考虑二阶Hamilton系统
其中 $T>0$, 设 $F:[0, T]\times\mathbb{R}^{N}\rightarrow\mathbb{R}$满足如下假设
(A)对每个 $x\in\mathbb{R}^{N}$, $F(t, x)$关于 $t$可测;对几乎所有的 $t\in[0, T]$, $F(t, x)$关于 $x$连续可微, 且存在 $a\in C(\mathbb{R}^{+}, \mathbb{R}^{+})$, $b\in L^{1}(0, T;\mathbb{R}^{+})$, 使得
对所有的 $x\in\mathbb{R}^{N}$和a.e. $t\in[0, T]$成立.
Mawhin和Willem在文[1]在非线性项有界, 即存在 $g\in L^{1}(0, T;\mathbb{R}^{+})$, 使得
对所有 $x\in\mathbb{R}^{N}$和 ${\rm{a}}.{\rm{e}}.t \in [0,T]$成立时,得到了系统(1.1) 周期解的存在性定理.
文[2]假设非线性项是次线性增长的, 即存在 $f, g\in L^{1}(0, T;\mathbb{R}^{+})$, $\alpha\in[0, 1)$使得
对所有 $x\in\mathbb{R}^{N}$和 $\text{a}.\text{e}.t\in[0, T]$成立.
在具有线性增长非线性项, 即存在 $f, g\in L^{1}(0, T;\mathbb{R}^{+})$, 使得
对所有 $x\in\mathbb{R}^{N}$和 $\text{a}.\text{e}.t\in[0, T]$成立时, 文[3]中得到以下定理.
定理A[3] 设 $F$满足(1.2)式, 且
若 $\int_{0}^{T}f(t)\mathrm{d}t < \frac{12}{T}$, 则系统(1.1) 在Sobolev空间 $H_{T}^{1}$中至少有一个周期解.
文[4]将定理A中的强制性条件改进为下方有界的情形
当非线性项 $\nabla F(t, x)$线性增长时, 文[5-7]中分别在具有部分周期位势, 脉冲作用项, 单调性条件下得到了二阶Hamilton系统周期解的存在性定理.
设存在常数 $M_{0}>0$, $M_{1}>0$, $M_{2}>0$和非负函数 $\omega\in C([0, \infty), [0, \infty))$, 使得
(w1) $\omega (s)\le \omega (t), \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \forall s\le t, s, t\in [0, \infty ).$
(w2) $\omega(s+t)\leq M_{0}(\omega(s)+\omega(t)), \ \ \ \ \ \ \ \ \forall s, t\in[0, \infty)$.
(w3) $0\leq\omega(s)\leq M_{1}s^{p^{-}-1}+M_{2}, \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \forall s, t\in[0, \infty)$.
(w4)当 $s\rightarrow\infty$时, $\omega(s)\rightarrow+\infty$.
受到文[8]和[9]的启发, 我们考虑用控制函数 $\omega(|x|)$替换线性增长条件(1.2) 中的 $|x|$, 并将上述结果推广到非自治 $p(t)$-拉普拉斯系统
其中 $p(t)\in C([0, T], \mathbb{R}^{+})$, $p(t)=p(t+T)$, 且
临界点理论是研究微分方程和差分方程边值问题可解性的有效方法, 如文[10-12].非自治 $p(t)$-拉普拉斯系统来自于非线性弹性问题和流体力学, 该系统刻画了“逐点异性”的物理现象.近年来, 临界点理论已用于研究非自治 $p(t)$-拉普拉斯系统周期解的存在性, 参见文[13-21].
记 $p(t)\in C([0, T], \mathbb{R}^{+})$, 定义
当 $p^{-}>1$时, 空间 $W_{T}^{1, p(t)}$是自反的Banach空间, 其范数为
记
则 $W_{T}^{1, p(t)}=\widetilde{W}_{T}^{1, p(t)}\oplus\mathbb{R}^{N}$.
引理2.1[15] $\forall\tilde{u}\in\widetilde{W}_{T}^{1, p(t)}$, 存在常数 $C_{0}>0$, $C_{1}>0$, $C_{2}>0$, 有
其中 $\|u\|_{\infty}=\max\limits_{0\leq t\leq T}|u(t)|, p^{-}=\min\limits_{0\leq t\leq T}p(t)$.
引理2.2[15] $\forall u\in W_{T}^{1, p(t)}$, $\bar{u}=\frac{1}{T}\int_{0}^{T}u(t)\mathrm{d}t$, 有
引理2.3[16] 在Sobolev空间 $W_{T}^{1, p(t)}$上定义泛函 $\varphi$如下:
则 $u\in W_{T}^{1, p(t)}$是问题(1.3) 的周期解当且仅当 $u$是泛函 $\varphi$的临界点, 且 $\varphi$连续可微,
定义1 设 $X$为Banach空间, 若泛函 $\varphi\in C^{1}(X, \mathbb{R})$满足:对任何点列 $\{u_{n}\}\subset X$, 由 $\{\varphi(u_{n})\}$有界, $\varphi'(u_{n})\rightarrow 0$蕴含 $\{u_{n}\}$有收敛子列, 则称泛函 $\varphi$满足(PS)条件.
引理2.4[1] (极小作用原理)若泛函 $\varphi:X\mapsto\mathbb{R}$弱下半连续, 且 $\varphi$在自反的Banach空间 $X$中强制, 即当 $\|u\|\rightarrow\infty$时, 有 $\varphi(u)\rightarrow+\infty, $则泛函 $\varphi$在空间 $X$中有极小值.
引理2.5[1] (鞍点定理)设 $E$是Hilbert空间, $E=E_{1}\oplus E_{2}$, 其中 $E_{2}\neq\{0\}$是有限维子空间。若 $\varphi\in C^{1}(X, \mathbb{R})$满足(PS)条件和以下两个条件
(ⅰ)存在 $e\in B_{\rho}\cap E_{2}$和常数 $\omega>\sigma$, 使得 $\varphi|_{ e+E_{1}}\geq\omega$,
(ⅱ)存在常数 $\sigma$和 $\rho$, 使得 $\varphi|_{\partial B_{\rho}\cap E_{2}}\leq\sigma$,
则 $\varphi$有临界值 $c\geq\omega$且
其中 $\Gamma=\{h\in C(\bar{B}_{\rho}\cap E_{1}, E):h\mid_{\partial B_{\rho}\cap E_{1}}=\texttt{id}_{\partial B_{\rho}\cap E_{1}}\}, $ $\texttt{id}$表示恒等算子, $B_{\rho}$是 $E$中以0为中心半径为 $r$的开球, $\partial B_{\rho}$表示 $B_{\rho}$的边界.
定理3.1 设 $\omega\in C([0, \infty), [0, \infty))$, 满足( $\omega_{1}$)-( $\omega_{4}$).设存在 $f, g\in L^{1}(0, T;\mathbb{R}^{+})$, 使得
对所有 $x\in\mathbb{R}^{N}$和 $\text{a}.\text{e}.t\in[0, T]$成立.且
其中 $\frac{1}{p^{-}}+\frac{1}{q^{+}}=1$, 若
则问题(1.3) 在Sobolev空间 $W_{T}^{1, p(t)}$中至少有一个周期解.
注 定理3.1推广与改进了定理A和文献[8]中定理1.5.首先, 定理3.1中将对应结果推广到了非自治 $p(t)$-拉普拉斯系统; 另一方面, 易见式(3.2) 中极限是下方有界的.
取 $p(t)\equiv 2$, 则 $p^{-}=p^{+}=2$, 令
其中 $\beta(t)\in L^{1}(0, T;\mathbb{R}^{+})$, 则 $F$满足定理3.1的条件, 但不满足定理A和文[8]中定理1.5.
证 由条件( $\omega_{1}$)-( $\omega_{3}$), 式(3.1), (2.1), 有
利用Young不等式, 及 $\frac{1}{p^{-}}+\frac{1}{q^{+}}=1$, 有
由式(3.4) 和(3.5), 有
由引理1.2, $\|u\|\rightarrow\infty\Rightarrow\int_{0}^{T}|\dot{u}(t)|^{p(t)}\mathrm{d}t+|\bar{u}|\rightarrow+\infty$, 由式(3.2) 和 $(\omega_{4})$, 并注意到 $p^{-}>1$, 当 $\|u\|\rightarrow\infty$时, $\varphi(u)\rightarrow+\infty$.注意到当 $p^{-}>1$时, 空间 $W_{T}^{1, p(t)}$是自反的Banach空间, 泛函 $\varphi$弱下半连续[20], 由极小作用原理可知, 泛函 $\varphi$至少有一个临界点, 从而得到问题(1.3) 至少有一个周期解.
定理3.2 设非负函数 $\omega$满足( $\omega_{1}$)-( $\omega_{4}$), $F$满足(3.1) 和(3.3), 且
其中
注 取 $p(t)\equiv\sin\frac{2\pi t}{T}+5$, 则 $p^{-}=4$, $q^{+}=\frac{4}{3}$, 令
则 $F$满足定理3.2中的条件, 但不满足文[13-21]中定理.
证 我们将利用鞍点定理来证明定理3.2, 对 $\forall u\in W_{T}^{1, p(t)}$, 设 $\bar{u}=\frac{1}{T}\int_{0}^{T}u(t)\mathrm{d}t, u(t)=\tilde{u}(t)+\bar{u}.$
第1步 证明泛函 $\varphi$满足(PS)条件, 即任何点列 $\{u_{n}\}\subset W_{T}^{1, p(t)}$, 由 $ \{\varphi(u_{n})\}$有界, $\varphi'(u_{n})\rightarrow 0$, $(n\rightarrow\infty)$, 可推得 $\{u_{n}\}$有收敛子列.首先证明 $\{u_{n}\}$在 $W_{T}^{1, p(t)}$有界.
类似于(3.4) 的证明, 有
由式(3.5), (3.8), 有
另一方面, 由式(2.1), 可得
由式(3.9), (3.10), 有
其中 $C_{8}=-\min\limits_{s\in[0, +\infty)}\left\{\frac{1}{2}\left(1-\frac{1}{p^{+}p^{-}}\right)s^{p^{-}}-C_{6}s-C_{7}\right\}>0$.由式(3.9), 有
由式(3.4), (3.5), (3.12), 有
其中 $K$为式(3.7) 中定义的正常数.反设 $\{u_{n}\}$在 $W_{T}^{1, p(t)}$中无界, 当 $n\rightarrow\infty$时, $\| u_{n}\|\rightarrow\infty$.
由引理2.2, 当 $n\rightarrow\infty$时, $\|u_{n}\|\rightarrow\infty\Rightarrow\int_{0}^{T}|\dot{u}_{n}(t)|^{p(t)}\mathrm{d}t+|\bar{u}_{n}|\rightarrow+\infty.$
当 $n\rightarrow\infty$时, $| \bar{u}_{n}|\rightarrow+\infty$, 由( $\omega_{4}$), 有 $\omega(| \bar{u}_{n}|)\rightarrow+\infty$.由式(3.6), 式(3.13), 并注意到 $p^{-}>1$, 当 $n\rightarrow\infty$时, $\varphi(u_{n})\rightarrow-\infty$.
当 $n\rightarrow\infty$时, $\int_{0}^{T}|\dot{u}_{n}(t)|^{p(t)}\mathrm{d}t\rightarrow+\infty$, 式(3.12), 有 $\omega(| \bar{u}_{n}|)\rightarrow+\infty$.由式(3.6), 式(3.13), 并注意到 $p^{-}>1$, 当 $n\rightarrow\infty$时, $\varphi(u_{n})\rightarrow-\infty$.
这与 $ \{\varphi(u_{n})\}$有界矛盾!故 $\{u_{n}\}$在 $W_{T}^{1, p(t)}$中有界.注意到当 $p^{-}>1$时, $W_{T}^{1, p(t)}$紧嵌入 $C([0, T];\mathbb{R}^{N})$和 $W_{T}^{1, p(t)}$的一致凸性, 类似于文献[19]中定理3.2的证明, $\{u_{n}\}$在 $W_{T}^{1, p(t)}$中有收敛子列, 故泛函 $\varphi$满足(PS)条件.
第2步 取 $E_{1}=\widetilde{W}_{T}^{1, p(t)}$, $E_{2}=\mathbb{R}^{N}$, 则 $W_{T}^{1, p(t)}=\widetilde{W}_{T}^{1, p(t)}\oplus\mathbb{R}^{N}$.我们证明鞍点定理的环绕条件成立.对 $u\in E_{1}$, 类似于(3.4) 的证明, 有
由式(3.14), 有
对 $u\in E_{1}=\widetilde{W}_{T}^{1, p(t)}$, 由引理2.2, $\|u\|\rightarrow\infty\Rightarrow\int_{0}^{T}|\dot{u}(t)|^{p(t)}\mathrm{d}t\rightarrow+\infty$.由(3.3) 式知,
故当 $\|u\|\rightarrow +\infty$时, 有 $\varphi(u)\rightarrow+\infty$.对 $u\in E_{1}=\widetilde{W}_{T}^{1, p(t)}$成立.显然存在常数 $\eta$, 使得 $\varphi(u)\geq\eta$.
另一方面, 对 $y\in E_{2}=\mathbb{R}^{N}$, 由式(3.6), 对 $\forall\varepsilon >0$, 当 $|y|$充分大时, 有
令 $\varepsilon$充分小, 当 $|y|\rightarrow +\infty$时, $\omega(|y|)\rightarrow+\infty$, 则 $\varphi(y)\rightarrow-\infty$.因此存在正常数 $\rho$, 使得 $\varphi|_{\partial B_{\rho}\cap E_{2}}\leq\eta-1=\sigma$.