数学物理学报, 2022, 42(3): 839-850 doi:

论文

时间轴上二阶非线性非自治延迟动力系统的振动性

张萍,1, 杨甲山,2, 覃桂茳,2

1 邵阳学院理学院 湖南邵阳 422004

2 梧州学院大数据与软件工程学院 广西梧州 543002

Oscillation of Second-Order Nonlinear Nonautonomous Delay Dynamic Equations on Time Scales

Zhang Ping,1, Yang Jiashan,2, Qin Guijiang,2

1 School of Science, Shaoyang University, Hunan Shaoyang 422004

2 School of Data Science and Software Engineering, Wuzhou University, Guangxi Wuzhou 543002

通讯作者: 覃桂茳, E-mail: 57841824@qq.com

收稿日期: 2021-06-26  

基金资助: 国家自然科学基金.  51765060
湖南省教育厅一般项目.  20C1683
广西自然科学基金.  2020JJA110021
广西高校中青年教师基础能力提升项目.  2020KY17007
梧州学院校级科研重点项目.  2020B005
邵阳市科技计划项目.  2021005ZD

Received: 2021-06-26  

Fund supported: the NSFC.  51765060
the Science Project of Hunan Province Education Department.  20C1683
the NSF of Guangxi.  2020JJA110021
the Basic Ability Improvement Project of Young and Middle-aged Teachers in Guangxi Universities.  2020KY17007
the Key Project of Wuzhou University.  2020B005
The Science and Technology Project of Shaoyang City.  2021005ZD

作者简介 About authors

张萍,E-mail:411451097@qq.com , E-mail:411451097@qq.com

杨甲山,E-mail:syxyyjs@163.com , E-mail:syxyyjs@163.com

Abstract

The oscillatory behavior of a class of second-order nonlinear nonautonomous variable delay damped dynamic equations are studied on a time scale T, where the equations are noncanonical form. By using the generalized Riccati transformation, and the time scales theory and the classical inequality, we establish some new oscillation criteria for the equation. The results fully reflect the influential actions of delay functions and damping terms in system oscillation. Finally, some examples are given to show that our results extend, improve and enrich those reported in the literature, and that they have good effectiveness and practicability.

Keywords: Oscillation ; Time scales ; Emden-Fowler dynamic equations ; Riccati transformation

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本文引用格式

张萍, 杨甲山, 覃桂茳. 时间轴上二阶非线性非自治延迟动力系统的振动性. 数学物理学报[J], 2022, 42(3): 839-850 doi:

Zhang Ping, Yang Jiashan, Qin Guijiang. Oscillation of Second-Order Nonlinear Nonautonomous Delay Dynamic Equations on Time Scales. Acta Mathematica Scientia[J], 2022, 42(3): 839-850 doi:

1 引言

微分方程的振动理论是微分方程定性理论的一个重要分支, 它在物理学、力学、机械振动、自动控制工程、神经网络及生物制药等领域都具有广泛的应用背景.由于科学技术的迅猛发展, 进入二十世纪九十年代, 微分方程的一个新分支---时间轴上动态方程诞生了.它一出现就引起了国内外广大学者们的高度关注, 研究成果非常丰富, 并发表了大量有关时间轴上动态方程理论的研究论文和专著[1-20].基于这些实际背景, 本文研究时间轴$ {\bf T} $上一类非线性非自治变延迟的二阶阻尼Emden-Fowler型动力系统

$ \begin{equation} \left[A(t) \phi_{1}\left(y^{\Delta}(t)\right)\right]^{\Delta}+b(t) \phi_{1}\left(y^{\Delta}(t)\right)+P(t) F\left(\phi_{2}(x(\delta(t)))\right)=0, t \in {\bf T}, t \geq t_{0} \end{equation} $

的振动性, 其中$ y(t)=x(t)+B(t)g(x(\tau (t))) $, $ {{\phi }_{1}}(u)=|u{{|}^{\lambda -1}}u $, $ {{\phi }_{2}}(u)=|u{{|}^{\beta -1}}u $, $ \lambda >0, \beta >0 $, 并假设下列条件$ \left(\mathrm{H}_{1}\right) $$ \left(\mathrm{H}_{5}\right) $成立:

$ \left(\mathrm{H}_{1}\right) $$ {\bf T} $是任意时间轴, 且$ \sup {\bf T}=+\infty $, $ {{[{{t}_{0}}, +\infty )}_{{\bf T}}}=[{{t}_{0}}, +\infty )\bigcap {\bf T} $ ($ {{t}_{0}}\in {\bf T} $$ {{t}_{0}}>0 $).

$ \left(\mathrm{H}_{2}\right) $ 函数$ A(t), B(t), b(t), P(t)\in {{C}_{rd}}({\bf T}, {\bf R}) $, 且$ 0\le B(t)<1 $, $ b(t)\ge 0 $, $ P(t)>0 $.

$ \left(\mathrm{H}_{3}\right) $$ \tau (t), \ \delta (t) $均为$ {\bf T} $$ {\bf T} $上的延迟函数, $ \tau (t)\le t $, 且$ \lim\limits_{t\to +\infty}\tau (t)=+\infty $; $ \delta (t)\le t $, 且$ \lim\limits_{t\to +\infty}\delta (t)=+\infty $.

$ \left(\mathrm{H}_{4}\right) $ 函数$ g(u), F(u)\in C({\bf R}, {\bf R}) $$ ug(u)>0 $ ($ u\ne 0 $), $ uF(u)>0 $ ($ u\ne 0 $), 并且存在常数$ 0<\eta \le 1 $$ L>0 $, 使得当$ u\ne 0 $$ g(u)/u\le \eta $, $ F(u)/u\ge L $.

$ \left(\mathrm{H}_{5}\right) $$ A(t)>0 $, 且$ -b/A\in {{\Re }^{+}} $.

关于系统(1.1)的解及其振动性定义, 英文文献可参见[1-3, 6, 7, 9, 13, 16], 中文文献可参见[4, 5, 8, 10-12, 14, 15].笔者仅关注系统(1.1)的不最终恒为零的解.系统(1.1)包含了多种类型的方程, 如

$ \begin{equation} \left[r(t)\left(x^{\Delta}(t)\right)^{\gamma}\right]^{\Delta}+p(t) x^{\gamma}(t)=0, \end{equation} $

$ \begin{equation} \left(a(t) x^{\Delta}(t)\right)^{\Delta}+b(t) x^{\Delta}(t)+p(t) f(x(\delta(t)))=0, \end{equation} $

$ \begin{equation} \left(a(t)\left|x^{\Delta}(t)\right|^{\lambda-1} x^{\Delta}(t)\right)^{\Delta}+b(t)\left|x^{\Delta}(t)\right|^{\lambda-1} x^{\Delta}(t)+p(t)|x(\delta(t))|^{\lambda-1} x(\delta(t))=0, \end{equation} $

等.对正则系统即系统满足条件

$ \begin{equation} \int_{t_{0}}^{+\infty}\left[A^{-1}(s) e_{-b / A}\left(s, t_{0}\right)\right]^{1 / \lambda} \Delta s=+\infty \end{equation} $

的情形, 其振动结果较多.如对正则系统(1.1), 文献[4]得到了其振动的若干准则, 其中一个基本定理如下:

定理A[4]  设条件$ \left(\mathrm{H}_{1}\right) $$ \left(\mathrm{H}_{5}\right) $及(1.5)成立, 若存在函数$ \varphi \in C_{{}}^{1}({\bf T}, (0, +\infty )) $, 使得当$ \lambda \leqslant \beta $

$ \begin{equation} \limsup\limits_{t \rightarrow +\infty} \int_{t_{0}}^{t} \varphi(s)\left\{k^{\beta} \Psi(s)-\frac{[A(\sigma(s))]^{\lambda+1}}{M A^{\lambda}(s)}\left|\frac{\varphi^{\Delta}(s)}{\varphi(s)}-\frac{b(s)}{A(\sigma(s))}\right|^{\lambda+1}\right\} \Delta s=+\infty, \end{equation} $

$ \lambda>\beta $

$ \begin{equation} \limsup\limits_{t \rightarrow +\infty} \int_{t_{0}}^{t} \varphi(s)\left\{k^{\beta} \Psi(s)-\frac{[A(\sigma(s))]^{\beta+1}}{M A^{\beta}(s)}\left|\frac{\varphi^{\Delta}(s)}{\varphi(s)}-\frac{b(s)}{A(\sigma(s))}\right|^{\beta+1}\right\} \Delta s=+\infty, \end{equation} $

这里常数$ k\in (0, 1) $,

而函数$ \Psi (t)=LP(t)\ {{[1-\eta B(\delta (t))]}^{\beta }}{{\left[ \frac{\delta (t)}{\sigma (t)} \right]}^{\beta }} $.则系统(1.1)在$ {{[{{t}_{0}}, +\infty )}_{{\bf T}}} $上是振动的.

紧接着, 文献[5]改进了定理A中的条件(1.6)和(1.7), 得到了方程(1.1)的一个较为简洁的振动结果:

定理B[5]  如果存在函数$ \varphi \in C_{{}}^{1}({\bf T}, (0, +\infty )) $, 使得

$ \begin{equation} \limsup\limits_{t \rightarrow +\infty} \int_{t_{0}}^{t} \varphi(s)\left\{\Psi(s)-\frac{A^{\omega_{1}}(s)}{k}\left|\frac{\varphi^{\Delta}(s)}{\varphi(s)} -\frac{b(s)}{A(s)}\right|^{\omega_{2}+1}\right\} \Delta s=+\infty, \end{equation} $

其中常数$ k=\left\{\begin{array}{ll}(\lambda+1)^{\lambda+1}, & \mbox{ 当 } \lambda=\beta \mbox{ 时, } \\ \mbox{ 正常数, } & \mbox{ 当 } \lambda \neq \beta \mbox{ 时 }, \end{array} \quad \omega_{1}=\min \left\{1, \frac{\beta}{\lambda}\right\}, \omega_{2}=\min \{\lambda, \beta\}\right. $, 而函数

$ \begin{equation} \begin{array}{ll} { } \Psi(t)=L P(t)[1-\eta B(\delta(t))]^{\beta} \xi^{\beta}\left(t, \delta_{0}\right), \\ { } \xi\left(t, \delta_{0}\right)= \bigg(\int_{\delta_{0}}^{\sigma(t)} \frac{1}{A^{1 / \lambda}(s)} \Delta s \bigg)^{-1} \bigg(\int_{\delta_{0}}^{\delta(t)} \frac{1}{A^{1 / \lambda}(s)} \Delta s\bigg), \end{array} \end{equation} $

其中常数$ \delta_{0}=G\left(T_{0}\right)<\delta(t) $, 而$ {{T}_{0}}\ge {{t}_{0}} $充分大.则方程(1.1)在$ {{[{{t}_{0}}, +\infty )}_{{\bf T}}} $上是振动的.

而对非正则系统即系统满足条件

$ \begin{equation} \int_{t_{0}}^{+\infty}\left[A^{-1}(s) e_{-b / A}\left(s, t_{0}\right)\right]^{1 / \lambda} \Delta s<+\infty \end{equation} $

的情形其振动结果相对较少.如Grace等[6], Hassan[7]研究了动力系统(1.2)的振动性, 在非正则情形即当

$ \begin{equation} \int_{t_{0}}^{+\infty} a^{-1 / \lambda}(s) \Delta s<+\infty \end{equation} $

时其振动的充分条件是

$ \begin{equation} \int_{t_{0}}^{+\infty}\left[a^{-1}(t) \int_{t_{0}}^{t} p(s)\left(\int_{s}^{+\infty} a^{-1 / \gamma}(u) \Delta u\right)^{\gamma} \Delta s\right]^{1 / \gamma} \Delta t=+\infty. \end{equation} $

但上述条件(1.12)有点苛刻, 导致许多常见的方程也不适用于该结果.如下列类型的非正则Euler (欧拉)方程

$ \begin{equation} \left(t^{2} x^{\prime}(t)\right)^{\prime}+q_{0} x(t)=0, \end{equation} $

因为积分$ \int_{1}^{+\infty}t^{-2}\ln t{\rm d}t $是收敛的, 从而导致条件(1.12)不满足, 因此文献[6, 7]中的结果不能用于方程(1.13).

之后, 张全信等[8]讨论了更一般的动态方程(1.4)的振动性, 在非正则情形即当

$ \begin{equation} \int_{t_{0}}^{+\infty}\left[a^{-1}(s) e_{-b / a}\left(s, t_{0}\right)\right]^{1 / \lambda} \Delta s<+\infty \end{equation} $

时其振动结果如下

定理C[8]  设函数$ \delta :{\bf T}\to {\bf T} $是严格递增且可微的延迟函数, $ \delta ({\bf T})={\bf T} $, 且(1.14)式成立.如果存在一个正的可微函数$ \varphi :{\bf T}\to {\bf R} $使得

$ \begin{equation} \limsup\limits_{t \rightarrow +\infty} \int_{t_{0}}^{t}\left[p(s)-\frac{a(\delta(s))}{(\lambda+1)^{\lambda+1}\left(\delta^{\Delta}(s)\right)^{\lambda}}\left|\frac{\varphi^{\Delta}(s)}{\varphi(s)}-\frac{b(s)}{a(s)}\right|^{\lambda+1}\right] \varphi(s) \Delta s=+\infty \end{equation} $

成立, 并且有

$ \begin{equation} \int_{t_{0}}^{+\infty}\left[a^{-1}(t) \int_{t_{0}}^{t} e_{-b / a}(t, \sigma(s)) p(s) \Delta s\right]^{1 / \lambda} \Delta t=+\infty, \end{equation} $

则方程(1.4)的每一个解$ x(t) $在区间$ {{[{{t}_{0}}, \infty )}_{{\bf T}}} $上或者振动或者$ \lim\limits_{t\to\infty}x(t)=0 $.

定理C是文献[8]中的定理4.3, 显然, 定理C的结论具有某种不确定性, 其它文献中的结果(如文献[9]中的定理4.3和定理4.4 (讨论的是方程(1.3)), 文献[10]中的定理4.3和定理4.4, 以及文献[11]等中的相应定理)也是如此, 因此在应用时就会受到制约.紧接着, 作者进一步改进了上述结果[12, 13], 结论如下:

定理D[12]  设函数$ \delta :{\bf T}\to {\bf T} $是严格递增且可微的延迟函数, $ \delta ({\bf T})={\bf T} $, 如果(1.14)及(1.15)式成立, 并且有

$ \begin{equation} \int_{t_{1}}^{+\infty}\left[a^{-1}(t) \int_{t_{1}}^{t} e_{-b / a}(t, \sigma(s)) \theta^{\lambda}(s) p(s) \Delta s\right]^{1 / \lambda} \Delta t=+\infty, \end{equation} $

这里常数$ {{t}_{1}}\ge {{t}_{0}} $, 函数$ \theta (t)=\int^\infty _t{{a}^{-1/\lambda }}(s)\Delta s $, 则方程(1.4)在区间$ {{[{{t}_{0}}, \infty )}_{{\bf T}}} $上是振动的.

定理D文献[12]中的定理4.3, 其它振动准则(如文献[12]中的定理4.4;文献[13]中的定理4.3及定理4.4等)都是以此为基础得出的.显然, 定理D虽然改进了文献[8-11]中的结果, 但是经计算可知, 定理D也不能用于方程(1.13).最近, 文献[14]研究了方程(1.4)的振动性, 在非正则情形得到了该方程振动的若干新准则, 弥补了以上的缺陷, 但遗憾的是却要求"$ \lambda \ge 1 $为两个正奇数之商", 当$ \lambda $为任意正数时却没有振动性结果.

基于以上研究的不足, 本文将考虑更一般的非正则系统(1.1)的振动性, 即在条件(1.10)成立的前提下, 利用Riccati变换和不等式技巧, 得到了非正则系统(1.1)的一个新型的Kamenev型振动准则和一个新型的Philos型振动准则, 改进了现有文献中对方程的种种限制(如文献[8-10, 12, 13]中的"$ \delta $严格递增、可微且$ \delta ({\bf T})={\bf T} $", 文献[11]中的"$ \tau =\delta $, $ \delta $严格递增且$ \tau \circ \sigma =\sigma \circ \tau $"及文献[4, 15]中的"$ {{A}^{\Delta }}(t)\ge 0 $"等), 改进并拓展了已有的结果.

2 系统(1.1)的振动准则

先给出两个引理:

引理2.1 (Keller连锁法则)[2]  若$ f:{\bf R}\to {\bf R} $是连续可微的, $ g:{\bf T}\to {\bf R} $$ \Delta $可导的, 则$ f\circ g:{\bf T}\to {\bf R} $$ \Delta $可导的, 且

$ \begin{equation} (f \circ g)^{\Delta}(t)=\left[\int_{0}^{1} f^{\prime}\left(g(t)+h \mu(t) g^{\Delta}(t)\right) \mathrm{d} h\right] g^{\Delta}(t). \end{equation} $

由此引理, 当函数$ x(t) $最终为正或最终为负且$ \Delta $ -可微时, 则有

$ \begin{equation} \left(x^{\alpha}(t)\right)^{\Delta}=\alpha \int_{0}^{1}\left[h x^{\sigma}+(1-h) x\right]^{\alpha-1} x^{\Delta}(t) \mathrm{d} h. \end{equation} $

这也是Keller连锁法则的推论.

引理2.2[4]  设常数$ A>0, B>0 $, $ \lambda >0 $, 则当$ x>0 $时, 有

引入记号

其中$ \bar{k}>0 $为常数.

定理2.3  设条件$ \left(\mathrm{H}_{1}\right) $$ \left(\mathrm{H}_{5}\right) $及(1.10)成立,

并且存在函数$ \varphi \in C_{{}}^{1}({\bf T}, (0, +\infty )) $, 使得(1.8)式成立.进一步, 如果存在常数$ m>0 $, 使得

$ \begin{equation} \limsup\limits_{t \rightarrow +\infty} \int_{t_{1}}^{t}(t-\sigma(s))^{m}\left[L P(\tau(s)) \bar{Q}^{\beta}(s) \pi(s)-\frac{A(s) \bar{A}^{\lambda+1}(t, s)}{(\lambda+1)^{\lambda+1} e_{-b / A}(s, \tau(s))}\right] \Delta s>0, \end{equation} $

这里常数$ {{t}_{1}}\ge {{t}_{0}} $, 函数

则系统(1.1)在$ {{[{{t}_{0}}, +\infty )}_{{\bf T}}} $上是振动的.

  若不然, 则系统(1.1)在$ {{[{{t}_{0}}, +\infty )}_{{\bf T}}} $上存在一个非振动解$ x(t) $, 不妨设其最终为正, 即$ \exists \ {{t}_{1}}\in {{[{{t}_{0}}, +\infty )}_{{\bf T}}} $, 使得$ x(t)>0 $, $ x(\tau (t))>0 $, $ x(\delta (t))>0 $($ t\in {{[{{t}_{1}}, +\infty )}_{{\bf T}}} $).于是$ y(t)>0 $($ t\in {{[{{t}_{1}}, +\infty )}_{{\bf T}}} $).由系统(1.1)得

$ \begin{equation} \left[A(t) \phi_{1}\left(y^{\Delta}(t)\right)\right]^{\Delta}+b(t) \phi_{1}\left(y^{\Delta}(t)\right) \leq-L P(t) x^{\beta}(\delta(t))<0, t \in\left[t_{1}, +\infty\right)_{\mathrm{T}}, \end{equation} $

由文献[4]中的引理6的证明知$ \frac{A(t){{\phi }_{1}}({{y}^{\Delta }}(t))}{{{e}_{-b/A}}(t, {{t}_{0}})} $($ t\in {{[{{t}_{1}}, +\infty )}_{{\bf T}}} $)严格递减且$ {{y}^{\Delta }}(t) $最终定号.因此, 只需要考虑两种情形:

(Ⅰ) $ {{y}^{\Delta }}(t)>0 $, $ t\in {{[{{t}_{1}}, +\infty )}_{{\bf T}}} $;

(Ⅱ) $ {{y}^{\Delta }}(t)<0 $, $ t\in {{[{{t}_{1}}, +\infty )}_{{\bf T}}} $.

情形(Ⅰ): $ {{y}^{\Delta }}(t)>0 $, $ t\in {{[{{t}_{1}}, +\infty )}_{{\bf T}}} $.此时完全和文献[5]中定理1的证明相同, 得到一个与条件(1.8)矛盾的结果.

情形(Ⅱ): $ {{y}^{\Delta }}(t)<0 $, $ t\in {{[{{t}_{1}}, +\infty )}_{{\bf T}}} $.因为函数$ \frac{A(t){{\phi }_{1}}({{y}^{\Delta }}(t))}{{{e}_{-b/A}}(t, {{t}_{0}})}=\frac{A(t){{(-{{y}^{\Delta }}(t))}^{\lambda -1}}{{y}^{\Delta }}(t)}{{{e}_{-b/A}}(t, {{t}_{0}})} $$ {{[{{t}_{1}}, +\infty )}_{{\bf T}}} $上单调递减, 所以对$ s\in {{[t, +\infty )}_{{\bf T}}} $, 有

$ \begin{equation} \frac{A(s)\left(-y^{\Delta}(s)\right)^{\lambda-1} y^{\Delta}(s)}{e_{-b / A}\left(s, t_{0}\right)} \leq \frac{A(t)\left(-y^{\Delta}(t)\right)^{\lambda-1} y^{\Delta}(t)}{e_{-b / A}\left(t, t_{0}\right)} \leq \frac{A(\tau(t))\left(-y^{\Delta}(\tau(t))\right)^{\lambda-1} y^{\Delta}(\tau(t))}{e_{-b / A}\left(\tau(t), t_{0}\right)}, \end{equation} $

$ {{y}^{\Delta }}(s)\le \frac{{{A}^{1/\lambda }}(t){{y}^{\Delta }}(t)}{{{[{{e}_{-b/A}}(t, {{t}_{0}})]}^{1/\lambda }}}\frac{{{[{{e}_{-b/A}}(s, {{t}_{0}})]}^{1/\lambda }}}{{{A}^{1/\lambda }}(s)} $, 两边积分, 得

$ u\to +\infty $, 并注意到函数$ \theta (t) $的定义, 由上式则可导出

$ \begin{equation} y(t)+\frac{A^{1 / \lambda}(t) y^{\Delta}(t)}{\left[e_{-b / A}\left(t, t_{0}\right)\right]^{1 / \lambda}} \theta(t) \geq 0. \end{equation} $

此外, 利用"指数函数$ {{e}_{g}}(., {{t}_{0}}) $"的半群性质[2]: $ {{e}_{g}}(a, b){{e}_{g}}(b, c)={{e}_{g}}(a, c) $$ {{e}_{g}}(a, b)=\frac{1}{{{e}_{g}}(b, a)} $, 由(2.5)式还可导出

$ \begin{equation} y^{\Delta}(t) \leq \frac{\left[e_{-b / A}(t, \tau(t)) A(\tau(t))\right]^{1 / \lambda}}{A^{1 / \lambda}(t)} y^{\Delta}(\tau(t)). \end{equation} $

作广义Riccati变换

$ \begin{equation} \omega(t)=\frac{A(\tau(t)) \phi_{1}\left(y^{\Delta}(\tau(t))\right)}{\phi_{1}(y(t))}=\frac{A(\tau(t))\left(-y^{\Delta}(\tau(t))\right)^{\lambda-1} y^{\Delta}(\tau(t))}{(y(t))^{\lambda}}, t \in\left[t_{1}, +\infty\right)_{\mathrm{T}}, \end{equation} $

明显有$ \omega (t)<0 $($ t\in {{[{{t}_{1}}, +\infty )}_{{\bf T}}} $).由(2.2)式并注意到$ {{y}^{\Delta }}(t)<0 $, 不难推得

$ \begin{equation} \left\{\begin{array}{ll} \left(y^{\lambda}(t)\right)^{\Delta} \leq \lambda y^{\lambda-1}(\sigma(t)) y^{\Delta}(t), & \lambda>1, \\ \left(y^{\lambda}(t)\right)^{\Delta} \leq \lambda y^{\lambda-1}(t) y^{\Delta}(t), & 0<\lambda \leq 1. \end{array}\right. \end{equation} $

$ 0<\lambda \le 1 $时:分别利用(2.9)式、$ {{y}^{\Delta }}(t)<0 $及(2.7)式, 由(2.8)式就可导出

$ \begin{eqnarray} \omega^{\Delta}(t)&=&\frac{\left[A(\tau(t)) \phi_{1}\left(y^{\Delta}(\tau(t))\right)\right]^{\Delta}}{y^{\lambda}(\sigma(t))}-\frac{A(\tau(t))\left(-y^{\Delta}(\tau(t))\right)^{\lambda-1} y^{\Delta}(\tau(t))\left(y^{\lambda}(t)\right)^{\Delta}}{y^{\lambda}(t) y^{\lambda}(\sigma(t))} {}\\ &\leq& \frac{\left[A(\tau(t)) \phi_{1}\left(y^{\Delta}(\tau(t))\right)\right]^{\Delta}}{y^{\lambda}(\sigma(t))}-\frac{A(\tau(t))\left(-y^{\Delta}(\tau(t))\right)^{\lambda-1} y^{\Delta}(\tau(t)) \lambda(y(t))^{\lambda-1} y^{\Delta}(t)}{y^{\lambda}(t) y^{\lambda}(\sigma(t))} {}\\ &\leq& \frac{\left[A(\tau(t)) \phi_{1}\left(y^{\Delta}(\tau(t))\right)\right]^{\Delta}}{y^{\lambda}(\sigma(t))} {}\\ &&-\frac{\lambda A(\tau(t))\left(-y^{\Delta}(\tau(t))\right)^{\lambda-1} y^{\Delta}(\tau(t))}{y^{\lambda+1}(t)} \frac{\left[e_{-b / A}(t, \tau(t)) A(\tau(t))\right]^{1 / \lambda}}{A^{1 / \lambda}(t)} y^{\Delta}(\tau(t)) {}\\ &=&\frac{\left[A(\tau(t)) \phi_{1}\left(y^{\Delta}(\tau(t))\right)\right]^{\Delta}}{y^{\lambda}(\sigma(t))}-\frac{\lambda\left[e_{-b / A}(t, \tau(t))\right]^{1 / \lambda}}{A^{1 / \lambda}(t)}(-\omega(t))^{(\lambda+1) / \lambda}. \end{eqnarray} $

$ \lambda >1 $时:注意到(2.9)式及$ {{y}^{\Delta }}(t)<0 $, 可推得相同的(2.10)式.

利用$ {{\theta }^{\Delta }}(t)=-{{[{{A}^{-1}}(t){{e}_{-b/A}}(t, {{t}_{0}})]}^{1/\lambda }} $及(2.6)式, 可得

$ \begin{eqnarray} \left(\frac{y(t)}{\theta(t)}\right)^{\Delta} &=&\frac{y^{\Delta}(t) \theta(t)+y(t)\left[A^{-1}(t) e_{-b / A}\left(t, t_{0}\right)\right]^{1 / \lambda}}{\theta(t) \theta(\sigma(t))} {}\\ & \geq& \frac{y^{\Delta}(t) \theta(t)-\frac{A^{1 / \lambda}(t) y^{\Delta}(t)}{\left[e_{-b / A}\left(t, t_{0}\right)\right]^{1 / \lambda}} \theta(t)\left[A^{-1}(t) e_{-b / A}\left(t, t_{0}\right)\right]^{1 / \lambda}}{\theta(t) \theta(\sigma(t))}=0. \end{eqnarray} $

这样, 由(2.11)式知函数$ \frac{y(t)}{\theta (t)} $单调递增, 因而有

$ \begin{equation} y(\tau(t)) \leq \frac{\theta(\tau(t))}{\theta(t)} y(t), \quad \frac{y(t)}{y(\sigma(t))} \leq \frac{\theta(t)}{\theta(\sigma(t))}. \end{equation} $

注意到$ x(\tau (t))\le y(\tau (t)) $及(2.12)式中的第1个不等式, 则有

$ \begin{equation} x(t)=y(t)-B(t) g(x(\tau(t))) \geq y(t)-\eta B(t) x(\tau(t)) \geq\left(1-\eta B(t) \frac{\theta(\tau(t))}{\theta(t)}\right) y(t), \end{equation} $

利用(2.13)式, 于是就有

$ \begin{eqnarray} \frac{x^{\beta}(\delta(\tau(t)))}{y^{\lambda}(t)}&\geq &\frac{1}{y^{\lambda}(t)}\left(1-\eta B(\delta(\tau(t))) \frac{\theta(\tau(\delta(\tau(t))))}{\theta(\delta(\tau(t)))}\right)^{\beta} y^{\beta}(\delta(\tau(t))){}\\ &\geq&\left(1-\eta B(\delta(\tau(t))) \frac{\theta(\tau(\delta(\tau(t))))}{\theta(\delta(\tau(t)))}\right)^{\beta} y^{\beta-\lambda}(t)=\bar{Q}^{\beta}(t) y^{\beta-\lambda}(t). \end{eqnarray} $

$ \lambda >\beta $时, 由$ y(t)>0 $, $ {{y}^{\Delta }}(t)<0 $($ t\in {{[{{t}_{1}}, \infty )}_{{\bf T}}} $)可得$ y(t)\le y({{t}_{1}}) $, 所以$ {{y}^{\beta -\lambda }}(t)\ge {{y}^{\beta -\lambda }}({{t}_{1}})=k $.

$ \lambda =\beta $时, $ {{y}^{\beta -\lambda }}(t)=1 $.

$ \lambda <\beta $时, 利用$ \frac{A(t){{(-{{y}^{\Delta }}(t))}^{\lambda -1}}{{y}^{\Delta }}(t)}{{{e}_{-b/A}}(t, {{t}_{0}})} $在区间$ {{[{{t}_{1}}, +\infty )}_{{\bf T}}} $上的单调递减性, 对$ s\in {{[{{t}_{1}}, +\infty )}_{{\bf T}}} $, 则有

其中$ M=-\frac{A({{t}_{1}}){{(-{{y}^{\Delta }}({{t}_{1}}))}^{\lambda -1}}{{y}^{\Delta }}({{t}_{1}})}{{{e}_{-b/A}}({{t}_{1}}, {{t}_{0}})}>0 $是常数.于是$ {{y}^{\Delta }}(s)\le -{{M}^{1/\lambda }}{{[{{A}^{-1}}(s){{e}_{-b/A}}(s, {{t}_{0}})]}^{1/\lambda }} $, 此式两边积分, 得

所以

在上式中令$ u\to +\infty $, 则可导出

所以$ {{y}^{\beta -\lambda }}(t)\ge k{{\theta }^{\beta -\lambda }}(t) $, 这里$ k={{M}^{(\beta -\lambda )/\lambda }}>0 $是常数.

综上所述, 并注意到(2.14)式和函数$ \pi (t) $的定义, 则有

$ \begin{equation} \frac{x^{\beta}(\delta(\tau(t)))}{y^{\lambda}(t)} \geq \bar{Q}^{\beta}(t) \pi(t). \end{equation} $

将(2.4)式代入(2.10)式, 并注意到(2.15)式及(2.12)式中的第2个不等式, 就有

$ \begin{eqnarray} \omega^{\Delta}(t)& \leq&-L P(\tau(t)) \frac{x^{\beta}(\delta(\tau(t)))}{y^{\lambda}(\sigma(t))}-\frac{b(\tau(t)) \phi_{1}\left(y^{\Delta}(\tau(t))\right)}{y^{\lambda}(\sigma(t))}{}\\ &&-\frac{\lambda\left[e_{-b / A}(t, \tau(t))\right]^{1 / \lambda}}{A^{1 / \lambda}(t)}(-\omega(t))^{(\lambda+1) / \lambda} {}\\ &\leq&-L P(\tau(t)) \frac{x^{\beta}(\delta(\tau(t)))}{y^{\lambda}(t)}-\frac{y^{\lambda}(t)}{y^{\lambda}(\sigma(t))} \frac{b(\tau(t)) \phi_{1}\left(y^{\Delta}(\tau(t))\right)}{y^{\lambda}(t)}{}\\ &&-\frac{\lambda\left[e_{-b / A}(t, \tau(t))\right]^{1 / \lambda}}{A^{1 / \lambda}(t)}(-\omega(t))^{(\lambda+1) / \lambda} {}\\ &\leq&-L P(\tau(t)) \bar{Q}^{\beta}(t) \pi(t)-\frac{\theta^{\lambda}(t)}{\theta^{\lambda}(\sigma(t))} \frac{b(\tau(t)) \omega(t)}{A(\tau(t))}{}\\ &&-\frac{\lambda\left[e_{-b / A}(t, \tau(t))\right]^{1 / \lambda}(-\omega(t))^{(\lambda+1) / \lambda}}{A^{1 / \lambda}(t)}. \end{eqnarray} $

另一方面, 记$ h(s)=(t-s) $, 则当$ m\ge 1 $时, $ {{h}^{{{\Delta }_{s}}}}<0 $, 从而$ h(\sigma (s))\le h(s) $, 所以由(2.2)式容易推得

$ 0<m<1 $时, 由(2.2)式同理可得$ {{[{{(t-s)}^{m}}]}^{{{\Delta }_{s}}}}\ge -m{{(t-\sigma (s))}^{m-1}} $.因此

$ \begin{equation} \left[(t-s)^{m}\right]^{\Delta_{s}} \geq-\bar{h}(t, s). \end{equation} $

现将(2.16)式两边同乘以$ {{(t-\sigma (s))}^{m}} $后再积分, 利用时间轴上的分部积分公式

并注意(2.17)式及引理2.2, 则有

注意到函数$ \bar{A}(t, s) $的表达式, 上式整理即得

这与条件(2.3)矛盾, 证毕.

$ {{D}_{0}}=\{(t, s):t>s\ge {{t}_{0}}, t, s\in {\bf T}\} $, $ D=\{(t, s):t\ge s\ge {{t}_{0}}, t, s\in {\bf T}\} $, 若二元函数$ H(t, s)\in {{C}_{rd}}(D, {\bf R}) $, 且满足下列条件

(ⅰ) 当$ t\ge {{t}_{0}} $$ H(t, t)=0 $; 当$ (t, s)\in {{D}_{0}} $$ H(t, s)>0 $;

(ⅱ) 在$ {{D}_{0}} $上函数$ H(t, s) $$ s $有连续非正的偏导数, 即$ {{H}^{{{\Delta }_{s}}}}(t, s)\in {{C}_{rd}} $$ {{H}^{{{\Delta }_{s}}}}(t, s)\le 0 $, 则称函数$ H(t, s) $属于集合$ \Omega $, 记为$ H\in \Omega $.

于是, 进一步可得下列一般性定理:

定理2.4  $ \left(\mathrm{H}_{1}\right) $$ \left(\mathrm{H}_{5}\right) $及(1.10)成立, $ \bar{Q}(t)=1-\eta B(\delta (\tau (t)))\frac{\theta (\tau (\delta (\tau (t))))}{\theta (\delta (\tau (t)))}>0 $, 并且存在函数$ \varphi \in C_{{}}^{1}({\bf T}, (0, +\infty )) $, 使得(1.8)式成立.进一步, 如果存在$ H\in \Omega $, 使得

$ \begin{equation} \limsup\limits_{t \rightarrow +\infty} \int_{t_{1}}^{t} H(t, \sigma(s))\left[L P(\tau(s)) \bar{Q}^{\beta}(s) \pi(s)-\frac{A(s) \bar{B}^{\lambda+1}(t, s)}{(\lambda+1)^{\lambda+1} e_{-b / A}(s, \tau(s))}\right] \Delta s>0, \end{equation} $

其中$ {{t}_{1}}\ge {{t}_{0}} $是常数, 函数$ \bar{B}(t, s)=\frac{{{\theta }^{\lambda }}(s)b(\tau (s))}{{{\theta }^{\lambda }}(\sigma (s))A(\tau (s))}-\frac{{{H}^{{{\Delta }_{s}}}}(t, s)}{H(t, \sigma (s))} $, 则系统(1.1)在$ {{[{{t}_{0}}, +\infty )}_{{\bf T}}} $上是振动的.

  同定理2.3的证明, 可得(2.16)式, 即当$ s\ge {{t}_{1}}\ge {{t}_{0}} $时, 有

类似于定理2.3, 由上式进一步可得

注意到函数$ \bar{B}(t, s) $的定义, 整理上式即得

这与条件(2.18)矛盾.证毕.

注2.1  显然, 本文讨论的方程更具普遍性, 并放宽了对系统(1.1)的条件要求, 如放弃了文献[8-10, 12, 13]中的条件"$ \delta $严格递增、可微且$ \delta ({\bf T})={\bf T} $", 也放弃了文献[11]中的条件"$ \tau =\delta $, $ \delta $严格递增且$ \tau \circ \sigma =\sigma \circ \tau $", 同时也取消了文献[4, 15]中的条件"$ {{A}^{\Delta }}(t)\ge 0 $"等, 因此本文定理的条件是较为宽松的.

3 例子分析

例3.1  考虑非正则Euler方程(1.13) (其中$ {{q}_{0}}>0 $是常数):

这相当于系统(1.1)中$ A(t)={{t}^{2}} $, $ b(t)=0 $, $ B(t)\equiv 0 $, $ P(t)={{q}_{0}} $, $ \tau (t)=\delta (t)=t $, $ F(u)=u $, $ \lambda =\beta =1 $, $ {{t}_{0}}=1 $.由于

所以条件$ \left(\mathrm{H}_{1}\right) $$ \left(\mathrm{H}_{5}\right) $及(1.10)显然都成立.取$ \varphi (t)=1 $, 因为$ {\bf T}={\bf R} $, 所以

$ {{\delta }_{0}}=G({{T}_{0}})=1/2<\delta (t) $, 则

于是$ \Psi (t)={{q}_{0}} $, 且有

再取$ H(t, s)=\frac{{{(t-s)}^{2}}}{s} $, 则当$ {{q}_{0}}>1/4 $

最后一个不等式的成立可参见文献[16].所以由定理2.4知, 当$ {{q}_{0}}>1/4 $时二阶Euler方程(1.13)是振动的.

例3.2  考虑二阶动态方程

$ \begin{equation} \left[t^{2} x^{\Delta}(t)\right]^{\Delta}+\frac{2 t-1}{t} F(x(\frac{t}{3}))=0, t \in T=3^{z}, t \geq 3, \end{equation} $

显然这是二阶3 -差分方程, 其中$ F(u)=u\left[5+\ln ^{3}\left(1+u^{2}\right)\right] $.$ A(t)={{t}^{2}} $, $ B(t)\equiv 0 $, $ b(t)\equiv 0 $, $ P(t)=\frac{2t-1}{t} $, $ \delta (t)=\frac{t}{3} $, $ \lambda =\beta =1 $, $ {{t}_{0}}=3 $.则显然有$ {{e}_{-b/A}}(t, {{t}_{0}})=1 $, $ \sigma (t)=3t $, $ \frac{F(u)}{u}=5+{{\ln }^{3}}(1+{{u}^{2}})\ge 5=L $, 且

$ \varphi (t)=1 $, 则容易计算出

另一方面, 令$ m=2 $, 则有$ \bar{Q}(t)=1 $, $ \pi (t)=1 $, 且

因此$ \bar{A}(t, s)=\frac{2(t-s)}{{{(t-3s)}^{2}}} $, 并且

所以由定理2.3知, 方程(3.1)是振动的.

注3.1  若用文献[8-11]中的定理来判别方程(1.13)或方程(3.1)的振动性, 只能得到"方程(1.13)和(3.1)的每一个解$ x(t) $或者振动或者满足$ \lim\limits_{x\to +\infty }x(t)=0 $", 显然这个结论具有不确定性, 不能令人满意的; 而文献[6, 7, 12, 13]中的相关定理的条件不满足(这是因为$ \int^{+\infty}_1{{t}^{-2}}\ln t{\rm d}t<+\infty $$ \int^{+\infty }_3{{t}^{-2}}\ln t\Delta t<+\infty $所致).因而不能用于方程(1.13)和(3.1).因此本文定理改进并拓展了已有的结果.

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