数学物理学报, 2022, 42(3): 661-670 doi:

论文

一类边界条件含谱参数的微分算子

孙康, 高云兰,

内蒙古工业大学理学院 呼和浩特 010051

A Class of Differential Operators with Eigenparameter Dependent Boundary Conditions

Sun Kang, Gao Yunlan,

College of Sciences, Inner Mongolia University of Technology, Hohhot 010051

通讯作者: 高云兰, E-mail: Yunlangao20141201@imut.edu.cn

收稿日期: 2021-05-20  

基金资助: 国家自然科学基金.  11661059
内蒙古自然科学基金.  2017MS(LH)0103

Received: 2021-05-20  

Fund supported: the NSFC.  11661059
the NSF of Inner Mongolia.  2017MS(LH)0103

Abstract

In this paper, A class of third-order differential operators with transition conditions and two boundary conditions containing spectral parameters is studied, and the analytical method is used to do two aspects of work. First, by constructing a new space and a new operator, the eigenvalues of the problem and the operator are connected so that the eigenvalues of the original problem are consistent with the eigenvalues of the new operator. Second, the properties of the eigenvalues of the original problem are studied, and the conclusion that the spectrum of the original problem has only point spectrum is given.

Keywords: Differential operator ; Boundary condition ; Transition condition ; Eigenvalues

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本文引用格式

孙康, 高云兰. 一类边界条件含谱参数的微分算子. 数学物理学报[J], 2022, 42(3): 661-670 doi:

Sun Kang, Gao Yunlan. A Class of Differential Operators with Eigenparameter Dependent Boundary Conditions. Acta Mathematica Scientia[J], 2022, 42(3): 661-670 doi:

1 引言

众所周知, 三阶微分方程起源于应用数学和物理学的许多不同领域中, 如带有固定或变化横截面的屈曲梁的挠度、三层梁、地球引力吹积的涨潮等. 因此, 对于三阶微分算子边值问题的研究越来越受到了人们广泛的关注, 从正则的到具有转移条件的, 再到一个边界条件中含有谱参数的情形, 都有一些相应的研究结论. 如: 2019年, 牛天在其硕士论文[1]中得到了三阶正则微分算子自伴边界条件标准型的完全描述, 同时, 利用亏指数理论将正则情况推广到奇异情况, 最后研究了实耦合型自伴边界条件下三阶正则微分算子特征值关于问题的依赖性. 同年, Uǧurlu在文献[2]中考虑了三阶正则微分表达式分别同分离, 实耦合和复耦合边界条件所产生的边值问题, 验证了问题的自伴性以及问题的特征值对条件中给定参数的依赖性. Uǧurlu在文献[3]中考虑的是具有转移条件的情形, 证明了该类算子特征值是实的, 同时给出特征值关于给定参数的微分表达式. 在上述文献的基础上, 我们研究了几类三阶微分算子, 其中包括一个边界条件中含有谱参数的情形, 具有转移条件且一个边界条件中含有谱参数的情形.

本文拟讨论一类具有转移条件且两个边界条件带有谱参数的三阶微分算子. 类似于文献[4-6]的方法, 根据给定问题构造新空间和新算子, 使得新空间上新算子的特征值和原问题的特征值是一致的; 然后证明新算子定义域的稠密性, 新算子的对称性, 进而证明该算子的自伴性, 从而推出特征值是实的. 最后研究了所考虑问题的特征值的性质, 得到问题的谱只有点谱.

本文考虑三阶微分方程

$ \begin{equation} ly = \frac{1}{w} (-{\rm i} y^{(3)}+q y) = \lambda y, x \in J, \end{equation} $

其中$ J = [a, c)\cup (c, b] $, $ -\infty<a<c<b<\infty $, 其中$ q $$ w $是实值连续函数, $ w(x) $几乎处处大于零, $ \lambda \in {\Bbb C} $是谱参数. 对应的边界条件为

$ \begin{eqnarray} && l_{1} y = \left(\alpha_{1} \lambda+\beta_{1}\right) y(a)-\left(\alpha_{2} \lambda+\beta_{2}\right) y^{[2]}(a) = 0, \end{eqnarray} $

$ \begin{eqnarray} &&l_{2} y = ({\rm i}+\tan \gamma) y^{[1]}(a)-(1+{\rm i} \tan \gamma) y^{[1]}(b) = 0, \end{eqnarray} $

$ \begin{eqnarray} && l_{3} y = \left(\alpha_{3} \lambda+\beta_{3}\right) y(b)-\left(\alpha_{4} \lambda+\beta_{4}\right) y^{[2]}(b) = 0, \end{eqnarray} $

其中$ \alpha_{i}, \beta_{i}, \gamma $均属于$ {{\Bbb R}}\ (i = 1, 2) $.

转移条件为

$ \begin{eqnarray} &&l_{4}y = y(c+)-\alpha_{11} y(c-)+\alpha_{12} y^{[2]}(c-) = 0, \end{eqnarray} $

$ \begin{eqnarray} && l_{5}y = y^{[1]}(c+)-y^{[1]}(c-) = 0, \end{eqnarray} $

$ \begin{eqnarray} &&l_{6}y = y^{[2]}(c+)-\beta_{11} y(c-)+\beta_{12} y^{[2]}(c-) = 0, \end{eqnarray} $

其中拟导数定义为

$ \begin{equation} y^{[0]} = y, y^{[1]} = -\frac{1+{\rm i}}{\sqrt{2}} y^{\prime}, y^{[2]} = {\rm i}y^{\prime \prime}-{\rm i}qy, \end{equation} $

$ y^{[0]}, y^{[1]}, y^{[2]}\in AC[J] $$ ly\in L_{w}^{2}(J) $.

假设

为了更方便的考虑边值问题(1.1)–(1.7), 在$ H_{1} = L_{w}^{2} $上定义内积如下

$ \begin{equation} [f(x), g(x)]_{1} = \int_{a}^{c} f_{1}(x) \bar{g}_{1}(x) w_{1}(x){\rm d}x+\int_{c}^{b} f_{2}(x) \bar{g}_{2}(x) w_{2}(x){\rm d}x, \end{equation} $

其中$ f(x) = \left\{\begin{array}{l} f_{1}(x), x \in[a, c) \\ f_{2}(x), x \in(c, b] \end{array}\right., $$ g(x) = \left\{\begin{array}{l} g_{1}(x), x \in[a, c) \\ g_{2}(x), x \in(c, b] \end{array}\right., $$ w(x) = \left\{\begin{array}{l} w_{1}(x), x \in[a, c) \\ w_{2}(x), x \in(c, b] \end{array}\right., $易证$ (H_{1}, [\cdot, \cdot]_{1}) $是Hilbert空间.

$ H = H_{1} \oplus {\Bbb C}_{\rho_{1}} \oplus {\Bbb C}_{\rho_{2}} $, 对于任意的$ F = (f(x), h, r)^{T}, G = (g(x), k, s)^{T}, h, r, k, s $均为复数, 在$ H $内定义内积如下

$ \begin{equation} [F, G] = [f(x), g(x)]_{1}+\frac{1}{\rho_{1}} h \bar{k}+\frac{1}{\rho_{2}} r \bar{s}, \end{equation} $

显然$ H $是一个Hilbert空间. 定义算子$ A $如下

显然有如下结论.

定理1.1  问题$ (1.1) $$ (1.7) $的特征值与算子$ A $的特征值一致, 且特征函数是算子$ A $的相应的特征函数的第一个分量.

根据文献[3], 有拉格朗日恒等式

$ \begin{equation} [Ly, z]_{1}-[y, Lz]_{1} = [y \bar{z}]|_{a}^{c-}+[y \bar{z}]|_{c+}^{b}, \end{equation} $

并有$ [y \bar{z}]|_{t_{1}}^{t_{2}} = [y \bar{z}]\left(t_{2}\right)-[y \bar{z}]\left(t_{1}\right) $, 其中

$ \begin{equation} [y z] = yz^{[2]}-y^{[2]}z+{\rm i}{y}^{[1]}z^{[1]}, \end{equation} $

此处$ y^{[r]} $$ y $$ r(r = 0, 1, 2) $阶拟导数, 见定义(1.8).

2 主要结论

定理2.1  算子$ A $的定义域$ D(A) $$ H $中稠密.

  假设$ D(A) $$ H $中按内积(1.9)–(1.10)是不稠密的, 那么一定存在一个非零元素$ F \in H $, 对于$ \forall G \in D(A) $, 有$ [F, G] = 0 $. 其中$ F = (f(x), h, r)^{T}, G = (g(x), k, s)^{T} $.

$ C_{0}^{\infty} $表示如下函数集合

其中$ \varphi_{1}(x) \in C_{0}^{\infty}[a, c), \varphi_{2}(x)\in C_{0}^{\infty}(c, b] $, 显然$ C_{0}^{\infty}\oplus \{0\}\oplus \{0\}\subseteq D(A) $.

$ U = (u(x), 0, 0)^{T}\in C_{0}^{\infty}\oplus \{0\}\oplus \{0\} $, 则$ F\perp U $. 根据内积定义有下列式子成立

又知$ \bar{C}_{0}^{\infty} = H_{1} $, 故$ f_1(x) = 0, f_2(x) = 0 $, 即$ f(x) = 0 $.

$ G = (g(x), k, s)^{T}\in D(A) $, 有

由于$ k, s $是任意选取的, 故$ h = 0, r = 0 $. 于是$ F = (f(x), h, r)^{T} = (0, 0, 0)^{T} $, 这与最初的假设矛盾, 综上$ D(A) $$ H $中是稠密的.

定理2.2  线性算子$ A $是对称的.

  对于$ F, G\in D(A) $,

$ A $的定义, 知

$ \begin{eqnarray} [AF, G]& = &[lf(x), g(x)]_{1}+\frac{1}{\rho_{1}}\left(\beta_{2} f^{[2]}(a)-\beta_{1} f(a)\right)\left(\alpha_{1} \bar{g}(a)-\alpha_{2} \bar{g}^{[2]}(a)\right) \\ &&+\frac{1}{\rho_{2}}\left(\beta_{4}f^{[2]}(b)-\beta_{3}f(b)\right)\left(\alpha_{3} \bar{g}(b)-\alpha_{4}\bar{g}^{[2]}(b)\right), \end{eqnarray} $

$ \begin{eqnarray} [F, AG]& = &[f(x), lg(x)]_{1}+\frac{1}{\rho_{1}}\left(\alpha_{1}f(a)-\alpha_{2}f^{[2]}(a)\right)\left(\beta_{2}\bar{g}^{[2]}(a)-\beta_{1} \bar{g}(a)\right) \\ &&+\frac{1}{\rho_{2}}\left(\alpha_{3}f(b)-\alpha_{4}f^{[2]}(b)\right)\left(\beta_{4}\bar{g}^{[2]}(b)-\beta_{3}\bar{g}(b)\right), \end{eqnarray} $

根据拉格朗日恒等式、边界条件以及转移条件, 有下式成立

因此$ [AF, G] = [F, AG] $, 故算子$ A $是对称的.

定理2.3   线性算子$ A $是自伴的.

  由于$ A $是对称的, 要证$ A $$ H $中是自伴的, 只需要证明: 若对于任意的$ F = \left(f(x), \alpha_{1}f(a)-\alpha_{2}f^{[2]}(a), \alpha_{3}f(b)-\alpha_{4}f^{[2]}(b)\right)^{T}\in D(A) $, 有若: $ [AF, V] = [F, U] $成立, 则$ V\in D(A) $$ AV = U $ (其中$ V = (v(x), m_{1}, m_{2})^{T}, U = (u(x), n_{1}, n_{2})^{T} $).

要证如上结论成立, 即要证明如下七条成立:

(1) $ v_{1}(x), v_{1}^{[1]}(x), v_{1}^{[2]}(x)\in AC[a, c), v_{2}(x), v_{2}^{[1]}(x), v_{2}^{[2]}(x)\in AC(c, b], lv(x)\in H_{1} $;

(2) $ m_{1} = \alpha_{1}v(a)-\alpha_{2}v^{[2]}(a) $;

(3) $ m_{2} = \alpha_{3}v(b)-\alpha_{4}v^{[2]}(b) $;

(4) $ l_{2}v = l_{4}v = l_{5}v = l_{6}v = 0 $;

(5) $ u(x) = lv(x) $;

(6) $ n_{1} = \beta_{2}u^{[2]}(a)-\beta_{1}u(a) $;

(7) $ n_{2} = \beta_{4}u^{[2]}(b)-\beta_{3}u(b) $;

具体证明过程如下: 对于任意的$ F = (f(x), 0, 0)\in D(A) $, 有$ [AF, V] = [F, U] $, 根据内积的定义, 这时

$ [lf(x), v(x)]_{1} = [f(x), u(x)]_{1}, $由标准的Sturm-Liouville理论可知$ v(x)\in D(l) $, 故(1)成立.

因为算子$ A $的对称性, 所以有$ [lf(x), v(x)]_{1} = [f(x), lv(x)]_{1} $, 又根据$ (1) $中的证明有$ [lf(x), v(x)]_{1} = [f(x), u(x)]_{1} $, 综上所述(5)得证.

对于任意的$ F\in D(A) $, 方程$ [AF, V] = [F, U] $, 有下式成立

再由$ (5) $可知

$ \begin{eqnarray} [lf(x), v(x)]_{1}-[f(x), lv(x)]_{1} & = &\frac{1}{\rho_{1}}[\left(\alpha_{1}f(a)-\alpha_{2}f^{[2]}(a)\right)\bar{n}_{1}-\left(\beta_{2} f^{[2]}(a)-\beta_{1}f(a)\right)\bar{m}_{1}] \\ &&+\frac{1}{\rho_{2}}[\left(\alpha_{3}f(b)-\alpha_{4}f^{[2]}(b)\right)\bar{n}_{2}-\left(\beta_{4}f^{[2]}(b)-\beta_{3}f(b)\right)\bar{m}_{2}], {\qquad} \end{eqnarray} $

又由算子$ A $的对称性, 有

$ \begin{eqnarray} [lf(x), v(x)]_{1}-[f(x), lv(x)]_{1} = f^{[2]}(a)\bar{v}(a)-f(a)\bar{v}^{[2]}(a)+f(b)\bar{v}^{[2]}(b) -f^{[2]}(b)\bar{v}(b), \end{eqnarray} $

$ (2.3) = (2.4), $根据Naimark Patching Lemma, 存在这样的$ F = (f(x), \alpha_{1}f(a)-\alpha_{2}f^{[2]}(a), \alpha_{3}f(b)-\alpha_{4}f^{[2]}(b))^{T}\in D(A) $, 使得

有下式成立

即有$ n_{2} = \beta_{4}v^{[2]}(b)-\beta_{3}v(b), m_{2} = \alpha_{3}v(b)-\alpha_{4}v^{[2]}(b) $, (3)(7) 成立, 利用同样的方法我们可得(2)和(6).

现在只需证明$ (4) $成立. 由(1.11)和(1.12)式可知

$ \begin{eqnarray} &&[lf(x), v(x)]_{1}-[f(x), lv(x)]_{1} \\ & = &f(b)\bar{v}^{[2]}(b) -f^{[2]}(b)\bar{v}(b)+{\rm i} f^{[1]}(b)\bar{v}^{[1]}(b)+f^{[2]}(a)\bar{v}(a)-f(a)\bar{v}^{[2]}(a)\\ &&-{\rm i} f^{[1]}(a)\bar{v}^{[1]}(a)+f(c-)\bar{v}^{[2]}(c-) -f^{[2]}(c-)\bar{v}(c-)+{\rm i} f^{[1]}(c-)\bar{v}^{[1]}(c-)\\ &&+f^{[2]}(c+)\bar{v}(c+)-f(c+)\bar{v}^{[2]}(c+)-{\rm i} f^{[1]}(c+)\bar{v}^{[1]}(c+), \end{eqnarray} $

结合(2.4)和(2.5)式可得

$ \begin{eqnarray} &&{\rm i} f^{[1]}(b)\bar{v}^{[1]}(b)-{\rm i} f^{[1]}(a)\bar{v}^{[1]}(a) +f(c-)\bar{v}^{[2]}(c-) -f^{[2]}(c-)\bar{v}(c-)\\ && +{\rm i} f^{[1]}(c-)\bar{v}^{[1]}(c-)+f^{[2]}(c+)\bar{v}(c+) -f(c+)\bar{v}^{[2]}(c+)-{\rm i} f^{[1]}(c+)\bar{v}^{[1]}(c+) = 0, \end{eqnarray} $

根据Naimark Patching Lemma, 存在这样的$ F = (f(x), \alpha_{1}f(a)-\alpha_{2}f^{[2]}(a), \alpha_{3}f(b)-\alpha_{4}f^{[2]}(b))^{T} $$ \in D(A) $, 使得$ f(c-) = f^{[1]}(c-) = f^{[2]}(c-) = f(c+) = f^{[1]}(c+) = f^{[2]}(c+) = 0, f^{[1]}(a) = ({\rm i}+\tan\gamma), $$ f^{[1]}(b) = 1+{\rm i}\tan\gamma $代入(2.6)式中, 可得$ l_{2}(v) = 0 $, 同理可证, $ l_{4}(v) = l_{5}(v) = l_{6}(v) = 0 $, 故线性算子$ A $$ H $中是自伴的.

定理2.4   问题$ (1.1) $$ (1.7) $的所有特征值及相应的特征函数均是实的.

  由于原问题的特征值与算子$ A $的特征值是一致的, 且自共轭算子$ A $的特征值是实的, 故该推论成立.

注2.1   问题(1.1)–(1.7)的所有特征值是实的, 如果$ \lambda_{1}, \lambda_{2} $是两个不同的特征值, 那么问题所对应的特征函数$ f(x), g(x) $在如下定义的内积的意义下是正交的

3 特征值的性质

引理3.1  令实值函数$ q(x) $$ [a, b] $上是连续的, $ f_{i}(\lambda)(i = 1, 2, 3) $是给定的整函数, 对于$ \forall\lambda \in {\Bbb C} $, 方程$ -{\rm i} u^{(3)}(x)+q(x) u(x) = \lambda w(x) u(x), x \in[a, c) \cup(c, b] $, 满足初始条件$ u(a) = f_{1}(\lambda), u^{[1]}(a) = f_{2}(\lambda), u^{[2]}(a) = f_{3}(\lambda) $ (或$ u(b) = f_{1}(\lambda), u^{[1]}(b) = f_{2}(\lambda), u^{[2]}(b) = f_{3}(\lambda)) $的解$ u = u(x, \lambda) $存在且唯一, 并对于每一个固定的$ x\in[a, b], u(x, \lambda) $$ \lambda $的整函数.

  在常微分方程中由解的存在唯一性, 我们可得到该结论.

$ \varphi_{1}(x, \lambda), \chi_{1}(x, \lambda), \psi_{1}(x, \lambda) $分别是方程

满足初始条件

的线性无关解.

它的朗斯基行列式独立于变量$ x, $记为$ \omega_{1}(\lambda), $

$ \varphi_{2}(x, \lambda), \chi_{2}(x, \lambda), \psi_{2}(x, \lambda) $是方程

满足条件(1.5)–(1.7)的解, 函数$ \varphi_{2}(x, \lambda) $, $ \chi_{2}(x, \lambda) $, $ \psi_{2}(x, \lambda) $的朗斯基行列式独立于变量$ x $, 记为$ \omega_{2}(\lambda) $, 则

因此, $ \varphi_{2}(x, \lambda), \chi_{2}(x, \lambda), \psi_{2}(x, \lambda) $$ (c, b] $上是线性无关的. 现在区间$ J = [a, c)\cup(c, b] $上定义函数

$ \varphi(x, \lambda), \chi(x, \lambda), \psi(x, \lambda) $是方程$ ly = \lambda y $$ J = [a, c)\cup(c, b] $上满足转移条件的线性无关的解.

引理3.2[7]   设$ u(x, \lambda) = \left\{\begin{array}{l} u_{1}(x, \lambda), x\in[a, c), \\ u_{2}(x, \lambda), x\in(c, b] \end{array}\right. $是方程$ ly = \lambda y $的任意一个解, 则它可以表示为

其中$ c_{i}\in{\Bbb C}(i = 1, 2, \cdots6) $.$ u(x, \lambda) $满足转移条件, 则$ c_{1} = c_{4}, c_{2} = c_{5}, c_{3} = c_{6} $.

下面令

其中$ \Phi_{1}(x, \lambda) $$ \Phi_{2}(x, \lambda) $$ c $点处的值分别由左右极限定义, 设

其中

对于任意的$ x\in [a, c)\cup(c, b], \Phi(x, \lambda) $是关于$ \lambda $的整函数.

现将边值问题的边界条件写为矩阵形式, 则

其中

定理3.1   复数$ \lambda $是问题$ (1.1) $$ (1.7) $的特征值, 当且仅当$ \lambda $满足

  必要性.  $ \ $$ \lambda $是问题(1.1)–(1.7) 的特征值, $ y(x) $是相应的特征函数, 根据引理3.2知: 存在不全为零的$ c_{1}, c_{2}, c_{3} $, 使得

$ y(x, \lambda) $带入边界条件$ A_{\lambda}Y(a)+B_{\lambda}Y(b) = 0 $, 可得

由于$ c_{1}, c_{2}, c_{3} $不全为零. 因此$ {\rm det}\left(A_{\lambda}+B_{\lambda} \Phi(b, \lambda)\right) = 0 $.

充分性.  若$ {\rm det}\left(A_{\lambda}+B_{\lambda} \Phi(b, \lambda)\right) = 0 $, 则关于$ c_{1}, c_{2}, c_{3} $的齐次方程组

有非零解$ \left(c_{1}^{\prime}, c_{2}^{\prime}, c_{2}^{\prime}\right)^{T} $.

则上式是方程$ ly = \lambda y $满足条件(1.2)–(1.7) 的非零解, 故$ \lambda $是问题(1.1)–(1.7) 的特征值.

定理3.2   问题$ (1.1) $$ (1.7) $最多有可数个实的特征值, 并且没有有限值的聚点.

  由定理3.1知(1.1)–(1.7) 的特征值是函数det $ (A_{\lambda}+B_{\lambda}\Phi(b, \lambda)) = 0 $的零点. 已知函数$ \Phi (b, \lambda) $是关于$ \lambda $的整函数, 又由注2.1知问题(1.1)–(1.7)的特征值为实的, 即任何复数$ \mu $不是问题(1.1)–(1.7) 的特征值, 说明整函数det $ (A_{\lambda}+B_{\lambda}\Phi (b, \lambda)) $不恒为零, 故根据整函数的零点分布定理, 我们得到问题(1.1)–(1.7)最多有可数个实的特征值, 并且没有有限值的聚点.

定理3.3   算子$ A $仅有点谱, 即

  只需证明, 若$ \lambda $不是算子$ A $的特征值, 则$ \lambda\in\rho(A) $. 由于算子$ A $是自伴算子, 故仅考虑$ \lambda $为实数的情况.

下面讨论方程$ (A-\lambda)U = F $, 其中$ U = (u(x), \alpha_{1}u(a)-\alpha_{2}u^{[2]}(a), \alpha_{3}u(b)-\alpha_{4}u^{[2]}(b))\in D(A), F = (f(x), h, r)^{T}\in H $, 由于$ A $的定义, 将问题分成初值问题

$ \begin{equation} \left\{\begin{array}{l} (l-\lambda) u(x) = f(x), \\ u(c+) = \alpha_{11} u(c-)-\alpha_{12} u^{[2]}(c-), \\ u^{[1]}(c+) = u^{[1]}(c-), \\ u^{[2]}(c+) = \beta_{11}u(c-)- \beta_{12}u^{[2]}(c-) \end{array}\right. \end{equation} $

及方程组

$ \begin{equation} \left\{\begin{array}{l} h = -\left(\beta_{1} u(a)-\beta_{2} u^{[2]}(a)\right)-\lambda\left(\alpha_{1} u(a)-\alpha_{2} u^{[2]}(a)\right) = 0, \\ r = -\left(\beta_{3} u(b)-\beta_{4} u^{[2]}(b)\right)-\lambda\left(\alpha_{3} u(b)-\alpha_{4} u^{[2]}(b)\right) = 0, \\ ({\rm i}+\tan \gamma) u^{[1]}(a)-(1+{\rm i} \tan \gamma) u^{[1]}(b) = 0 \end{array}\right. \end{equation} $

两部分.

由引理$ 3.2 $以及常微分方程通解的结构知问题$ (3.1) $的通解形式如下

$ \begin{equation} u(x, \lambda) = \left\{\begin{array}{l} c_{1} \varphi_{1}(x, \lambda)+c_{2} \chi_{1}(x, \lambda)+c_{3} \psi_{1}(x, \lambda)+k_{1}(x, \lambda), x \in[a, c), \\ c_{1} \varphi_{2}(x, \lambda)+c_{2} \chi_{2}(x, \lambda)+c_{3} \psi_{2}(x, \lambda)+k_{2}(x, \lambda), x \in(c, b], \end{array}\right. \end{equation} $

其中$ k(x, \lambda) = \left\{\begin{array}{l} k_{1}(x, \lambda), x \in[a, c), \\ k_{2}(x, \lambda), x \in(c, b] \end{array}\right. $为问题(3.1)的一个特解. $ (c_{1}, c_{2}, c_{3})\in {\Bbb C}, \varphi_{1}, \varphi_{2}, $$ \chi_{1}, \chi_{2}, $$ \psi_{1}, \psi_{2} $是上面所定义的. 将通解$ (3.3) $代入方程组$ (3.2) $中, 整理得如下三式

$ \begin{eqnarray} &&c_{1}\left(\beta_{1}+\lambda \alpha_{1}\right)-c_{3}\left(\beta_{2}+\lambda \alpha_{2}\right) = k_{1}^{[2]}(a)\left(\beta_{2}+\lambda\alpha_{2}\right)+k_{1}(a)\left(\beta_{1}+\lambda\alpha_{1}\right), \end{eqnarray} $

$ \begin{eqnarray} &&c_{1}[(\beta_{3}+\lambda\alpha_{3})\varphi_{2}(b)-(\beta_{4}+\lambda\alpha_{4})\varphi_{2}^{[2]}(b)]+ c_{2}[(\beta_{3}+\lambda\alpha_{3})\chi_{2}(b)-(\beta_{4}+\lambda\alpha_{4})\chi_{2}^{[2]}(b)] \\ &&+c_{3}[(\beta_{3}+\lambda\alpha_{3})\psi_{2}(b) -(\beta_{4}+\lambda\alpha_{4})\psi_{2}^{[2]}(b)] = k_{2}^{[2]}(b)(\beta_{4}+\lambda\alpha_{4})- k_{2}(b)(\beta_{3}+\lambda\alpha_{3}), \end{eqnarray} $

$ \begin{eqnarray} && \varphi_{2}^{[1]}(b)c_{1}-(\frac{{\rm i}+\tan \gamma}{1+{\rm i} \tan \gamma}-\chi_{2}^{[1]}(b))c_{2}+\psi_{2}^{[1]}(b)c_{3} = -k_{2}^{[1]}(b)+\frac{{\rm i}+\tan \gamma}{1+{\rm i} \tan \gamma}k_{1}^{[1]}(a), \end{eqnarray} $

联立(3.4)–(3.6)式, 可得关于未知数$ c_{1}, c_{2}, c_{3} $的三元一次方程组的系数行列式恰好为

因为$ \lambda $不是算子$ A $的特征值, 由定理3.1知: det$ ( A_{\lambda}+B_{\lambda}\Phi (b, \lambda))\neq 0 $, 因此$ c_{1} $, $ c_{2} $, $ c_{3} $是唯一确定的, 从而$ u $也是唯一确定的.

由以上论述证明了$ (A-\lambda I)^{-1} $定义在全空间$ H $上, 又由$ A $$ H $上是自共轭算子及由闭图像定理知$ (A-\lambda I)^{-1} $是有界的, 说明$ \lambda\in \rho(A) $.

参考文献

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