含三个Riemann-Liouville分数阶导数的脉冲Langevin型方程的边值问题的可解性
Solvability of BVPs for Impulsive Fractional Langevin Type Equations Involving Three Riemann-Liouville Fractional Derivatives
收稿日期: 2019-01-17
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Received: 2019-01-17
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作者简介 About authors
刘玉记,E-mail:
设n,l,k为正整数且α∈(n-1,n),β∈(l-1,l),γ∈(k-1,k).该文首先利用迭代方法给出具有三个分数阶导数的Langevin方程 的连续通解.然后,该文使用数学归纳法获得脉冲分数阶Langevin方程 分片连续通解.接下来,该文运用获得的结果研究具有三个分数阶导数α,β∈(1,2),γ∈(0,1)的非线性脉冲Langevin方程的一类边值问题,通过将其化为积分方程,运用不动点定理建立这类边值问题解的存在性定理.最后,该文给出例子说明了主要结果的应用.
关键词:
Let $n,l,k$ be positive integers and $\alpha\in (n-1,n)$, $\beta\in (l-1,l)$ and $\gamma\in (k-1,k)$. Firstly the continuous general solutions of the Langevin equation with three fractional derivatives $[D_{0^+}^\alpha D_{0^+}^\beta -\lambda D_{0^+}^\gamma ] x(t)=P(t)$ are presented by using iterative method. Secondly the piecewise continuous general solutions of the impulsive Langevin equation with three fractional derivatives $[D_{0^+}^\alpha D_{0^+}^\beta -\lambda D_{0^+}^\gamma ] x(t)=P(t),t\in (t_i,t_{i+1}],i\in {\Bbb N} _0^m$ are given by using mathematical in{\rm d}uction method. Thirdly, by using the obtained results, a boundary value problem for the impulsive Langevin fractional differential equation with three Riemann-Liouville fractional derivatives of order $\alpha,\beta\in (1,2),\gamma\in (0,1)$ is converted to an integral equation. Existence results for solutions of the mentioned problem are established. Some examples are given to show readers the applications of the main results.
Keywords:
本文引用格式
刘玉记.
Liu Yuji.
1 引言
Lizana等[14]利用调和技巧建立了一类分数阶Langevin方程. Gambo等[7]给出了具有分数阶Hadsmard导数的Langevin方程的Caputo型改进.分数阶Langevin方程的近期研究工作可参考文献[2-3, 5, 7, 14, 21-22, 24-25]. Ahmad等[2, 4-5]研究了具有两个分数阶导数的非线性Langevin方程解的存在性. Tariboon等利用不同的不动点定理研究了具有Hadamard-Caputo型分数阶导数的非线性Langevin方程的解的存在性与唯一性(参见文献[16, 18-19, 22, 27-28]). Tariboon和Ntouyas[21]研究了脉冲
本文填补这一空白,研究如下具有三个分数阶导数的脉冲Langevin方程的反周期边值问题
其中
(a)
(b)设
(c)
(d)
假设
且
本文的首先给出线性Langevin方程
本文后段安排如下:第2节,首先介绍基本概念,然后用三个小节分别建立线性分数阶Langevin方程的连续通解,线性脉冲分数阶Langevin方程的分片连续通解以及建立BVP(1.1)的等价积分方程.第3节,证明BVP(1.1)的解的存在性定理.第4节,举例说明主要所获得结果的应用.
2 概念和预备结果
本节首先介绍基本概念,见文献[17].然后获得线性分数阶Langevin方程的通解,其次给出线性脉冲分数阶Langevin方程的通解,最后将BVP(1.1)转化为等价积分方程.
定义2.1[17] 设
定义2.2[17] 设
定义2.3 设
(ⅰ)对任意
(ⅱ)对任意
(ⅲ)对任意
则称函数
定义2.4 设
(ⅰ)对任意
(ⅱ)对任意
则称
定义2.5 Banach空间:设
定义范数
则
2.1 LFDEs的连续解
设
令
记
容易证明如下结论(详细过程略).
结论2.1 函数
结论2.2 函数列
结论2.3 定义在区间
引理2.1 设
证 设
而且容易推出
由定义计算
于是
则
引理2.2
证 设
因此
我们得到(2.4)式.现设
其次,我们类似得到
最后,我们计算得到
因此
对于
对于
和
对于
直接验证得到
我们得到(2.1)–(2.2)式.引理2.2证明完毕.
2.2 IFDE的分片连续解
设
定理2.3 设
证 证明分两步.由于计算过程是初等的,所以部分计算推导略去.
第1步 设
容易从
类似地,对于
因此对于
因此
从而
第2步 设
对于
于是(2.6)式对于
现在只要证明(2.6)式对于
事实上,假设
那么对于
类似地对于
对于
因此对于
应用(2.5)式,我们得到
立得
通过直接计算我们得到
利用引理2.2相似方法和(2.8)–(2.9)式,知道存在常数
把
2.3 BVP(1.1)的等价积分方程
设条件(a)–(d)成立.我们利用定理2.3建立BVP(1.1)的等价积分方程.为方便起见,记
分别定义行列式
及
定理2.4 设(a)–(d)成立且
证 注意到
通过直接计算得到:当
由(2.14)和(2.16)式得到
(iⅰ)由(2.15)式和
(ⅱ)由(2.13)式和
(ⅲ)由(2.18)式和
(ⅳ)由(2.17)式和
(ⅴ)由(2.15)式, (ⅰ)
(ⅵ)由(2.13)式和
(ⅶ)由(2.18)式和
因此
(ⅷ)由(2.17)式和
由(2.19)–(2.22)式得到
则
把
另一方面,如果
3 BVP(1.1)的可解性}}
本节建立BVP(1.1)的分片连续解的存在性定理.设行列式
我们需要如下假设
(H1)存在单调非减函数
记
定理3.1 假设(a)–(d)成立.如果存在
则BVP(1.1)至少有一个分片连续解.
证 由
因此
我们得到
因此对
于是
推论3.1 假设(a)–(d)成立且存在常数
则BVP(1.1)至少由一个分片连续解.
证 取
4 例题
本节给出例题说明所获得的结论(引理2.2)应用,并说明针对不同的
例4.1 考虑下面方程
由引理2.2,容易知道方程(4.1)有解
其中
与方程(2.1)相比,在方程(4.1)中,
且
由
例4.2 考虑下面方程
由引理2.2知道方程(4.3)有解
其中
与方程(2.1)相比,在(4.3)式中,
且
容易看出
例4.3 考虑如下方程
由引理2.2知道(4.5)式有如下解
其中
与方程(2.1)相比,在方程(4.5)中,
且
容易看出
注4.4 设
边值问题(4.7)是梁方程反周期边值问题的推广,其边界条件与BVP(1.1)中边界条件不同.
参考文献
Stability of solutions to impulsive Caputo fractional differential equations
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On Caputo modification of the Hadamard fractional derivative
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Nonlinear fractional integro-differential Langevin equation involving two fractional orders with three-point multi-term fractional integral boundary conditions
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Nonlinear second-order impulsive q-difference Langevin equation with boundary conditions
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On the nonlocal Katugampola fractional integral conditions for fractional Langevin equation
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Existence of solutions for impulsive fractional Langevin functional differential equations with variable parameter
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Boundary value problem of a nonlinear Langevin equation with two different fractional orders and impulses
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On Caputo-Hadamard type fractional impulsive hybrid systems with nonlinear fractional integral conditions
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Existence and uniqueness of solutions of initial value problems for nonlinear Langevin equation involving two fractional orders
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Nonlinear fractional Caputo-Langevin equation with nonlocal Riemann-Liouville fractional integral conditions
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