一类带强迫项的高阶半线性分数阶微分方程的广义Lyapunov不等式
Generalized Lyapunov Inequalities for a Higher-Order Sequential Fractional Differential Equation with Half-Linear Terms
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收稿日期: 2019-06-14
Received: 2019-06-14
In this paper, we establish some new Lyapunov-type inequalities and Hartman-type inequalities for a higher-order sequential Riemann-Liouville fractional boundary value problem with some half-linear terms and a forcing term. We generalize some existing results in literature.
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马德香, ÖzbeklerAbdullah.
Ma Dexiang, Özbekler Abdullah.
1 引言
对于方程
有如下结论:如果
由于对任意
微分方程Lyapunov不等式及广义Lyapunov不等式(如Lyapunov型不等式和Hartman型不等式)被广泛应用在研究振荡理论、渐近理论、非共轭区间的估计以及特征值估计.鉴于其广泛应用, 该研究热点被推广到各种不同的微分方程, 例如对带线性项的偶数阶线性微分方程的研究, 参见文献[4-10]; 对带线性项的奇数阶线性微分方程的研究, 参见文献[5, 11-12]; 对带半线性项的偶数阶线性微分方程的研究, 参见文献[13-14]; 对带半线性项的二阶半线性微分方程的研究, 参见文献[14-19]; 对带线性项的高阶线性微分方程的研究和带半线性项的高阶半线性微分方程的研究, 分别参见文献[20-21]和[22-23].
随着分数阶微积分的发展, 对Lyapunov不等式的研究已经推广到分数阶微分方程
其中
显然, 当
其中
考虑方程(1.6)的两种特殊情况.其一是次线性项的权因子
其二是超线性项的权因子
截至目前, 还没有文献讨论当方程(1.7), (1.8)和(1.6)中的参数
在参数
本文讨论下述带强迫项的高阶半线性分数阶微分方程的广义Lyapunov不等式
为方便起见, 关于(1.9)式, 做如下说明
(i)
(ii)
(iii) 权因子项
(iv) 对
其中
注 1.1 在研究方程(1.9)之前, 我们指出文献[31]中的几点问题.
(i) 在文献[31]的不等式(2.11)中, 可以证明对任意的
(ii) 文献[31]中的不等式(2.11)是非严格不等式, 而应该表述如下
因为利用其引理2.1中结论只能得到
而非原文中如下的严格不等式
由此由(1.11)式只可得到
而非原文中的
从而, 文献[31]中不等式(2.3), (2.12)和(2.16), 定理2.9(i)中不等式, 定理2.10(i)中不等式, 以及不等式(2.18)都是非严格不等式.本文接下来的陈述中凡提到上述不等式(例如注3.1, 注3.2, 注3.3以及注4.2), 均指非严格不等式.
定义 1.1 称
定义 1.2[32]
其中
定义 1.3[32]
其中
注 1.2 对任意
(i)
(ii) 对任意
接下来, 本文在第2部分将给出一些引理, 主要结果在第3部分给出, 第4部分中会把主要结果推广到更一般的问题.最后给出例子作为理论结果的应用.
2 引理
引理 2.1 设
(2.1)式中的等号成立当且仅当
证 对任意
即(2.1)式成立, 且知(2.1)式中的等号成立当且仅当
引理 2.2[24]
在
其中
引理 2.3[24] (2.3)式中定义的Green函数
(i) 对任意
(ii) 对任意
引理 2.4[33] (2.3)式中定义的Green函数
为方便, 对
那么, 由引理2.3和引理2.4可得
(a) 对任意
(b) 对任意
(c) 对任意
引理 2.5 对任意
证 由(2.6)式可知
因此对任意
依此类推得
引理2.5证毕.
3 主要结果
为方便起见, 记
其中(3.2)式中
定理 3.1 假设在
(A) 如果在
(B) 如果在
(C) 如果在
证 令
(A) 记
对
利用引理2.2, 由(3.12)式得
即
在(3.14)式中取
在(3.14)式中取
在(3.14)式中取
依此类推, 重复上述过程
将(3.10)式带入(3.17)式得
另一方面, 由(2.5)式可知
将(3.19)式带入(3.18)式并且运用引理2.5得到
显然, 由(3.20)式知
注意到(3.3)式中定义的常数
其中
将(3.22)式带入(3.21)式得
其中
由
即
此式即为(3.4)式.
考虑到
且
由(3.24)式和(3.25)式, 结合(3.4)式易得(3.5)式.
(B) 记
在
考虑到
(C) 记
当
此时由定理3.1(C)得下面推论.
推论 3.1 假设在
注 3.1 当
注 3.2 当
注 3.3 当
在方程(1.9)中如果取
此时常数
推论 3.2 假设在
4 结论的推广
研究如下带强迫项的混合半线性分数阶微分方程的Lyapunov型和Hartman型不等式
其中
为方便, 记
定理 4.1 假设存在
(A*)如果在
(B*)如果在
(C*)如果在
证 (A*)证明过程与定理3.1(A)类似, 关键不同在于
由(4.2)式可断定
其中
由
将(4.11)式带入(4.10)式得
考虑到
即
此即为不等式(4.4).
接下来, 与(3.24)和(3.25)式推导过程类似, 可得
从而有
由(4.12)和(4.13)式, 结合(4.4)式即得(4.5)式.
(B*)和(C*)的证明由(A*)即得, 此处略.
推论 4.1 假设存在
证 证明过程与定理4.1类似, 从不等式(4.11)开始有所不同.对(4.11)式, 由引理2.1我们知道, 对
也即
考虑到
即
此式说明不等式(4.4)是严格不等式.因而, (4.6)和(4.8)式都是严格不等式.
当
其中,
当
例 4.1 考虑下面带强迫项的混合半线性分数阶微分方程
其中
由注 知
由定理4.1(C*)可以断定, 如果方程(4.16)在
其中
进一步, 由定理4.1(A*)可知, 如果在
参考文献
Probleme général de la stabilité du mouvement (French Translation of a Russian paper dated 1893)
,
Lyapunov-type inequalities for a class of higher-order linear differential equations
,
On Liapunov-type inequality for certain higher-order differential equations
,
Riemann zeta function and Lyapunov-type inequalities for certain higher order differential equations
,
Lyapunov-type integral inequalities for certain higher order differential equations
,
Lyapunov-type inequalities for higher order half-linear differential equations
,
Lyapunov-type inequality for a class of even-order linear differential equations
,
On the Lyapunov-type inequalities of a three-point boundary value problem for third order linear differential equations
,
On Liapunov-type inequality for third-order differential equations
,
Disconjugacy via Lyapunov and Vallée-Poussin type inequalities for forced differential equations
,
Lyapunov type inequalities for second-order half-linear differential equations
,
Lyapunov-type inequalities for a certain class of nonlinear systems
,
Lyapunov type inequalities for second order sub and super half-linear differential equations
,
Lyapunov-type inequality for a class of even-order differential equations
,
Lyapunov-type inequality for a class of odd-order differential equations
,
Lyapunov-type integral inequalities for certain higher-order differential equations
,
Lyapunov-type inequalities for third-order half-linear equations and applications to boundary value problems
,
A Lyapunov-type inequality for a fractional boundary value problem
,
On a Lyapunov-type inequality and the zeros of a certain Mittag-Leffler function
,
Lyapunov-type inequalities for a fractional differential equation with mixed boundary conditions
,
Lyapunov-type inequality for a fractional differential equation with fractional boundary conditions
,
Hartman-Wintner-type inequalities for a class of nonlocal fractional boundary value problems
,DOI:10.1002/mma.3972 [本文引用: 1]
Lyapunov-type inequalities for mixed nonlinear Riemann-Liouville fractional differential equations with a forcing term
,
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