考虑Emden-Fowler型半线性中立型泛函微分方程
的振动性问题, 其中$\alpha>0, y(t)=x(t)+p(t)x(\tau(t)), p(t)\in{C([t_0, \infty), {\Bbb R})}$.
如果不作说明, 本文总假设下列条件成立:
(H1)$-\mu\leq{p(t)}\leq{1}, \mu\in(0, 1)$;
(H2)$r(t)\in{C^{1}([t_0, \infty), {\Bbb R})}, r(t)>0, r'(t)\geq{0}, R(t)=\int_{t_0}^{t}r^{-\frac{1}{\alpha}}(s){\rm d}s, \pi(t)=\int_{t}^{\infty}r^{-\frac{1}{\alpha}}(s){\rm d}s$;
(H3)$\tau(t)\in{C^{1}([t_0, \infty), {\Bbb R})}, \tau(t)\leq{t}, \lim\limits_{{t}\rightarrow\infty}\tau(t)=\infty$;
(H4)$\sigma(t)\in{C^{1}([t_0, \infty), {\Bbb R})}, \sigma(t)>0, \sigma'(t)>0, \sigma(t)\leq{t}, \lim\limits_{{t}\rightarrow\infty}\sigma(t)=\infty$;
(H5)$f(t, x)\in{C([t_0, \infty)\times{{\Bbb R}}, {\Bbb R})}, $存在函数$q(t)\in{C([t_0, \infty), [0, \infty))}$和常数$\beta>0$使得
函数$x(t)\in{C^{1}([T_x, \infty), {\Bbb R})}, T_x\geq{t_0}$称为方程(1.1)的一个解, 如果它具有性质$r(t)|y'(t)|^{\alpha-1}$.$y'(t)\in{C^1}([T_x, \infty), {\Bbb R})$且在区间$[T_x, \infty)$上满足方程(1.1), 如通常一样, 方程(1.1)的一个解称为振动的.如果它有任意大的零点.否则称为非振动.方程(1.1)称为振动的, 如果它的一切解均为振动.
中立型泛函微分方程出现在高速计算机无损传输线路的网络设计中, 在自动控制理论、神经动力系统理论及电子网络等高新技术领域中有着广泛应用[20-21].半线性中立型时滞微分方程
与其相应的线性方程
具有许多相似的性质, 其中$y(t)=x(t)+p(t)x(\tau(t))$.近年来, 方程(1.2)及其相关方程的振动性研究取得了丰硕成果, 可以参看文献[1-10].
众所周知, Emden-Fowler方程
在核物理、天体物理及气体动力学等许多重要领域有应用.最近文献[14-15]考虑了中立型Emden-Fowler方程
其中$y(t)=x(t)+p(t)x(\tau(t))$, 分别给出了当$\int_{t_0}^{\infty}\frac{1}{r(t)}{\rm d}t=\infty$和$\int_{t_0}^{\infty}\frac{1}{r(t)}{\rm d}t<\infty$时方程(1.3)的振动准则, 同类的工作可以参看文献[11-13, 16-19]及其参考文献.但是, 我们看到方程(1.2)当$\alpha=1$时不等于方程(1.3).因此, 这两类方程的振动结果不能通用.然而, 方程(1.1)在$\alpha=\beta$时包含了方程(1.2);在$\alpha=1$时包含了方程(1.3).
本文目的是建立广义中立型Emden-Fowler方程(1.1)的若干新的振动准则.在第二节中考虑$0\leq{p(t)}\leq1$的情况, 当$\int_{t_0}^{\infty}r^{-\frac{1}{\alpha}}(t){\rm d}t=\infty$时, 新的振动准则推广和改进了文献[3, 8, 11, 14, 17, 19]的结果.当$\int_{t_0}^{\infty}r^{-\frac{1}{\alpha}}(t){\rm d}t<\infty$时, 我们的结果推广和改进了文献[15]和[19]的结果.在第三节中考虑$-\mu\leq{p(t)}\leq{0}$的情况, 所得准则推广和改进了韩振来等在文献[4]中建立的最新结果.
在下面出现的函数不等式中, 如不作特别说明, 我们总假设它对一切充分大的t成立.
定理2.1 设
且存在函数$\rho(t)\in{C^{1}([t_0, \infty), (0, \infty))}$和任意常数K>0, 使得
其中
则方程(1.1)振动.
证 设方程(1.1)有非振动解x(t), 不失一般, 我们设x(t)>0, 故由$(H_5)$我们得到
因此, $r(t)|y'(t)|^{\alpha-1}y'(t)$是减函数, 存在两种情况, 即$y'(t)>0$和$y'(t)<0$, 类似于文献[19, 定理2.1]的证明, 由条件(2.1)知$y'(t)<0$是不可能的, 故我们有
由(2.7)式得
联合(2.6)-(2.8)式可得
其中Q(t)由(2.3)式定义.
注意到$r^{\frac{1}{\alpha}}(t)y'(t)$非增, 我们有
即
另一方面,
易知, 存在常数$L_1\in(0, 1)$使得
因此, 记$L=\frac{r^{\frac{1}{\alpha}}(T)y'(T)}{L_1}$, 我们有
定义
利用(2.9)和(2.10)式, 我们有
注意到(2.7)式, 当$\beta>{\alpha}$时, 我们有
利用(2.11)式, 当$\alpha>\beta$时, 有
联合(2.13)-(2.15)式, 可得
其中c由(2.5)式定义, 对(2.16)式积分有
在上式中, 令$t\rightarrow{\infty}$, 注意到(2.2)式, 我们得到$\lim\limits_{t\rightarrow{\infty}}w(t)=-\infty$.这与(2.12)式矛盾.定理2.1证毕.
推论1(Leighton型振动准则) 设$\alpha>0, \beta>0$且
证 只须在定理2.1中令$\rho(t)=1$.
推论1是Leighton振动准则对方程(1.1)的推广.
例2.1 考虑中立型时滞方程
这里$r(t)=1, Q(t)=q(t)[1-p(\sigma(t))]^{\beta}=1$, 易知推论1的条件成立, 故方程(2.17)对任意$\alpha>0, \beta>0$都是振动.方程(2.17)即为文献[19]中的例3.1.文献[19]中的定理2.1要求当$\alpha>\beta>1$时, 方程(2.17)才振动.
利用推论1也能判定文献[19]中的方程(3.2)的振动性, 而文献[19]中的定理2.2要求$\alpha>\beta>1$才能确定其振动, 因此, 我们的推论1推广和改进了文献[19]的此两定理.
例2.2 考虑中立型Emden-Fowler方程
其中$\alpha>0, \beta>0, y(t)=x(t)+\frac{1}{2}x(t-1)$, 此时
其中$d=1+\frac{1}{\alpha}+\frac{1}{\beta}$, 因此, 存在T_1>T, 使得
故有
对于条件(2.2), 取$\rho(t)=t, $则$\int_{t_0}^{\infty}\rho(t)Q(t){\rm d}t=\infty$且
因此, 对任意$\alpha>0, \beta>0$时, 方程(2.18)振动.
定理2.2 设(2.1)式成立, 存在函数$\rho(t)\in{C^{1}([t_0, \infty), (0, \infty))}$和任意常数K>0, 使得
其中Q(t)由(2.3)式定义且$Q_{K}(t)=K^{c}Q(t)$, c由(2.5)式定义, $\theta(t)=\left\{\begin{array}{ll} \sigma(t), \quad &\beta\geq\alpha, \\ t, \qquad &\alpha>\beta, \end{array}\right.$则方程(1.1)振动.
证 设方程(1.1)有非振动解x(t), 不失一般性, 可设x(t)>0对于x(t) < 0的情况可以类似地证明.如同定理2.1的证明中一样, 我们有(2.7), (2.8)和(2.9)式成立.
定义函数w(t)同(2.12)式, 我们有
注意到$r^{\frac{1}{\alpha}}(t)y'(t)$是减函数, 利用不等式$y'(\sigma(t))\geq{y'(t)(\frac{r(t)}{r(\sigma(t))})^{\frac{1}{\alpha}}}, $由(2.20)式, 我们得到
因$y'(t)>0, y(t)$为增函数, 故当${\beta}\geq{\alpha}$时, $[y(\sigma(t))]^{\frac{\beta}{\alpha}-1}\geq{k_1}>0$为常数, 则
对于${\alpha}>{\beta}$情况, 由$r'(t)\geq0$和$(r(t)(y'(t))^{\alpha})'\leq0.$我们得到$y''(t)\leq0, $故$y'(t)$为减函数, 由(2.20)式可得
其中k_2>0为常数.联合(2.22)和(2.23)式, 我们有
其中$c=\min \{ \alpha, \beta \}, K=\left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {1, \qquad }&{\alpha=\beta, }\\ {正常数\quad }&{\alpha \ne \beta, } \end{array}} \right.\theta(t)=\left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {\sigma(t), \quad }&{\beta \ge \alpha, }\\ {t, \qquad }&{\alpha >\beta.} \end{array}} \right.$
对(2.24)式利用不等式
则(2.24)式成为
对(2.25)式积分, 有
在上式中, 令$t\rightarrow\infty$, 由(2.19)式, 我们有$\lim\limits_{t\rightarrow\infty}w(t)=-\infty, $此与$w(t)>0$矛盾.定理2.2证毕.
注1 前面的推论1也是本定理取$\rho(t)=1$时的特例, 文献[8]考虑的方程是方程(1.1)中$\alpha=\beta$且$p(t)=0$时的特例, 而文献[8]的定理是定理2.2中取$\rho(t)=R^{\alpha}(\sigma(t))$时的特例.
例2.3 考虑方程
其中$\alpha>0, \beta>0, y(t)=x(t)+\frac{1}{2}x(t-1), \mu\in(0, 1).$此时$Q(t)=\frac{1}{2^{\beta}t(\ln{t})^{c+1}}, $取$\rho(t)=(\ln{t})^c.$则$\rho'(t)=\frac{c}{t}(\ln{t})^{c-1}$, 我们有
因此条件(2.19)成立.故对任意$\alpha>0, \beta>0, $方程(2.26)振动.但是方程(2.26)不满足条件(2.2).故定理2.1不适用, 即定理2.2改进了定理2.1.
现考虑当条件(2.1)不成立时, 我们给出下面的定理.
定理2.3 设
若(2.19)式成立, 且
其中$\pi(t)$由$(H_2)$定义, $\lambda=\max\{\alpha, \beta\}, L=\frac{\lambda^{2\lambda+1}}{(\lambda+1)^{\lambda+1}}, Q_{m}(t)=m^{\lambda}Q_{1}(t), Q_{1}(t)$由(2.32)式定义.m由(2.37)式定义, 则方程(1.1)振动.
证 设方程(1.1)有非振动解$x(t)$, 不失一般, 可设$x(t)>0, $当$x(t)<0$时可以用类似的方法证明.由方程(1.1)和假设$(H_5)$, 我们有
故$r(t)|y'(t)|^{\alpha-1}y'(t)$非增.因此, 存在两种情况: $y'(t)>0$和$y'(t)<0.$
因(2.19)式成立, 由定理2.2的证明知$y'(t)>0$不可能.即我们有
注意到(2.27)式和等式
我们得到$x'(t)<0$, 于是
联合(2.27)和(2.30)式, 我们有
由(2.29)和(2.31)式, 由方程(1.1)可得
其中$Q_{1}(t)=q(t)(1-p(t))^{\beta}.$
定义函数
则u(t)>0且
注意到(2.29)式, 当$\alpha>\beta$时, 我们有
其中$m_1=[y(T)]^{\frac{\beta-\alpha}{\alpha}}.$
另一方面, 注意到$r'(t)\geq{0}$和$(r(t)(-y'(t))^{\alpha})'>0$, 因此, $y'(t)<0, $当$\beta>\alpha$时, 我们有
其中$m_2=[-y'(T)]^{\frac{\beta-\alpha}{\beta}}.$
联合(2.35)和(2.36)式, 我们得到
其中$Q_{1}(t)$由(2.32)式定义, $\lambda=\max\{\alpha, \beta\}, m=\left\{\begin{array}{ll} \alpha, \qquad &\alpha=\beta, \\ \mbox{正常数}, \quad &\alpha\neq\beta.\end{array}\right.$下面证明:存在常数l>0, 使得
事实上, 因$r^{\frac{1}{\alpha}}(t)(-y'(t))$是增函数, 我们有
对上式从t到$\infty$积分产生
因此
由(2.39)式, 有
利用(2.33)式, 我们得到
由(2.29)式, 当$\alpha>\beta$时, 我们有
其中$l_1=[y(T)]^{\alpha-\beta}.$由(2.39)式可得
即有
因此, 当$\beta>\alpha$时有
其中$l_2=[r^{\frac{1}{\alpha}}(T)(-y'(T))]^{\alpha-\beta}.$
取$l=l_1+l_2, $由(2.40)和(2.41)式, 我们得到(2.38)式.
下面用$\pi^{\lambda}(t)$乘不等式(2.37)式产生
利用不等式
我们有
注意到(2.38)式, 将(2.43)式代入(2.42)式, 我们得到
或者
其中$L=\frac{\lambda^{2\lambda+1}}{(\lambda+1)^{\lambda+1}}, Q_{m}(s)=m^{\lambda}Q_{1}(s).$在上式中, 令$t\rightarrow\infty$我们看到(2.44)式与(2.28)式矛盾, 定理2.3证毕.
注2 最近, 文献[15]仅考虑方程(1.1)当$\alpha=1$时的情况.文献[19]仅考虑当$\alpha\geq\beta$的情况, 而且只得到方程(1.1)的振动或者趋向于零.我们的定理2.3的结果对任意的$\alpha>0, \beta>0$均成立.
例2.4 考虑方程
此时$r(t)=t^{2\alpha}, \pi(t)=\frac{1}{t}, $其中$y(t)=x(t)+\frac{1}{3}x(t-1), $则(2.27)式满足$Q_{1}(t)=q(t)(1-p(t))^{\beta}=(\frac{2}{3})^{\beta}t^{1+\lambda}{\rm e}^{t}.$
另一方面, 在(2.19)式中取$\rho(t)=1, $显然, (2.19)式成立.因此, 对任意$\alpha>0, \beta>0$成立, 由定理2.3知方程(2.45)振动.
引理3.1 设(2.1)式成立, x(t)是方程(1.1)的最终正解.则存在$t_1\geq{t_0}$使得
或者$\lim\limits_{t\rightarrow\infty}x(t)=0.$
证 设x(t)是方程(1.1)的最终正解, 由$H_5$, 我们有
因此$r(t)|y'(t)|^{\alpha-1}y'(t)$是减函数且最终定号.即有$y'(t)$最终定号且y(t)最终定号.于是y(t)只有两种可能情况:y(t)>0和y(t) < 0.
(ⅰ)若y(t)>0, 则我们断言y'(t)>0, 事实上, 如果y'(t) < 0.则方程(1.1)成为
对上式积分产生
令$t\rightarrow\infty$, 由(2.1)式我们得到$\lim\limits_{t\rightarrow\infty}y(t)=-\infty.$此与$y(t)>0$矛盾.因此, $y'(t)>0, $即(3.1)式成立.
(ⅱ)若y(t) < 0.则x(t)有两种可能:x(t)有界或者x(t)无界.
如果x(t)无界, 则存在序列$\{t_n\}, t_n\geq{T}, \lim\limits_{n\rightarrow\infty}t_n=\infty.$
令
因y(t) < 0, 我们有
故x(t)是减函数.注意到
此矛盾说明x(t)有界.因此, 根据有界性, 可得
因此, $\lim\limits_{t\rightarrow\infty}x(t)=0.$引理3.1证毕.
引理3.2 设(2.1)式成立, 且
若x(t)是方程(1.1)最终正解使得(3.1)式成立, 则存在$T\geq{t_0}$使得
且$\frac{y(t)}{t}$是严格的减函数.
证 引理3.2的证明类似于文献[4, 引理2.2], 我们省略.
定理3.1 设(2.1)和(3.3)式成立, 存在$\rho(t)\in{C^1}([t_0, \infty), (0, \infty))$使得
则方程(1.1)的每一解x(t)振动或$\lim\limits_{t\rightarrow\infty}x(t)=0.$
证 设x(t)是方程(1.1)的非振动解, 不失一般性, 设x(t)最终为正, 由引理3.1知存在$t_1\geq{t_0}$使得(3.1)式成立或$\lim\limits_{t\rightarrow\infty}x(t)=0.$
现设(3.1)成立.定义函数
则$w(t)>0.$注意到(3.2)式, 我们有
故当$\beta\geq\alpha$时, 我们得到
其中$m_1=[y(t_1)]^{\frac{\beta-\alpha}{\alpha}}.$
注意到$r'(t)\geq{0}$和$(r(t)(y'(t))^{\alpha})'\leq{0}.$故$y''(t)\leq{0}.$
因此, 当$\alpha>\beta$时, 我们有
其中$m_2=[\frac{1}{y'(t_1)}]^{\frac{\alpha-\beta}{\beta}}.$
由引理3.2, 我们得到$\frac{y(\sigma(t))}{y(t)}\geq\frac{\sigma(t)}{t}.$由(3.7)和(3.8)式可得
其中$c=\min\{\alpha, \beta\}, m=\left\{\begin{array}{ll} 1, \qquad&\alpha=\beta, \\ \mbox{正常数}, \quad &\alpha\neq\beta. \end{array}\right.$
在(3.9)式中利用不等式(2.42)', 我们有
对(3.10)式积分得
令$t\rightarrow\infty, $由(3.5)式得$\lim\limits_{t\rightarrow\infty}w(t)=-\infty.$此与$w(t)>0$矛盾.定理3.1证毕.
例3.1 考虑方程
其中$y(t)=x(t)-\frac{1}{3}x(t-1).$
其中取$\rho(t)=t^{\beta}$, 则
由定理3.1知方程(3.11)振动或者趋向于零.
定理3.2 设(2.1)和(3.3)式成立, 存在$\varphi(t)\in{C^1}([t_0, \infty), (0, \infty))$和常数m>0使得
则方程(1.1)的解x(t)振动或者$\lim\limits_{t\rightarrow\infty}x(t)=0.$
证 设x(t)是方程(1.1)的非振动解, 不失一般性, 可设x(t)最终为正, 由引理3.1知存在$t_1\geq{t_0}$使得(3.1)式成立或者$\lim\limits_{t\rightarrow\infty}x(t)=0.$现设(3.1)式成立.
则$u(t)>0.$
利用(3.9)式中取$\rho(t)=1.$我们得到
其中$c=\min\{\alpha, \beta\}, m=\left\{\begin{array}{ll} 1, \qquad &\alpha=\beta, \\ \mbox{正常数}, \quad &\alpha\neq\beta.\end{array}\right.$(3.14)式即为
记$u_m(t)=m^{\frac{c}{c+1}}u(t), $则
利用Young不等式
其中$a>0, b>0, \frac{1}{p}+\frac{1}{q}=1.$
令$p=c+1, q=\frac{c+1}{c}, c>0.$则(3.15)式成为
在(3.16)式中令$a=\varphi(t), b=u_{m}(t)$则
积分得
上式与条件(3.12)矛盾.故(3.1)式不成立.则$\lim\limits_{t\rightarrow\infty}x(t)=0.$定理3.2证毕.
例3.2 考虑方程
由定理3.2知方程(3.17)的解振动或者$\lim\limits_{t\rightarrow\infty}x(t)=0.$
注3 本文中定理对任意$\alpha>0, \beta>0$适用, 文献[1-19]中的定理均不能适用于本文的例子.