在时滞微分方程理论和应用领域中, 稳定性是非常重要的问题.至今研究时滞微分方程有效的方法还是Lyapunov直接法.对于时滞微分方程解的稳定性研究也得到了很多很好的结果[1-6].
2007年, Zhang和Si[3]研究了形如
的三阶非线性时滞微分方程解的渐进稳定性.
2010年, Cemil Tunc[4]研究了形如
的三阶非线性时滞微分方程,得到了当$p=0$时此方程零解渐进稳定性的充分性判别准则.
本文, 我们将研究如下三阶非线性时滞微分方程零解的渐进稳定性
显然, (1.1) 式等价于系统
其中$0\leq r(t)\leq \alpha, \ \alpha$为正常数, $r, g_{1}, g_{2}, f, h, p$均为连续函数, $f(x, 0)=h(0)=0$.导函数$r'(t)=\frac{dr}{dt}, $ $g_{1x}(x, y)=\frac{\partial g_{1}(x, y)}{\partial x}, $ $g_{2x}(x, y)=\frac{\partial g_{2}(x, y)}{\partial x}, $ $f_{x}(x, y)=\frac{\partial f(x, y)}{\partial x}, $ $f_{y}(x, y)=\frac{\partial f(x, y)}{\partial y}, h'(t)=\frac{dh}{dt}$存在且连续.假设$r'(t)\leq \beta, 0<\beta<1, $ $f(x(t-r(t)), y(t-r(t))), $ $h(x(t-r(t)), $ $g_{1}(x(t), y(t)), $ $g_{2}(x(t), y(t)), $ $p(t, x(t), y(t), x(t-r(t)), y(t-r(t)), z(t))$关于$x(t), y(t), x(t-r(t), y(t-r(t))$和$z(t)$满足Lipschitz条件, 则方程有唯一解.最后, 假设所有的解都是实值的.
定理 设存在正常数$a, b, c, \mu, \delta, \lambda_{1}, \lambda_{2}, K$和$L$, 使得下列条件成立:
(1) $g_{1}(x, y)\geq \mu+a, \ g_{2}(x, y)\geq c, \ yg_{1x}(x, y)\leq 0, \ yg_{2x}(x, y)\leq 0;$
(2) $f(x, y){\rm sgn} y\geq (b+\delta)|y|, \ -K\leq f_{x}(x, y)\leq 0, \ |f_{y}(x, y)|\leq L;$
(3) $0<h'(x)<ab, {\rm sgn}h(x)={\rm sgn} x.$
当$\alpha<\min\bigg\{\frac{2a(\delta+c)}{a^{2}b+aK+aL+2\lambda_{1}}, \frac{\mu}{ab+K+L+2\lambda_{2}}\bigg\}$时, 其中$\lambda_{1}=\frac{a^{2}b+ab+aK+K}{2(1-\beta)}, \lambda_{2}=\frac{aL+L}{2(1-\beta)}, $则方程(1.1) 的零解是渐进稳定的.
证 先定义一个Lyapunov函数
显然, $V(0, 0, 0)=0, $并且(2.1) 式可以改写为
由条件$0<h'(x)<ab, $ ${\hbox{sgn}}h(x)={\hbox{sgn}}x$和$g_{1}(x, y)\geq \mu+a$可得
和
另一方面, 由条件$f(x, y){\hbox{sgn}}y\geq (b+\delta)|y|, $可得
当$y>0$时, $f(x, y)\geq(b+\delta)y, $ $f(x, y)y\geq(b+\delta)y^{2}.$
当$y<0$时, $f(x, y)\leq(b+\delta)y, $ $f(x, y)y\geq(b+\delta)y^{2}.$
从而必有
综上述
显然对于这个不等式, 存在足够小的正常数$D_{i}~ (i=1, 2, 3), $使得
其中$D_{4}=\min\{D_{1}, D_{2}, D_{3}\}, $从而$x^{2}+y^{2}+z^{2}\leq D_{4}^{-1}V(x_{t}, y_{t}, z_{t}), \ y^{2}+z^{2}\leq D_{4}^{-1}V(x_{t}, y_{t}, z_{t}).$
接下来, 证明存在一个连续函数$u(x)\geq 0$且$u(|\varphi(0)|)\geq 0$, 使得$u(|\varphi(0)|)\leq V(\varphi).$
事实上, $V$沿系统(1.2) 的导数为
根据定理假设和等式$2|st|=s^{2}+t^{2}, $可得
从而$\frac{dV}{dt}\leq 0.$易证集合$Z=\{\varphi\in C:\dot{V}(\varphi)=0\}$的最大不变集$Q=\{0\}.$于是方程(1.1) 满足$\frac{dV(x_{t}, y_{t}, z_{t})}{dt}=0$的唯一解是$x=y=z=0.$因此, 方程(1.1) 的零解是渐进稳定的(根据见参考文献[5]).证毕.
下面给出以下的一个三阶非线性时滞微分方程来阐述主要结论的具体应用.例如三阶非线性时滞微分方程零解的渐进稳定性
其中
显然
(1) $g_{1}(x, y)=1+e^{-xy}+\frac{1}{3+\cos(y)}\geq1+\frac{1}{4}:= \mu+a, yg_{1x}(x, y)=-y^{2}e^{-xy}\leq 0, $
(2) $f(x, y)$sgn$y=y$ sgn$y=|y|=(\frac{1}{2}+\frac{1}{2})|y|:=(b+\delta)|y|, $
(3) $h(x)=\frac{1}{10}x, ~~h(0)=0, ~~0<h'(x)=\frac{1}{10}<ab=\frac{1}{8}, $ sgn$h(x)=$sgn$x.$
即定理的所有条件被满足, 因此方程(2.6) 的零解是渐近稳定的.