(n) 满足 (1.5)式,则
其中 W−1i (i=1,2) 是 Wi的逆函数.
注 如果 在推论2.1中ϕ1=ϕ2, 则推论 2.1 的结果就是文献[4]的定理 2.1′. 因为如果 ϕ1=ϕ2,则
由(2.40)式推出 u(n)≤W−11{W1(c)+H1(n)+H2(n)} 对所有的 t∈NNn0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F1,F2 满足条件
其中 f1(n,s),h1(n,s),h2(n,s)的定义和推论 2.1相同. 假设 p1,p2 是常数且 $0
其中
u1,u2 是非负常数,W−11 ,W−12 分别是 W1和 W2的逆函数, c 是下面方程的一个解
证 由定理 2.1中函数 Wi 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(|x0|)<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>|x0|. 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.