边界条件含有特征参数的四阶微分算子的自伴性和特征值的依赖性
The Self-Adjointness and Dependence of Eigenvalues of Fourth-Order Differential Operator with Eigenparameters in the Boundary Conditions
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收稿日期: 2021-08-12
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Received: 2021-08-12
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In this paper we consider the self-adjointness and the dependence of eigenvalues of a class of discontinuous fourth-order differential operator with eigenparameters in the boundary conditions of one endpoint. By constructing a linear operator T associated with problem in a suitable Hilbert space, the study of the above problem is transformed into the research of the operator in this space, and the self-adjointness of this operator T is proved. In addition, on the basis of the self-adjointness of the operator T, we show that the eigenvalues are not only continuously but also smoothly dependent on the parameters of the problem, and give the corresponding differential expressions. In particular, giving the Fréchet derivative of the eigenvalue with respect to the eigenparameter-dependent boundary condition coefficient matrix, and the first-order derivatives of the eigenvalue with respect to the left and right sides of the inner discontinuity point c.
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闫文文, 许美珍.
Yan Wenwen, Xu Meizhen.
1 引言
近年来, 国内外许多学者关于微分算子和微分方程边值问题特征值的依赖性问题进行了大量研究, 并且取得了一系列研究成果. 对于二阶微分算子, 1987年, P
在以上研究成果中, 特征参数都只出现在微分算式或微分方程中, 其实还可以出现在边界条件中[12, 13, 22-25]. 许多力学及工程技术领域中的一些问题, 如滑竿上的弦振动问题, 再如热传导方程或波动方程以及一些偏微分方程经过分离变量法之后可以得到边界条件中含有特征参数的微分算子问题[26]. 这类微分方程及边界条件中都带有特征参数的微分算子问题是算子谱理论中的重要研究内容之一, 也是近年来数学物理及科技工作者们研究的热点, 并从不同角度对此问题进行了大量研究[23, 24, 27-30]. 但是, 关于这类问题的特征值依赖性的研究成果目前甚少, 然而, 2020年, Zhang和Li考虑了边界条件一端点含有特征参数的二阶正则Sturm-Liouville算子特征值的依赖性[31].
另外, 具有转移条件(即内部具有不连续性)的Sturm-Liouville问题有着重要的应用前景, 例如热传导和质量转移问题, 衍射问题, 中间有结点的弦振动问题等, 都可以转化为内部具有不连续性的微分算子问题. 其中有许多实际问题往往需要转化为具有转移条件的高阶微分算子问题, 而四阶微分算子又是偶数阶高阶微分算子的一个典型形式, 因此, 我们对一类边界条件一端带有谱参数且具有转移条件的四阶微分算子的自伴性及特征值的依赖性研究也是很有必要的.
本文虽然是将文献[31]的结论推广到了四阶情形, 但是, 因为我们考虑的微分算式更具有一般性且带有特征参数的边界条件与前人工作中带谱参数的边界条件不同, 所以首先要在适当的Hilbert空间中证明问题的自共轭性并给出其特征值存在的条件, 进一步考虑问题特征值的依赖性. 本文不仅给出了特征值关于方程系数函数, 权函数, 转移条件相关矩阵和边界点的微分表达式, 而且也给出了特征值关于特征参数依赖的边界条件系数矩阵的Fr
本文安排如下: 第1节为引言; 第2节给出了本文要研究的基本问题; 第3节证明算子
2 预备知识
考虑一般形式的四阶微分方程
一端具有特征参数的分离型边界条件
及转移条件
其中
定义2.1 令微分算式
其中
引理2.1[32] (Naimark Patching Lemma) 对任意的复数组
定义2.2 若微分方程(2.1) 在端点
存在且有限, 类似可以定义
用
易知
在Hilbert空间
其中
由定义2.2可知, 对于任意的
为了简便, 令
即
因此, 我们可以通过在
3 算子$ T $ 的自共轭性
由算子
引理3.1 边值问题(2.1)–(2.9) 的特征值与
引理3.2 算子
证 设
其中,
知
定理3.1 线性算子
证 对任意的
其中
且
由
再由(3.2)和(3.3) 式得
由转移条件(2.6) 知
将(3.4) 式代入(3.1) 式并结合(2.9) 式可得
因此,
下面只需证明: 若对任意的
(
(
(
(
(
(
对任意的
即
由标准的Sturm-Liouville理论可知
因为算子
再由(
于是
而
因此结合(3.1) 式有
根据引理2.1, 存在函数
此时,
同理可证
由(3.7) 式可知
下面证明(
此时, 由(3.7) 式可得
下面证明(
则由(3.7) 式有
因为
其中
同理, 与上述方法一样, 令
令
令
结合(3.12)–(3.15) 式得
根据
综上所述, 线性算子
由自共轭算子的性质可知:
推论3.1 边值问题(2.1)–(2.9) 的特征值是实的.
推论3.2 设
但是, 在通常意义下, 算子
4 特征值和特征函数的连续性
根据常微分理论中解的存在唯一性定理, 给出边值问题(2.1)–(2.9) 特征值存在的充分必要条件.
为了方便, 我们记边界条件(2.2) 和(2.3) 中的有关系数
且记边界条件(2.2)–(2.5) 的矩阵形式为
其中
接下来我们给出特征值所满足的判别函数.
设
其中
设
其中
引理4.1 一个复数
称
证 这与文献[12, Theorem 3.1] 讨论的边界条件两端含有特征参数的证明过程类似, 因此省略.
接下来, 我们引入Banach空间及相应的范数. 比较任意参数发生微小改变时不同问题的谱的变化, 给出特征值和特征函数对边值问题(2.1)–(2.9) 的参数是连续依赖的. 为此我们令
且令
引入一个Banach空间
及范数
其中
定理4.1 令
证 令
引理4.2 假设(2.7)–(2.9) 成立,
的唯一解
则对
证 可参考文献[15, Lemma 3.2], 虽然本文讨论的边界条件含有谱参数, 但证明过程类似.
引理4.3 假设
证 若
定义4.1 设
成立, 则称
定理4.2 假设记号同定理4.1. 设特征值
在区间
证 设
由引理4.3可知, 存在一个
所以当
下面令
对于
设特征值
通过类似上面的讨论得定理结论.
5 特征值的可微性
在特征值与特征函数关于问题连续依赖性的基础上, 进一步考虑特征值关于问题所有参数的可微性, 即给出特征值关于各个参数的微分表达式. 为此, 我们将用到Fr
定义5.1[4] 设
则称映射
引理5.1 设函数
证 由分部积分的方法可得.
引理5.2[5] 假设函数
证 见文献[5, Lemma 3.2].
定理5.1 令
1. 固定
2. 固定
其中
3. 固定
4. 固定
5. 固定
6. 固定
7. 固定
8. 固定
证 1. 取
根据(5.11) 式和(5.12) 式有
将(5.13) 式分别从
由边界条件(2.2) 我们得到
因此
再由边界条件(2.3), 我们得到
因此
我们发现(5.15) 式与(5.16) 式的和正是
上述等式两端同时除以
2. 令特征值
令
将(i)–(ii) 式的右端整理成如下矩阵形式
同理根据边界条件(2.3), 同(i)–(ii) 式方法类似也整理得如下矩阵形式
结合(5.17)–(5.19) 式, 我们得到
令
3. 令特征值
由
将(5.21) 式代入(5.20) 式可得
令
4. 取
由(2.1) 式和分部积分法得
根据边界条件(2.2) 和(2.3) 有
再结合边界条件(2.4), (2.5) 和(3.5) 式可得
令
5. 取
根据边界条件(2.2) 和(2.3) 有
再由边界条件(2.4), (2.5) 及(3.5) 式, 并用分部积分法可得
令
接下来我们考虑
定理5.2 令(2.7)–(2.9) 式成立,
1. 固定
特别地, 如果
2. 固定
特别地, 如果
证 因为(5.22)和(5.23) 式证明类似, 我们只证明(5.22) 式. 让
和
注意到当
类似的
对(5.24) 式两边同时除以
定理5.3 令(2.7)–(2.9) 式成立,
特别地, 如果
证 让
我们有
其中
注意到当
类似的, 有
对(5.28) 式两边同时除以
定理5.4 令(2.7)–(2.9) 式成立,
特别地, 如果
证 让
我们有
其中
注意到当
类似的, 有
对(5.30) 式两边同时除以
定理5.5 令(2.7)–(2.9) 式成立,
1. 固定
特别地, 如果
2. 固定
特别地, 如果
证 显然(5.32) 式是(5.27) 式和(5.29) 式的结合, 且(5.31) 式的证明同(5.32) 式类似, 因此证明过程省略.
参考文献
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A class of fourth-order differential operator with eigenparameter-dependent boundary and transmission conditions
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Dependence of eigenvalues of Sturm-Liouville problems with interface conditions
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Dependence of eigenvalues of 2nth order boundary value transmission problems
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Left-definite Sturm-Liouville problems
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Two-point boundary value problems with eigenvalue parameter contained in the boundary conditions
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,DOI:10.1090/S0002-9947-1908-1500810-1
Sturm-Liouville problems with boundary conditions rationally dependent on the eigenparameter Ⅱ
,DOI:10.1016/S0377-0427(02)00579-4
Transformation between Sturm-Liouville problems with eigenvalue dependent and independent boundary conditions
,DOI:10.1112/S0024609301008177 [本文引用: 1]
Dependence of eigenvalues of Sturm-Liouville problems with eigenparameter dependent boundary conditions
,
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