考虑三阶中立型分布时滞微分方程
本文中总假设下列条件成立
(H$_1)$ $\displaystyle r(t), c(t)\in C([t_0, \infty), (0, \infty)), \int_{t_0}^{\infty}\frac{dt}{r(t)}=\int_{t_0}^{\infty}\frac{dt}{c(t)}=\infty.$
(H$_2)$ $\displaystyle p(t, \xi), q(t, \xi)\in C([t_0, \infty)\times[a, b], (0, \infty)), \int_{a}^{b}p(t, \xi)d\xi\leq p<1.$
(H$_3)$ $\tau(t, \xi), g(t, \xi)\in C([t_0, \infty)\times[a, b], (0, \infty)), \tau(t, \xi)\leq t, g(t, \xi)\leq t, \xi \in [a, b], $
$g(t, \xi)$关于$t$和$\xi$均为增函数.
(H$_4)$ $ f(u) \in C(R, R), \frac{f(u)}{u} \geq \delta >0, u \neq 0.$
我们仅限于考虑方程(1.1) 的非平凡解, 即存在某一半直线$[t_x, \infty]$使得对任意$T \geq t_x, $满足不等式$\sup{\mid x(t)\mid:t>T}>0$的解$x(t)$.方程(1.1) 的解称为振动, 如果它有任意大的零点, 否则, 成为非振动.
当今, 时滞微分方程解的振动性, 为人们讨论的热点问题, 有关三阶泛函微分方程解的振动性的研究, 有文献[1-15], 尤其1978年, Schot [15]在《美国物理杂志》上, 发表了题为《急动度--加速度的时间变率的论文》, 介绍了位移对时间的三阶导数--急动度的历史背景, 并且考虑了它在凸轮和星形轮等间歇运动机械设计等方面的应用.急动度作为加速度随时间的变化率是力学中的基本概念, 具有重要理论意义.因此, 近年来, 三阶泛函微分方程解的振动性和渐进性研究日益受到重视, 并且取得不少重要成果.例如最新结果可以参看文[1-12].但是, 其中多数结果是三阶时滞微分方程的, 而关于三阶中立型的振动结果很少.最近文[10]研究三阶时滞微分方程
文中证明了方程(1.2) 每一解振动或者收敛到零的若干充分条件.显然, 当方程(1.1) 中$p(t, \xi)\equiv 0, q(t, \xi)$与$\xi$无关, $g(t, \xi)=t-\sigma, b-a=1$时, 即为方程(1.2).我们也注意到文[13]研究了与方程(1.1) 相应的下列二阶方程的特例
给出了方程(1.3) 解的振动准则.本文目的是建立三阶中立型方程(1.1) 每一解振动或者收敛到零的充分条件.我们将文[13]关于二阶方程(1.3) 的结果推广到三阶方程.我们也给出例子说明本文定理的应用.
引理1 设$x(t)$是(1.1) 式最终正解, 定义函数
则$z(t)$只能有下列两种可能
(Ⅰ) $z(t)>0, z'(t)>0, (c(t)z'(t))'>0, $
(Ⅱ) $z(t)>0, z'(t)<0, (c(t)z'(t))'>0.$
记作$z(t)\in$ Ⅰ或者$z(t)\in$ Ⅱ.
证 设$x(t)$是(1.1) 式最终正解, 故存在$t_1\geq t_0, $当$t > t_1$时, 使得$x[\tau(t, \xi)]>0, x[g(t, \xi)]>0, \xi \in [a, b], t>t_1.$由(2.1) 式知方程(1.1) 为
由$q(t, \xi)\geq 0, x[g(t, \xi)]>0$及(H$_{4}), $得到$z(t)>0, (r(t)(c(t)z'(t))')'\leq 0, t \geq t_1.$因$((r(t)(c(t)z'(t))')'<0, $故$r(t)(c(t)z'(t))'$单调减小且最终定号, 则$(c(t)z'(t))'$最终定号.我们断言
否则, 若$(c(t)z'(t))'\leq 0$, 则存在$t_3\geq\texttt{} t_2, $当$t>t_3$时, 使得$r(t)(c(t)z'(t))'\leq r(t_3)(c(t_3)z'(t_3))'\leq 0, t\geq t_3.$用$r(t)$除上式, 并从$t_3$到$t$对其积分产生
在上式中, 令$t \rightarrow \infty$, 利用(H$_1)$, 我们有$c(t)z'(t)\rightarrow -\infty$.因此存在$t_4\geq t_3, $当$t>t_4$时, 使得
用$c(t)$除上式, 再从$t_4$到$t$积分, 利用假设(H$_1)$, 我们得到$z(t) \rightarrow -\infty, t \rightarrow \infty.$因此与$z(t)>0$矛盾.因此, (2.2) 式成立.引理1证毕.
引理2 设$x(t)$是(1.1) 式的最终正解, $z(t)\in$Ⅰ, 则存在$T\geq t_0$使得
其中
证 设$z(t)\in$Ⅰ, 由引理1, 有
因此
由$(r(t)(c(t)z'(t))')'\leq 0$, 我们得到$z'[g_2(t)]\geq \frac{R[g_2(t)]r(t)}{c[g_2(t)]}(c(t)z'(t))', t\geq T.$引理2证毕.
引理3 设$x(t)$是(1.1) 式的最终正解, $z(t)\in$ Ⅱ.若
则$\lim\limits_{t\rightarrow \infty}x(t)=\lim\limits_{t\rightarrow \infty}z(t)=0.$
证 设$z(t)\in$ Ⅱ, 则$z(t)>0, z'(t)<0, $故有$\lim\limits_{t\rightarrow \infty}z(t)=l\geq 0.$我们断言$l=0$.事实上, 若$l>0, $则对任意$\varepsilon > 0, $最终有$l<z(t)<l+\varepsilon, $取$\varepsilon<\frac{l(1-p)}{p}, $利用(H$_2)$和(H$_3)$, 有
最终成立, 其中$k=\frac{l-p(l+\varepsilon)}{l+\varepsilon}>0$.
利用(H$_4)$和$(1.1)$式, 产生
其中利用
从$t$到$\infty$对(2.5) 式积分产生
用$r(t)$除上式, 从$t$到$\infty$积分, 有
在上式中双边除$c(t)$, 从$T$到$\infty$积分, 得到
此与条件(2.4) 式矛盾, 故$l=0, $因$0<x(t)\leq z(t), $则$\lim\limits_{t \to \infty}x(t)=0.$引理3证毕.
现在, 我们利用Philos型积分平均条件[14]给出方程(1.1) 新的振动结果.为此, 引进函数类$X.$
令$D_{0}=\{(t, s):t>s\geq t_{0}\}, D=\{(t, s):t\geq s\geq t_{0}\}.$函数$H \in C(D, R)$称为属于$X, $如果
(ⅰ) $H(t, t)=0, t\geq t_{0}, H(t, s)>0, (t, s)\in D_{0};$
(ⅱ) $H$在$D_{0}$上关于第二变量有连续非正偏导数, 且$-\frac{\partial H(t, s)}{\partial s}=h(t, s)\sqrt{H(t, s)}, (t, s)\in D_{0}.$
定理1 设$(\hbox{H}_1)-(\hbox{H}_4)$和(2.4) 式成立且存在$\rho (t) \in C'([t_{0}, \infty], R^{+})$和$H \in X$, 使得
其中$g_{2}(t), q(t)$由(2.3) 和(2.5) 式定义,
则方程(1.1) 的每一解$x(t)$振动或者收敛到零.
证 设$x(t)$是方程(1.1) 的非振动解, 不失一般, 设$x(t)$最终为正, 则有$x(t)>0, t\geq t_{1}, x[\tau(t, \xi)]>0, x[g(t, \xi)]>0, (t, \xi) \in [t_{1}, \infty)\times[a, b].$当$x(t)$最终为负时, 可以类似地处理.令$z(t)$由(2.1) 式定义, 则利用引理1知$z(t)\in$Ⅰ或者$z(t)\in$ Ⅱ.
首先, 设$z(t)\in$Ⅰ, 即$z'(t)>0, t\geq t_{1}.$由(H$_{3})$知, $\exists t_{2}\geq t_{1}$使得$\tau(t, \xi)>t_{1}, (t, \xi)\in [t_{2}, \infty) \times [a, b], $则当$t>t_{2}$时, $z(\tau(t, \xi))<z(t).$故有
故由上式和(H$_4)$, (H$_3)$和方程(1.1) 产生
其中$g_{2}(t)$和$q(t)$分别由(2.3) 和(2.5) 式定义, 令
则由(2.8) 式和引理2, 有
作Riccati变换$A_{1}(s)=\frac{\rho'(s)}{\rho(s)}, A_{2}(s)=\frac{R[g_{2}(s)]g'_{2}(s)}{\rho(s)c[g_{2}(t)]}.$则从(2.10) 式得到
因此$\displaystyle\frac{1}{H(t, t_{2})}\int_{t_{2}}^{t}[H(t, s)\delta (1-p)\rho(s)q(s)-\frac{Q_{1}^{2}(t, s)}{4A_{2}(s)}]ds\leq W(t_{2})$.
此即
上式与条件(2.6) 矛盾.其次, 若$z(t)\in$ Ⅱ, 注意到条件(2.4) 成立, 故由引理3知$x(t)$收敛到零.定理1证毕.
推论1 设定理1的条件(2.6) 用下列条件代替
其它条件不变, 则定理1的结论不变.
当定理1中的条件(2.6) 不易验证时, 我们有下面的定理.我们将使用定理1的符号和证明.
定理2 设除(2.6) 以外定理1的假设均成立, 又设
且
令$\phi(t) \in C([t_0, \infty), R)$使得
其中$\phi_{+}(t)=\max\{\phi(t), 0\}, $且
则方程(1.1) 的每一个解振动或者收敛到零.
证 设$x(t)$是(1.1) 的最终正解, $z(t)$由(2.1) 式定义, 首先, 设$z(t)\in$ Ⅰ, 则在定理1的证明中, 有(2.11) 式成立, 即
利用(2.17) 式, 上式产生
故有
定义函数
则由(2.18) 式知
我们断言
否则, 如果相反, 则有
利用条件(2.14), 存在$\eta>0$, 使得
令$\mu$是任意正数, 则由(2.20) 式知存在$t_2\geq t_1$, 使得$\int_{t_{1}}^{t}A_{2}(t, s)W^{2}(s)ds>\frac{\mu}{\eta}, t\geq t_2.$因此对$t\geq t_2$, 有
此时, 由于函数类$X$的函数$H$在$D_{0}$上, 关于第二个变量有连续非正偏导数, 故函数$H$关于第二个变量是减函数.利用(2.21) 式, 存在$t_3\geq t_2$, 使得
联合(2.22), (2.23) 式, 我们得到$\alpha(t)\geq \mu, t\geq t_{3}.$因$\mu$是任意的, 有
这一情况的证明的剩余部分是类似于文[11]和[13]中的定理2.因此, 我们省略.
其次, 设$z(t)\in$ Ⅱ, 注意到条件(2.4) 成立, 则由引理3知$x(t)$收敛到零.定理2证毕.
定理3 设定理2的全部条件成立, 除了将条件(2.15) 改为
则方程(1.1) 的每一个振动或者收敛到零.
证 定理3的证明类似于定理2的证明.因此, 我们省略.
下面的例子说明我们结果的应用.
例 考虑三阶中立型分布时滞微分方程
此时
则对于任意$t\geq1$, 有
因此, $(\hbox{H}_1)$--$(\hbox{H}_4)$和(2.4) 式成立.为应用推论1, 剩下只需验证条件$(2.6)_{1}$和$(2.6)_{2}$满足即可.我们取$H(t, s)=(t-s)^2, \rho(t)=1, t\geq s\geq 1, $有
故$(2.6)_{1}$和$(2.6)_{2}$满足, 由推论1知方程(2.26) 的每一解振动或者收敛到零.
注1 文[10]中的定理1--3是本文相应结果中, 当$p(t, \xi)\equiv 0, q(t, \xi)\equiv q(t), g(t, \xi)=t-\sigma, [a, b]=[-1, 0]$时的特例.
注2 本文的定理1--3是三阶中立型方程(1.1) 的Philos型振动定理, 它们将文[13]关于二阶三阶中立型方程的振动结果推广到相应的三阶方程.
注3 参考文献中的振动结果均不能适用本文例子.