数学物理学报, 2018, 38(6): 1162-1172 doi:

论文

一类具有p-Laplacian算子的分数阶微分方程反周期边值问题解的存在唯一性

贠永震, 苏有慧,, 胡卫敏

Existence and Uniqueness of Solutions to a Class of Anti-Periodic Boundary Value Problem of Fractional Differential Equations with p-Laplacian Operator

Yun Yongzhen, Su Youhui,, Hu Weimin

通讯作者: 苏有慧, E-mail: suyh02@163.com

收稿日期: 2016-11-15  

基金资助: 国家自然科学基金.  11361047
国家自然科学基金.  11501560
江苏省自然科学基金.  BK20151160
江苏省六大人才高峰项目.  2013-JY-003
江苏省333高层次人才项目.  BRA2016275

Received: 2016-11-15  

Fund supported: the NSFC.  11361047
the NSFC.  11501560
the Natural Science Foundation of Jiangsu Province.  BK20151160
the Six Talent Peaks Project of Jiangsu Province.  2013-JY-003
the 333 High-Level Talents Training Program of Jiangsu Province.  BRA2016275

摘要

该文研究了一类具有p-Laplacian算子的非线性Caputo分数阶微分方程反周期边值问题解的存在唯一性.首先,利用分数阶微分方程和反周期边值条件给出了该边值问题的Green函数,然后利用p-Laplacian算子的性质和Banach压缩映射原理得到该边值问题解的存在唯一性结论,最后给出两个例子验证结论的合理性.值得一提的是此文研究的微分方程的反周期边值条件是带有Caputo分数阶微分.

关键词: Caputo分数阶微分 ; 反周期边值问题 ; 解的存在唯一性 ; p-Laplacian算子 ; Banach压缩映射原理

Abstract

In this paper, we investigate the existence and uniqueness of solutions to a class of anti-periodic boundary value problem of nonlinear Caputo fractional differential equations with p-Laplacian operator. First, the Green function of the fractional boundary value problem is given. By using the properties of p-Laplacian operator and the Banach contraction mapping principle, some new results on the existence and uniqueness of solutions to the fractional boundary value problem are obtained. As an application, two examples are given to illustrate our main results. In particular, the boundary value conditions of fractional differential equation which is studied in this paper contains the Caputo fractional differentiation.

Keywords: Caputo fractional differentiation ; Anti-periodic boundary value problem ; Existence and uniqueness of solutions ; p-Laplacian operator ; Banach contraction mapping principle

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本文引用格式

贠永震, 苏有慧, 胡卫敏. 一类具有p-Laplacian算子的分数阶微分方程反周期边值问题解的存在唯一性. 数学物理学报[J], 2018, 38(6): 1162-1172 doi:

Yun Yongzhen, Su Youhui, Hu Weimin. Existence and Uniqueness of Solutions to a Class of Anti-Periodic Boundary Value Problem of Fractional Differential Equations with p-Laplacian Operator. Acta Mathematica Scientia[J], 2018, 38(6): 1162-1172 doi:

1 前言

近几年,分数阶微分方程在许多科学领域得到广泛的应用,例如流体力学、自动控制、生物工程和电子网络等.这使得分数阶微分方程理论得到快速发展,很多文献和专著对分数阶微分方程作了研究或介绍[1-4].在分数阶微分方程理论中,分数阶微分方程边值问题作为重要的组成部分,吸引了很多学者的兴趣,目前有很多研究结果,见相关文献[5-13].

众所周知,反周期是物理学中一种重要的现象,许多具有实际意义的数学模型都具有反周期形式的边值条件,因此研究具有反周期边值条件的微分方程解的存在性是有意义的.目前已经有学者对分数阶微分方程反周期边值问题作了研究,并得到了一些研究结果,见相关文献[5-8],特别是在文献[5]中,作者研究了下面一类分数阶微分方程反周期边值问题解的存在性

$\begin{equation}\label{qyFBVP1}\left\{\begin{array}{l}^{C}D^{\alpha}u(t)=f(t, u(t)), ~~t\in [0, T], ~T>0, ~2 <\alpha\leq3, \\ u(0)=-u(T), ~{^{C}D^{p}}u(0)=-{^{C}D^{p}}u(T), ~{^{C}D^{q}}u(0)=-{^{C}D^{q}}u(T), \end{array} \right. \end{equation} $

这里${^{C}D^{\alpha}}$$\alpha$阶Caputo分数阶微分, $0 <p <1 <q <2$, $f:[0, T]\times\mathbb{R} \rightarrow\mathbb{R} $为给定的连续函数.作者利用压缩映射原理和Leray-Schauder不动点定理得到该边值问题(1.1)解的存在性结论.

因为具有$p$-Laplacian算子的微分方程涉及到很多研究领域,如在流变学和材料学等学科,所以对它的研究引起了中外学者的广泛关注.目前具有$p$-Laplacian算子的分数阶微分方程边值问题解的存在性已有一些研究结果,见文献[9-12].在文献[9]中作者研究了下面一类具有$p$-Laplacian算子的分数阶微分方程边值问题解的存在性

$\begin{equation}\label{qyFBVP2}\left\{\begin{array}{l} \left(\phi_{p}\left(^{C}D_{0+}^{\alpha}x(t)\right)\right)'=f(t, x(t)), ~~~t\in [0, 1], \\ x(0)=a_{0}(1), ~x'(0)=a_{1}x'(1), ~x''(0)=a_{2}x''(1), \end{array} \right. \end{equation}$

这里$a_{i}\neq1, i=1, 2, 3$, $f\in C([0, T]\times \mathbb{R} , \mathbb{R} )$, $x(t)\in C^{2}([0, 1], \mathbb{R})$.作者利用Banach压缩映像原理,得到该边值问题(1.2)在一定条件下解的存在性结论.

在上面提到的文献[5]中,作者研究了阶数为$2 <\alpha\leq3$的分数阶微分方程反周期边值问题解的存在性,但该问题不带有$p$-Laplacian算子;在文献[9]中,作者仅仅研究了边值条件为整数阶导数时带有$p$-Laplacian算子的分数阶微分方程解的存在性,没有研究边值条件为分数阶导数时的情形.研究具有$p$-Laplacian算子的分数阶微分方程反周期边值问题解的存在性有一定的理论和实践意义,但此方面的研究还比较少[10],所以研究具有$p$-Laplacian算子的分数阶微分方程反周期分数阶边值问题解的存在性是自然而然的事情.受前面文献[5, 9]的启发,本文考虑下面一类具有$p$-Laplacian算子的非线性Caputo分数阶微分方程反周期边值问题解的存在唯一性

$\begin{equation}\label{FBVP1}\left\{\begin{array}{l}\left(\phi_{p}\left(^{C}D_{0+}^{\alpha}u(t)\right)\right)'=f(t, u(t)), ~~~t\in [0, 1], \\ u(0)=-u(1), ~{^{C}D_{0+}^{\beta}}u(0)=-{^{C}D_{0+}^{\beta}}u(1), ~{^{C}D_{0+}^{\gamma}}u(0)=-{^{C}D_{0+}^{\gamma}}u(1), \end{array} \right. \end{equation}$

这里$2 <\alpha\leq3$, $0 <\beta <1 <\gamma <2$, $\phi_{p}(s)=|s|^{p-2}s$, $p>1$.$^{C}D_{0+}^{\alpha}, ^{C}D_{0+}^{\beta}$$^{C}D_{0+}^{\gamma}$为Caputo分数阶微分, $f\in C([0, T]\times \mathbb{R} , \mathbb{R} )$.$\phi_q=\phi_{p}^{-1}$,其中$\frac{1}{p}+\frac{1}{q}=1$.首先,利用分数阶微分方程和反周期边值条件给出该边值问题的Green函数,然后利用$p$-Laplacian算子的性质和Banach压缩映射原理得到该边值问题解的存在唯一性结论,最后给出两个例子验证结论的合理性,值得一提的是此文研究的微分方程反周期边值条件是带有Caputo分数阶微分.

本文结构如下:在第2节给出分数阶积分和微分的定义及证明结论时需要的引理,第3节利用分数阶微分方程和反周期边值条件给出边值问题(1.3)的Green函数,第4节利用$p$-Laplacian算子的性质和Banach压缩映射原理得到边值问题(1.3)解的存在唯一性结论,在第5节给出两个例子验证得到的主要结果.

2 预备知识

定义2.1[1]  若$\alpha>0$,函数$u:(0, +\infty)\rightarrow \mathbb{R} $的分数阶积分定义为

定义2.2[1]  若$\alpha>0$,函数$u:(0, +\infty)\rightarrow \mathbb{R} $的Caputo分数阶微分定义为

这里$n-1 <\alpha <n$, $n=[\alpha]+1$.

引理2.1[1]  若$\alpha>0$,则分数阶微分方程$^{C}D_{0+}^{\alpha}u(t)=0$的解为

这里$c_{i}\in \mathbb{R} $, $i=1, 2, \cdots, n-1$, $n=[\alpha]+1$.

引理2.2[1]  若$\alpha>0$,则

这里$c_{i}\in \mathbb{R} $, $i=1, 2, \cdots, n-1$, $n=[\alpha]+1$.

引理2.3[9]  $p$-Laplacian算子$\phi_p$具有下面的性质

(ⅰ)如果$1 <p\leq2$, $xy>0$$| x| , | y| \geq m>0$,则下面的不等式成立

(ⅱ)如果$p>2$$| x| , | y| \leq M$,则下面的不等式成立

3 Green函数

引理3.1  若$2 <\alpha\leq3$, $0 <\beta <1 <\gamma <2$,函数$y\in C[0, 1]$,则分数阶微分方程反周期边值问题

拥有唯一解

这里

  对方程$\left(\phi_{p}\left(^{C}D_{0+}^{\alpha}u(t)\right)\right)'=y(t)$两边同时积分可得

由Caputo分数阶微分性质可知$^{C}D_{0+}^{\alpha}u(0)=0$,因此上式变为

因为$\phi_{p}^{-1}=\phi_q$,因此

因为$2 <\alpha\leq3$,利用引理2.2可知

利用Caputo分数阶微分的性质,即$^{C}D_{0+}^{\beta}c=0$ ($c$为常数), $^{C}D_{0+}^{\beta}t=\frac{t^{1-\beta}}{\Gamma(2-\beta)}$, $^{C}D_{0+}^{\beta}t^{2}=\frac{2t^{2-\beta}}{\Gamma(3-\beta)}$,故

又因为$^{C}D_{0+}^{\gamma}t=0$$1 <\gamma <2$)和$^{C}D_{0+}^{\gamma}t^2=\frac{2t^{2-\gamma}}{\Gamma(3-\gamma)}$,因此

利用反周期边值条件$u(0)=-u(1), ~{^{C}D_{0+}^{\beta}}u(0)=-{^{C}D_{0+}^{\beta}}u(1), ~{^{C}D_{0+}^{\gamma}}u(0)=-{^{C}D_{0+}^{\gamma}}u(1)$可得

因此

证毕.

4 主要结论

定义Banach空间$X=C([0, 1], \mathbb{R} )$,其范数为$\parallel u\parallel=\sup\limits_{t\in[0, 1]}| u(t)| $.

定义算子$T:X\rightarrow X$

则求边值问题(1.3)解的存在唯一性转化为算子$T$的是否存在唯一不动点.

定理4.1  假设$1 <q <2$,若函数$f(t, u(t))$满足下面条件

(H1)存在常数$\lambda>0$, $0 <\delta <\frac{2}{2-q}$,对任意的$(t, u(t))\in [0, 1]\times\mathbb R$,有$\lambda\delta t^{\delta-1}\leq f(t, u(t))$成立;

(H2)存在常数$l>0$,使得当$t\in[0, 1]$时,对任意的函数$u, v\in X$,有$| f(t, u(t))-f(t, v(t))| \leq l| u-v| $成立;

(H3)

则边值问题(1.3)存在唯一解.

  对于任意的$(t, u(t))\in [0, 1]\times\mathbb{R} $,由条件(H1)可得

因为$1 <q <2$,由引理2.3中性质(ⅰ)可知,对任意的函数$u, v\in X$,有

因此,我们有

其中$B(\cdot)$为Beta函数.令

由条件(H3)可知$0 <\Lambda_{1} <1$,故

因此利用Banach压缩映射原理可知,算子$T$存在唯一不动点,即边值问题(1.3)存在唯一解.

定理4.2  假设$1 <q <2$,若函数$f(t, u(t))$满足定理4.1条件(H2)、(H3)和下面条件:

(H4)存在常数$\lambda>0$, $0 <\delta <\frac{2}{2-q}$,对任意的$(t, u(t))\in [0, 1]\times\mathbb{R} $,有$f(t, u(t))\leq-\lambda\delta t^{\delta-1}$成立,

则边值问题(1.3)存在唯一解.

该定理证明类似定理4.1,此处略去.

定理4.3  假设$q>2$,若函数$f(t, u(t))$满足下面条件

(H5)存在函数$g(t)>0$和常数$M=\int_{0}^{1}g(t){\rm d}t>0$,对任意的$(t, u(t))\in [0, 1]\times\mathbb{R} $,有$| f(t, u(t))| \leq g(t)$成立;

(H6)存在常数$L>0$,使得当$t\in[0, 1]$时,对任意的函数$u, v\in X$,有$| f(t, u(t))-f(t, v(t))| \leq L| u-v| $成立;

(H7)$0 <(q-1)LM^{q-2}\left[\frac{3}{2\Gamma(2+\alpha)}+\frac{\Gamma(2-\beta)}{2\Gamma(\alpha-\beta+2)} +\frac{\beta\Gamma(3-\gamma)}{4(2-\beta)\Gamma(\alpha-\gamma+2)}\right] <1$,

则边值问题(1.3)存在唯一解.

  由条件(H5)可得

因为$q>2$,根据引理2.3中性质(ⅱ),对任意的函数$u, v\in X$可得

因此可得

其中$B(\cdot)$为Beta函数.令

由条件(H7)可知$0 <\Lambda_{2} <1$,故

因此,利用Banach压缩映射原理可知,算子$T$存在唯一不动点,即边值问题(1.3)存在唯一解.

5 例子

例5.1  令$p=3$, $\alpha=\frac{5}{2}$, $\beta=\frac{1}{2}$, $\gamma=\frac{3}{2}$, $f(t, u(t))=2t+1+\frac{\sin(u(t))}{100}$,考虑下面一类分数阶微分方程反周期边值问题解的存在性

$\begin{equation}\label{eBVP1}\left\{\begin{array}{l} \left(\phi_{3}\left(^{C}D_{0+}^{\frac{5}{2}}u(t)\right)\right)'=2t+1+\frac{\sin(u(t))}{100}, ~~~t\in [0, 1], \\ u(0)=-u(1), ~{^{C}D_{0+}^{\frac{1}{2}}}u(0)=-{^{C}D_{0+}^{\frac{1}{2}}}u(1), ~{^{C}D_{0+}^{\frac{3}{2}}}u(0)=-{^{C}D_{0+}^{\frac{3}{2}}}u(1). \end{array} \right. \end{equation}$

  因为$p=3$,由$\frac{1}{p}+\frac{1}{q}=1$可知$q=\frac{3}{2}$.$\lambda=1$, $\delta=2$,则对于任意的$(t, u(t))\in [0, 1]\times\mathbb{R} $

因为当$t\in[0, 1]$时,对于任意的函数$u, v\in X$,有

$l=\frac{1}{100}$,则$| f(t, u(t))-f(t, v(t))| \leq l| u-v| $成立.

又因为

所以由定理4.1可知边值问题(5.1)存在唯一解.

例5.2  令$p=\frac{3}{2}$, $\alpha=\frac{5}{2}$, $\beta=\frac{1}{2}$, $\gamma=\frac{3}{2}$, $f(t, u(t))=\frac{t\sin(u(t))}{100}$,考虑下面一类分数阶微分方程反周期边值问题解的存在性

$\begin{equation}\label{eBVP2}\left\{\begin{array}{l} \left(\phi_{\frac{3}{2}}\left(^{C}D_{0+}^{\frac{5}{2}}u(t)\right)\right)'=\frac{t\sin(u(t))}{100}, ~~~t\in [0, 1], \\ u(0)=-u(1), ~{^{C}D_{0+}^{\frac{1}{2}}}u(0)=-{^{C}D_{0+}^{\frac{1}{2}}}u(1), ~{^{C}D_{0+}^{\frac{3}{2}}}u(0)=-{^{C}D_{0+}^{\frac{3}{2}}}u(1). \end{array} \right. \end{equation}$

  因为$p=\frac{3}{2}$,由$\frac{1}{p}+\frac{1}{q}=1$可知$q=3$.$f(t, u(t))=\frac{t\sin(u(t))}{100}$可知,存在函数$g(t)=\frac{t}{100}$和常数$M=\int_{0}^{1}g(t){\rm d}t=\int_{0}^{1}\frac{t}{100}{\rm d}s=\frac{1}{200}$,使得

因为当$t\in[0, 1]$时,对任意的函数$u, v\in X$,有

$L=\frac{1}{100}$,则$| f(t, u(t))-f(t, v(t))| \leq L| u-v| $成立.

又因为

所以由定理4.3可知边值问题(5.2)存在唯一解.

参考文献

Kilbas A A , Srivastava H M , Trujillo J J .

Theory and Applications of Fractional Differential Equations

Amsterdam:Elsevier, 2006

URL     [本文引用: 5]

Xu L , Hu H G , Qin F J .

Ultimate boundedness of impulsive fractional differential equations

Appl Math Lett, 2016, 62: 110- 117

DOI:10.1016/j.aml.2016.06.011     

Liu Y J .

On piecewise continuous solutions of higher order impulsive fractional differential equations and applications

Appl Math Comput, 2016, 287-288 (C): 38- 49

URL    

冯育强, 王蔚敏, 李寿贵.

带有奇异非线性项的分数微分方程周期解的存在性与唯一性

数学物理学报, 2015, 35A (6): 1059- 1070

DOI:10.3969/j.issn.1003-3998.2015.06.003      [本文引用: 1]

Feng Y Q , Wang W M , Li S G .

Existence and uniqueness results for the periodic boundary value problems of factional differential equations with singular nonlinearities

Acta Math Sci, 2015, 35A (6): 1059- 1070

DOI:10.3969/j.issn.1003-3998.2015.06.003      [本文引用: 1]

Wang X H , Guo X Q , Tang G S .

Anti-periodic fractional boundary value problems for nonlinear differential equations of fractional order

J Appl Math Comput, 2013, 41 (1): 367- 375

URL     [本文引用: 5]

Ahmad B , Tariboon J , Ntouyas S K , et al.

Existence results for impulsive fractional q-difference equations with anti-periodic boundary conditions

Bound Value Probl, 2016, 2016 (1): 1- 14

DOI:10.1186/s13661-015-0477-3     

Alsaedi A , Ahmad B , Mohamad N , et al.

Uniqueness results for fully anti-periodic fractional boundary value problems with nonlinearity depending on lower-order derivatives

Adv Differ Equ, 2014, 2014 (1): 1- 9

Li X P , Chen F L , Li X Z .

Generalized anti-periodic boundary value problems of impulsive fractional differential equations

Commun Nonlinear Sci, 2013, 18 (1): 28- 41

DOI:10.1016/j.cnsns.2012.06.014      [本文引用: 1]

Aktuǧlu H , Ali Özarslan M .

Solvability of differential equations of order 2 <α ≤ 3 involving the p-Laplacian operator with boundary conditions

Adv Differ Equ, 2013, 2013 (1): 1- 13

URL     [本文引用: 5]

Jiang J .

Solvability of anti-periodic boundary value problem for coupled system of fractional p-Laplacian equation

Adv Differ Equ, 2015, 2015 (1): 1- 11

URL     [本文引用: 1]

Chen T Y , Liu W B .

Solvability of fractional boundary value problem with p-Laplacian via critical point theory

Bound Value Probl, 2016, 2016 (1): 1- 12

DOI:10.1186/s13661-015-0477-3     

Zhong Q Y , Zhang X Q .

Positive solution for higher-order singular infinite-point fractional differential equation with p-Laplacian

Adv Differ Equ, 2016, 2016 (1): 1- 11

URL     [本文引用: 1]

郝晓红, 程智龙.

一类非线性分数阶多点边值问题的可解性

数学物理学报, 2014, 34A (3): 655- 668

URL     [本文引用: 1]

Hao X H , Cheng Z L .

Solvability of solutions for a class of nonlinear factional multi-point boundary value problems

Acta Math Sci, 2014, 34A (3): 655- 668

URL     [本文引用: 1]

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