具有半正非线性项的分数阶差分方程组边值问题的正解
Positive Solutions for a System of Boundary Value Problems of Fractional Difference Equations Involving Semipositone Nonlinearities
收稿日期: 2018-04-2
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Received: 2018-04-2
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作者简介 About authors
徐家发,E-mail:
该文运用不动点指数研究一类具有半正非线性项的分数阶差分方程组边值问题的正解.
关键词:
In this paper, we use the fixed point index to investigate the existence of positive solutions for a system of boundary value problems of fractional difference equations involving semipositone nonlinearities.
Keywords:
本文引用格式
徐家发.
Xu Jiafa.
1 引言及预备知识
对任意的
其中
(C1)存在正常数
分数阶方程是近年来研究的热点问题.数学家们研究发现运用分数阶模型能更精确地模拟现实问题,其应用领域涵盖流体力学、流变学、粘弹性力学、电分析化学、生物系统的电传导等方面,虽然存在许多争论,但其应用的广泛性与有效性则是不争的事实[1].然而我们注意到,绝大多数学者研究的问题都是微分方程,对于分数差分方程却鲜有问津.郑祖庥教授[1, 2]指出:"对于分数微分方程来说,离散化或者问题提出时便是离散的分数差分方程是不可避免的.迄今只作为近似解计算的出发点,没有对分数差分方程的专门研究,因此,无论从理论还是应用的角度看,这都是极大的缺憾".然而令人喜悦的是,近期已有很多工作致力于研究分数差分方程,参见文献[2-15]及其所附参考文献,其中专著[2-3]研究总结了近期这方面一些杰出的工作.
其中
在文献[5]中,作者运用拓扑度理论16],研究了问题(1.2)非平凡解的存在性(
其中
对
受上述文献的启发,本文运用不动点指数理论研究分数差分方程组边值问题(1.1)正解的存在性.创新点在于:(l)非线性项可以做到下方有界; (2)运用凹凸函数刻画非线性项之间的耦合行为; (3)所使用的条件优于条件(1.3),详见第2节将给出的(C2).
以下我们给出本文所使用到的分数阶差分计算相关的定义及引理.
定义1.2[9] 当
由此定义
其中
引理1.3[9] 若对于实数
引理1.4[9] 若
为了获得方程组(1.1)正解的存在性,我们首先考虑如下的辅助问题
其中
(C1)
引理1.5[15,引理3.1] 分数阶差分方程边值问题(1.4)的解可表示为
其中格林函数
引理1.6[15,引理3.2] 格林函数
(1)
(2)
引理1.7 令
其中
证 根据
从而根据引理1.6,对任意的
和
证毕.
令
则
若
则可得以下的引理.
引理1.8 对任意的
证 根据引理1.6,对任意的
另一方面,对任意的
证毕.
定义
其中
根据引理1.6(1),我们可得到
因此,若
我们将问题(1.4)做如下变形
其中
引理1.9 (1)若
(2)若
由此可知我们仅需要找寻问题(1.13)超过
定义算子
由引理1.5知,问题(1.13)解的存在性等价于算子
引理1.10[16] 设
则
引理1.11[16] 设
则
2 主要结论
根据第1节的讨论知,我们需要将问题(1.1)做如下变形
为方便计,以下简记
从而
根据引理1.5,我们可以将(2.1)式转化为如下的和式
定义算子
和
根据第1节的讨论知,算子
为简便记,我们使用
(C2)存在函数
(ⅰ)
(ⅱ)
(C3)
(C4)存在函数
(ⅰ)
(ⅱ)
(C5)
例2.1 令
从而
其中
则条件(C3)成立.另一方面
从而条件(C2)(ⅱ)成立.
例2.2 令
从而
其中
则条件(C5)成立.另一方面
从而条件(C4)(ⅱ)成立.
定义
定理2.3 若条件(C1)–(C3)成立,则差分方程组(1.1)至少有一个正解.
证 第一步 证明存在
其中
和
注意到
从而可得
因此,将上式带入(2.4)式可得
将(2.6)式两边分别乘以
由于
由此解得
另一方面,注意到
在(2.6)式两边乘以
结合上述两个不等式,我们可得
根据条件(C2)(ⅰ),
综上所述
第二步{\quad}证明
其中
从而
然而根据条件(C3),我们有
这表明
通过(2.7)和(2.10)式计算可得
因此算子
定理2.4 若条件(C1), (C4)–(C5)成立,则差分方程组(1.1)至少有一个正解.
证 第一步 证明存在
反证法.若上式不成立,则存在
根据条件(C4)(ⅱ)我们可得
和
从而,对任意的
结合(2.12)式,我们可推出
在上式两边乘以
注意到
解该不等式得
在(2.14)式两边乘以
注意到
从而可得
再根据条件(C4)(ⅰ),存在
综上所述
第二步 证明
其中
反证法.若上式不成立,则存在
因此
然而根据条件(C5),对任意的
这表明
根据(2.15)和(2.18)式可知
因此算子
参考文献
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,DOI:10.1007/s00013-012-0463-2 [本文引用: 1]
Existence and uniqueness of solutions for a first-order discrete fractional boundary value problem
,DOI:10.1007/s13398-017-0406-7 [本文引用: 1]
Systems of semipositone discrete fractional boundary value problems
,DOI:10.1080/10236198.2013.856073 [本文引用: 2]
Existence of a positive solution to a system of discrete fractional boundary value problems
,
Systems of discrete fractional boundary value problems with nonlinearities satisfying no growth conditions
,DOI:10.1080/10236198.2015.1013537 [本文引用: 1]
On discrete sequential fractional boundary value problems
,DOI:10.1016/j.jmaa.2011.06.022 [本文引用: 4]
Existence and uniqueness results of nonlocal fractional sum-difference boundary value problems for fractional difference equations involving sequential fractional difference operators
,
Existence and uniqueness of solutions of sequential nonlinear fractional difference equations with three-point fractional sum boundary conditions
,DOI:10.1002/mma.3263
On existence of positive solutions for a class of discrete fractional boundary value problems
,
Multiplicity and uniqueness for a class of discrete fractional boundary value problems
,
A transform method in discrete fractional calculus
,
Existence of positive solutions for a discrete fractional boundary value problem
,
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