分数阶微积分应用广泛, 例如力学和电特性刻画、地震分析、材料的记忆性、电路、电解化学等, 参见文献[1-2].近年来, 分数阶微分方程得到迅速发展, 参见文献[3-12].
在左右分数阶导数$^{c}\!D_{a^+}^{\alpha}x$和$^{c}\!D_{b^-}^{\alpha}x$中, $a, b$分别被称为左右基点, 统称为分数阶导数的基点.含有至少两个基点的分数阶微分方程被称为多基点分数阶微分方程, 而只含有一个基点的分数阶微分方程被称为单基点分数阶微分方程, 参见文献[10].在本文中, 我们研究下面的非线性多基点分数阶微分方程的脉冲边值问题
其中$\alpha\in (1, 2)$, $\beta, \gamma, \alpha-\beta\in (0, 1)$, $\alpha-\gamma\in (1, \, 2)$, $q:(0, \, \infty)\rightarrow {\Bbb R}$满足:存在$l\in(-\frac{\gamma}{2}, \, 0]$使得对$t\in (0, \, 1]$有$|q(t)|\leq t^l$, $q$在$t=0$处可以是奇异的. $^{c}\!D_{*}$表示基点$t=t_k(k=0, 1, \cdots, m)$处的Caputo分数阶导数, 即对$t\in (t_k, \, t_{k+1}]$有$^{c}\!D_{*}^{\alpha}|_{(t_k, \, t_{k+1}]} x(t)=^{c}\!\!D_{t_k^+}^{\alpha}x(t)$.脉冲时刻$\{t_k\}$满足$0=t_0 < t_1 < \cdots < t_m < t_{m+1}=1$, $\Delta x(t_k)$表示函数$x$在$t_k$处的跳跃, 定义为$\Delta x(t_k) = x(t_k^+)- x(t_k^-)$, 其中$x(t_k^+), \, x(t_k^-)$分别表示$x(t)$在$t=t_k$处的右极限和左极限, $I_k, \tilde{I}_k, c, d$均为常数, $I_k, \tilde{I}_k$表示跳跃度.
近期一些学者研究了具有Caputo分数阶导数的脉冲微分方程的边值问题, 参见文献[4, 8-9, 12-17].他们研究了方程
在不同脉冲和边值条件下解的存在性.在本文中, 我们将在$g$较弱的假设下给出引理3.1-3.4的详细证明.据我们所知, 关于具有脉冲和边值条件的$\alpha(\in(1, 2))$阶多基点分数微分方程(1.1)-(1.3)解的存在性的研究尚属少见.
本文结构安排如下:第二节, 回顾绝对连续、分数阶积分、分数阶导数的相关概念, 并给出一些性质; 第三节, 给出解的定义; 第四节, 证明解的存在性; 第五节, 给出三个例子说明主要结果的应用.
$[a, b]$上的绝对连续函数构成的空间记作$AC([a, b], \, {\Bbb R})$, 满足$f \in C^{n-1}([a, b], \, {\Bbb R})$和$f^{(n-1)} \in AC([a, b], \, {\Bbb R})$的函数$f$构成的空间记作$AC^n([a, b], \, {\Bbb R}) (n =1, 2, \cdots)$, 特别地, $AC^1([a, b], \, {\Bbb R})=AC([a, b], \, {\Bbb R})$.周知, $w \in AC([a, b], \, {\Bbb R})$当且仅当存在$\phi\in L((a, b), \, {\Bbb R})$和$\overline{c}\in {\Bbb R}$使得
因此, 绝对连续函数$w(t)$在$[a, b]$上几乎处处存在$w'(t)=\phi(t)$.由(2.1)式可得
定义2.1[3] 设$\eta>0$, 如果$g(t)\in L^1([a, \, +\infty), \, {\Bbb R})$, 那么
称为$g$的具有积分下限$a$的$\eta$阶Riemann-Liouville分数阶积分, 其中$\Gamma(\cdot)$是$\Gamma$函数.
定义2.2 如果$g(t)\in AC^n([a, b], \, {\Bbb R})$, 那么$\eta (n-1<\eta<n)$阶Riemann-Liouville分数阶导数$^{L}\!D_{a^+}^{\eta}g(t)$在$[a, \, b]$上几乎处处存在, 记作
定义2.3[3] 如果$g(t)\in AC^n([a, b], \, {\Bbb R})$, 那么$\eta (n-1<\eta<n)$阶Caputo分数阶导数$(^{c}D_{a^+}^{\eta}g)(t)$在$[a, \, b]$上几乎处处存在, 可以写作
此外, 如果$g(a)=g'(a)=\cdots=g^{(n-1)}(a)=0$, 那么$(^{c}D_{a^+}^{\eta}g)(t)=(^{L}\!D_{a^+}^{\eta}g)(t)$.
注2.1[3] 如果$g(t)\in C^n([a, b], \, {\Bbb R})$, 那么$(^{c}D_{a^+}^{\eta}g)(t)\in C([a, b], \, {\Bbb R})$, $n-1<\eta<n$.
下面我们给出分数阶微积分的一些性质.
性质2.1[3] $t^{s}$的$\nu(n-1< \nu <n)$阶Caputo分数阶导数为
性质2.2[3] 如果$\eta_2>\eta_1>0$, $f\in L^{p}([a, b], \, {\Bbb R})(1\leq p\leq \infty)$, 那么
引理2.1 设$\eta>0$, 分数阶微分方程$^{c}D^{\eta}_{a^+}u(t)=0$的解为
其中$c_i\in {\Bbb R}, \, i=0, 1, 2, \cdots, n-1(n=[\eta]+1)$, $[\eta]$为实数$\eta$的整数部分.
若用${\bf B}(\cdot, \, \cdot)$表示${\bf B}$函数, 我们可得到如下结果.
引理2.2 (1)当$p>0, \, q>0$时
(2) 当$p>0, \, q>0, \, 0<a<t$时
(3) 当$p>0, \, 0<q\leq1$, $0<a<t$时
证 (1)
(2) 令$\tau=s-a$, 则
(3) 由${\bf B}(p, \, q)=\int_0^1 (1-s)^{p-1}s^{q-1}{\rm d}s$可得
证毕.
引理2.3 如果$\eta\in (1, 2)$, 那么$I_{a^+}^{\eta}:AC([a, b], \, {\Bbb R})\rightarrow AC^2([a, b], \, {\Bbb R})$.
证 设$f\in AC([a, b], \, {\Bbb R})$, 即$f(t)=f(a)+\int_a^t f'(s){\rm d}s, \, t\in [a, b]$, 那么
由此可得
易知, (2.2)式的右边在$[a, b]$上连续且右边第二项是绝对连续函数.因为
所以(2.2)式右边第一项也绝对连续.综上可得$I_{a^+}^{\eta}:AC([a, b], \, {\Bbb R})\rightarrow AC^2([a, b], \, {\Bbb R})$.
引理2.4 若$\varsigma\in (0, \, 1]$, $0<a\leq b$, 则$|a^{\varsigma}-b^{\varsigma}|\leq (b-a)^{\varsigma}$.
设$J_k=(t_k, \, t_{k+1}], \, k=0, 1, 2, \cdots, m$, 记
定义范数
则$X$是实Banach空间.
设$f:J\times {\Bbb R}\times {\Bbb R}\rightarrow{\Bbb R}$满足下面的条件.
(H) 对所有$v, \, w\in {\Bbb R}$, $f(\cdot, v, w):J\rightarrow {\Bbb R}$可测, 对a.e. $t\in J$, $f(t, \cdot, \cdot):{\Bbb R}\times {\Bbb R}\rightarrow {\Bbb R}$连续, 存在函数$\mu\in L^{\frac{1}{\sigma}}(J, {\Bbb R}^+)(\sigma\in (0, \, \frac{\alpha-1}{2}))$使得
其中$0<\lambda_1<\lambda_2$是实数.
定义3.1 如果函数$x:(0, \, 1]\rightarrow {\Bbb R}$满足
(1) $x\in AC^2(J_k, \, {\Bbb R})$;
(2) 在$J_k$上有$^{c}\!D_{t_k^+}^{\alpha} x(t)=\!f(t, \, x(t), \, ^{c}\!D_{t_k^+}^{\gamma} x(t))$;
(3) 对$k=1, 2, \cdots, m$, 有
那么$x(t)$是方程(1.1)-(1.3)的解.
为了证明主要结果, 我们需要下面的引理.
引理3.1 若$\tau_2, \, \tau_1\in J_k(k=0, 1, 2, \cdots, m)$且$\tau_2<\tau_1$, 则当$\tau_2\rightarrow \tau_1$时有
证 情形1 当$0<\tau_2<\tau_1\leq t_{1}$时, 注意到$s^l$在$t=0$可以是奇异的, 由Hölder不等式可得
其中$M>0$是常数, $ {\theta=\frac{\alpha-2-\sigma}{1-\sigma}}\in (-1, \, 0)$且$ {\frac{l}{1-\sigma}>-1}$.
情形2 当$t_{k}<\tau_2<\tau_1\leq t_{k+1}(k=1, 2, \cdots, m)$时, 注意到对任意$t\in J_k(k=1, 2, \cdots, m)$有$|q(t)|\leq t^l\leq \overline{M}$, 由Hölder不等式可得
其中$\overline{\overline{M}}>0$是常数, ${\theta=\frac{\alpha-2-\sigma}{1-\sigma}\in (-1, \, 0)}$.
为方便起见, 我们引入下面的结果.设$y>\sigma$, $t_{i}\in [0, 1](i=1, \cdots, m+1)$, 由Hölder不等式和引理2.2(3)可得
其中${{\bf B}(e_{y}, \, z)={\bf B}(\frac{y-\sigma}{1-\sigma}, \, \frac{l+1-\sigma}{1-\sigma})}$.
如果$y=\alpha$或$y=\alpha-1$或$y=\alpha-\gamma$或$y=\alpha-\beta$, 那么$y>\sigma$且$y+l-\sigma>0$, 由(3.1)式可得
若$\mu(s)\equiv M^*$是正常数, $y+l>0$, 则由引理2.2(3)可得
引理3.2 如果(H)成立, 那么对$x\in X$, $k=0, 1, \cdots, m$, $\varepsilon>0$有
证 对于$t\in[t_k+\varepsilon, \, t_{k+1}]$, 由(3.2)式可得
这意味着对于$t\in [t_k+\varepsilon, \, t_{k+1}]$, $x\in X$有$(t-s)^ {\alpha-1}q(s)f(s, \, x(s), \, ^{c}\!D_{t_k^+}^{\gamma}x(s))$和$(t-s)^{\alpha -2}q(s)$ $f(s, \, x(s), \, ^{c}\!D_{t_k^+}^{\gamma}x(s))$关于$s\in (t_k, \, t_{k+1}]$ Lebesgue可积.
易见
关于$t\in [t_k+\varepsilon, \, t_{k+1}]$连续.
此外, 我们有$\big[I_{t_k^+}^{\alpha-1}q(s)f(s, \, x(s), \, ^{c}\!D_{t_k^+}^{\gamma}x(s))\big](t)\in AC([t_k+\varepsilon, \, t_{k+1}], \, {\Bbb R})$.事实上, 对于$[t_k+\varepsilon, \, t_{k+1}]$上任意有限个互不相交的开区间$\{(a_i, \, b_i)\}_{1\leq i\leq n}$且$\sum\limits_{i=1}^n(b_i-a_i)\rightarrow 0$, 由(3.1)式和引理3.1可得
因此, $\big[I_{t_k^+}^{\alpha-1}q(s)f(s, \, x(s), \, ^{c}\!D_{t_k^+}^{\gamma}x(s))\big](t)$在$[t_k+\varepsilon, \, t_{k+1}]$上绝对连续, 这表明
此外, 对几乎所有$t\in (t_k, \, t_{k+1}]$, $\big[\, ^{c}\!D_{t_k^+}^{\alpha}I_{t_k^+}^{\alpha}q(s)f(s, \, x(s), \, ^{c}\!D_{t_k^+}^{\gamma}x(s))\big](t)$存在.
引理3.3 如果(H)成立, 那么对于$x\in X$, $k=0, 1, \cdots, m$有
证 记$F(\tau, \, s)=(t-\tau)^{1-\alpha}|\tau-s|^{\alpha-1}s^l \mu(s)$, 易见$F(\tau, \, s)$在$[t_k+\varepsilon, \, t]\times[t_k+\varepsilon, \, t]$上非负可测, 则有${\int_{t_k}^t(\int_{t_k}^t F(\tau, \, s){\rm d}s){\rm d}\tau =\int_{t_k}^t(\int_{t_k}^t F(\tau, \, s){\rm d}\tau){\rm d}s}. $由(3.1)式和引理2.2(2)可得
因此, $F_1(\tau, \, s)=(t-\tau)^{1-\alpha}|\tau-s|^{\alpha-1}q(s) $$f(s, \, x(s), \, ^{c}\!D_{t_k^+}^{\gamma}x(s))$在$(t_k, \, t]\times(t_k, \, t]$上可积, 进而
由引理3.2和引理2.2(2)可得
再由(3.4)式可知
在定义2.3中, 用$[I_{t_k^+}^{\alpha}q(s)f(s, \, x(s), \, ^{c}\!D_{t_k^+}^{\gamma}x(s))](t)$替换$g(t)$并利用(3.5)式即可导出
由引理3.2和引理3.3可得下面结果.
引理3.4 如果(H)成立, 那么函数$x\in X$是分数阶积分方程
的解当且仅当$x(t)$是方程(1.1)-(1.3)的解, 其中
证 为方便起见, 记$(h_k x)(t):=q(t)f(t, \, x(t), \, ^{c}\!D_{t_k^+}^{\gamma}x(t))$, $k=0, 1, \cdots, m$.
(充分性) 设$x$是方程(1.1)-(1.3)的解, 由引理3.3, $^{c}\!D_{t_k^+}^{\alpha} x(t)=h_k(t)$意味着
如果$t\in J_0$, 那么由引理2.1可得
其中$a_0, b_0\in{\Bbb R}$是待定常数.易见, $a_0=x(0^+)=0, \, x'(0^+)=b_0$.
如果$t\in J_1$, 那么由引理2.1可得
其中$c_0, c_1\in{\Bbb R}$是待定常数.利用左右极限定义知
由脉冲条件(1.2)式可导出
因此, 对于$t\in J_1$, 有
如果$t\in J_2$, 由引理2.1可得
其中$d_0, d_1\in{\Bbb R}$是待定常数.再次利用左右极限定义可知
再由脉冲条件(1.2)式可导出
因此, 对于$t\in J_2$, 有
重复上述过程, 对于$t\in J_k, k<m$可导出
如果$t\in J_m$, 由性质2.1和性质2.2可得
代入$t=1$得
由边界条件(1.3)式可导出
(必要性) 设$x(t)$满足(3.6)式, 由引理3.3和性质2.1知$(^{c}D_{t_k^+}^{\alpha}x)(t)$存在且对于$t\in J_k$ $(k=0, 1, \cdots, m)$有$^{c}D_{t_k^+}^{\alpha}x(t)=h(t)$.易见, 脉冲条件(1.2)式和边界条件(1.3)式均满足, 即$x(t)$是方程(1.1)-(1.3)的解.
本节我们将给出方程(1.1)-(1.3)的解的存在性结果.记
其中
定理4.1 设(H)成立, 如果当$\lambda_2=1$时$\widetilde{M}<1$或当$\lambda_2>1$时$\frac{\lambda_2 M_0}{(M_0^{\lambda_1}+M_0^{\lambda_2})(\lambda_2+1)^{\lambda_2}}\geq \widetilde{M}$, 那么方程(1.1)-(1.3)存在解$x\in X$.
证 定义算子${\cal F}:X\rightarrow X$如下
则
此外, 由性质2.1和性质2.2得
根据假设(H)知${\cal F}:X\rightarrow X$适定.由引理3.4知算子${\cal F}$的不动点即为方程(1.1)-(1.3)的解.因此我们只需要证明算子${\cal F}$不动点的存在性.下面分四步证明上述结论.
第1步 算子${\cal F}$连续.
如果序列$\{x_n\}$满足当$n\rightarrow\infty$时, 在$X$中$x_n\rightarrow x$, 那么存在$\varepsilon>0$使得对充分大的$n$有$\|x_n-x\|_{1}\leq\varepsilon$.由假设(H), 我们可得
此外, $f$满足(H), 对几乎每个$t\in J_k$, 当$n\rightarrow \infty$时我们有
由(3.2)式和Lebesgue控制收敛定理知当$n\rightarrow \infty$时, 有
对于$r>0$, 定义$\Omega=\{x\in X:\|x\|_1\leq r\}$, 要证${\cal F}$完全连续, 我们需要证明${\cal F} \Omega\subset \Omega$, ${\cal F}\Omega$在$J_k(k=0, 1, \cdots, m)$的有限闭子区间上等度连续, 当$t\rightarrow t_k^+(k=0, 1, 2, \cdots, m)$时, ${\cal F}\Omega$等度收敛.
第2步 ${\cal F} \Omega\subset \Omega$.
对于$x\in \Omega$, 由(4.1)-(4.3)式和(3.2)式可得
利用(4.4)-(4.6)式, 我们可以得到
接下来, 我们将分两种情形证明存在某个$r>0$使得${\cal F}\Omega\subset \Omega$.
(ⅰ) 当$\lambda_2\leq 1$时, 如果${\cal F}\Omega\subset \Omega$不成立, 那么对于每一个正数$r$, 存在函数$\tilde{x}^r(\cdot)\in \Omega$和某个$\tilde{t}\in J_k$使得
然而
两边除以$r$, 令$r\rightarrow +\infty$有
与已知矛盾.
(ⅱ) 当$\lambda_2>1$时, 选取$r_0=M_0(\lambda_2+1)$使得
则有${\cal F}\Omega\subset \Omega$.
第3步 ${\cal F}\Omega$在$J_k(k=0, 1, \cdots, m)$的有限闭子区间上等度连续.
对于$x\in \Omega$, $t_k<\tau_2<\tau_1\leq t_{k+1}(k=0, 1, \cdots, m)$, 当$\tau_2\rightarrow \tau_1$时我们有
因此, 对于$t_{k}<\tau_2<\tau_1\leq t_{k+1}(k=0, 1, \cdots, m)$, 当$\tau_2\rightarrow \tau_1$时有
由引理3.1和(3.2)式可得当$\tau_2\rightarrow \tau_1$时, 有
利用上述类似推导再结合引理2.4可以得到当$\tau_2\rightarrow \tau_1$时, 有
至此已证明集合$\{({\cal F}x)(\cdot): x\in\Omega\}$在$J_k(k=0, 1, \cdots, m)$的有限闭子区间上等度连续.
第4步 当$t\rightarrow t_k^+(k=0, 1, 2, \cdots, m)$时, ${\cal F}\Omega$等度收敛.
由(3.2)式可得当$t\rightarrow 0^+$时, 有
因此, 当$t\rightarrow 0^+$时, ${\cal F}\Omega$等度收敛.
由(3.2)式得当$t\rightarrow t_k^+(k=1, 2, \cdots, m)$时, 有
因此, 当$t\rightarrow t_k^+$时, ${\cal F}\Omega$等度收敛.
综上可得${\cal F}$完全连续, 由Schauder不动点定理知${\cal F}$有不动点$x\in \Omega$, 即方程(1.1)-(1.3)有解$x\in \Omega\subset X$.
注4.1 如果$\mu(s)\equiv M^*>0$, 由(3.3)式, 我们只需要将$\|\mu\|_{L^{\frac{1}{\sigma}}}({\bf B}(e_{y}, \, z))^{1-\sigma}$改成$M^*{\bf B}(y, \, l+1)$, 那么结论依然成立.
接下来, 我们考虑如下分数阶微分方程
函数$f:J\times {\Bbb R}\rightarrow {\Bbb R}$满足下面假设
(H')对所有$v\in {\Bbb R}$, $f(\cdot, v):J\rightarrow {\Bbb R}$可测, 对a.e. $t\in J$, $f(t, \cdot): {\Bbb R}\rightarrow {\Bbb R}$连续, 存在$M^*>0$使得$|f(t, v)|\leq M^*(|v|^{\lambda_1}+|v|^{\lambda_2})$, 其中$0<\lambda_1<\lambda_2$.
记
易见, $Y$是实Banach空间.接下来, 我们在空间$Y$上研究方程(4.7)解的存在性.利用类似于证明定理4.1的技巧再结合注4.1, 我们可得如下结果.
定理4.2 假设(H')成立, 如果$\mbox{当}\lambda_2=1\mbox{时}\widehat{M}<1$或$\mbox{当}\lambda_2>1\mbox{时}\frac{\lambda_2 \widetilde{M_0}}{(\widetilde{M_0}^{\lambda_1}+\widetilde{M_0}^{\lambda_2})(\lambda_2+1)^{\lambda_2}}\geq \widehat{M}$, 那么方程(4.7)存在解$x\in Y$, 其中
本节中我们给出三个例子验证主要结果的实用性.
例5.1 考虑如下非线性多基点脉冲分数阶微分方程:
令$\alpha=\frac{3}{2}$, $\beta=\frac{4}{5}$, $\gamma=\frac{9}{20}$, $q(t)=\frac{\sin t}{ t^{\frac{6}{5}}}$, $I_1=10$, $\tilde{I}_1=21$, $c=20$, $d=3$, $f(t, \, x(t), \, ^{c}\!D_{*}^{\frac{9}{20}} x(t))=$$\frac{(x(t))^{\frac{1}{2}}}{8t^{\frac{1}{10}}}+\frac{^{c}\!D_{*}^{\frac{9}{20}} x(t)}{11t^{\frac{1}{20}}}$.易见
其中$\mu(t)=\frac{t^{-\frac{1}{10}}}{8}\in L^{\frac{1}{\sigma}}((0, \, 1), \, {\Bbb R}^+)(\sigma=\frac{1}{5})$且$\|\mu\|_{L^{5}}=\frac{2^{\frac{1}{5}}}{8}$, 则假设(H)成立.此外, 通过计算可得${\bf B}(e_{\alpha}, \, z)={\bf B}(\frac{13}{8}, \, \frac{3}{4})$, ${\bf B}(e_{\alpha-1}, \, z)={\bf B}(\frac{3}{8}, \, \frac{3}{4})$, ${\bf B}(e_{\alpha-\beta}, \, z)={\bf B}(\frac{5}{8}, \, \frac{3}{4})$, ${\bf B}(e_{\alpha-\gamma}, \, z)={\bf B}(\frac{17}{16}, \, \frac{3}{4})$以及
由定理4.1知方程(5.1)存在解.
例5.2 考虑如下多基点分数阶逻辑斯蒂模型解的存在性
其中$\alpha=\frac{5}{4}$, $\beta=\frac{1}{2}$, $a(t)=\frac{1}{17}t^8, \, b(t)=\frac{1}{15}t^5$为连续函数且$|a(t)|\leq \frac{1}{17}$, $|b(t)|\leq \frac{1}{15}$, $f(t, \, x)=x(a(t)-b(t)x^{\frac{1}{5}})$.易见, $|f(t, \, x)|\leq \frac{1}{15}(|x|+|x|^{\frac{6}{5}})$且假设(H')成立.由注4.1和定理4.2以及$l=0$, $\lambda_1=1, \, \lambda_2=\frac{6}{5}$, 经过计算可得
则$\frac{\lambda_2 \widetilde{M}_0}{(\widetilde{M}_0^{\lambda_1}+ \widetilde{M}_0^{\lambda_2})(\lambda_2+1)^{\lambda_2}}> \widehat{M}$, 由定理4.2知方程(5.2)存在解.
例5.3 考虑如下多基点脉冲分数阶微分方程
其中$\alpha=\frac{3}{2}$, $\beta=\frac{1}{2}$, $\widetilde{a}(t)=\frac{1}{2}t, \, \widetilde{b}(t)=t^5$为连续函数且$|\widetilde{a}(t)|\leq \frac{1}{2}$, $|\widetilde{b}(t)|\leq 1$, $f(t, \, x)=x^2(\widetilde{a}(t)-\widetilde{b}(t)x^{\frac{1}{2}})$.易见, $|f(t, \, x)|\leq |x|^2+|x|^{\frac{5}{2}}$且假设(H')成立.由注4.1和定理4.2以及$l=0$, $\lambda_1=2, \, \lambda_2=\frac{5}{2}$, 经过计算可得
则$\frac{\lambda_2 \widetilde{M}_0}{(\widetilde{M}_0^{\lambda_1}+\widetilde{M}_0^{\lambda_2})(\lambda_2+1)^{\lambda_2}}> \widehat{M}$, 由定理4.2知方程(5.3)存在解.