利用锥上不动点理论, 文献[1-6]研究了边值问题正解的存在性; 文献[7-8]研究了带Riemann-Stieltjes积分边值条件的高阶问题, 其中2012年, 当$r a(t)f(x)=\lambda f(t, x)$时, 文献[8]研究了下列奇异高阶问题
其中$f(t, x)$在$t=0, t=1$处奇异, $\alpha, \, \, \beta:[0,1]\rightarrow \Re$分别是有界变差函数.
应用分歧方法, 文献[9-11]研究了二阶边值问题; 文献[12-14]研究了四阶边值问题; 文献[15]研究了高维问题; 文献[16-17]研究了带Riemann-Stieltjes积分边值条件问题.
受上述文献的启发, 本文研究奇异高阶含Riemann-Stieltjes积分边值条件的问题(1.1) 正解的存在性问题.本文做如下假设
(H1) 假设$\alpha, \, \, \beta:[0,1]\rightarrow \Re$分别是非减函数且在[0, 1]上不恒为常数. ${g_\alpha }(s) = \int_0^1 {k(t,s)d\alpha (t)} $, ${g_\beta }(s) = \int_0^1 {k(t,s)d\beta (t)} $ $g_{\alpha}(s)\geq0$且$g_{\alpha}(s)\geq0, g_{\beta}(s)\geq0, \forall s\in[0,1]$;
(H2)
(H3) $a(\cdot)\in C((0, 1), [0, \infty))$, 在$(0, 1)$的任何子区间上$a(t)\not\equiv0$, 且
$k(\tau(s), s), k_{i}(\tau_{i}(s), s)$分别由引理2.2与引理2.3给出;
(H4) $f(\cdot)\in C([0, \infty), [0, \infty))$, 对任何$s>0$, 都有$f(s)>0$成立;
(H5) $f_{0}, f_{\infty}\in (0, +\infty)$;
(H6) $f_{0}\in (0, +\infty)$且$f_{\infty}=\infty;$
(H7) $f_{0}=0$且$f_{\infty}=\infty;$
(H8) $f_{0}=\infty$且$f_{\infty}=\infty, $
其中
本章安排如下:在第二部分给出格林函数及其性质; 第三部分给出预备知识; 第四部分给出问题(1.1) 至少存在一个正解的主要定理及证明.
考虑如下边值问题
引理2.1 (见文献[8, 引理1])假设条件(H1) 和(H2) 成立.对于任何$y\in C[0,1]$, 则问题(2.1) 存在唯一解
引理2.2 (见文献[8, 引理2])由$(2.4)$式定义的$k(t, s)$满足下列性质
引理2.3 $k(t, s)$由(2.4) 式定义, $i=2, \cdots, n$, 下式成立
并且$k_{i}(t, s)$满足
证 相似于文献[7]第1937-1938页中定理3.1的证明方法, 易得引理2.3, 故证明略.
引理2.4 (见文献[8, 引理3])假设条件(H1) 和(H2) 成立.由$(2.3)$式定义的$K(t, s)$满足下列性质
(ⅰ) $K(t, s)$在$[0,1]\times[0,1]$上连续且$K(t, s)\geq0$;
(ⅱ) 对于任意$t, \, \, s\in[0,1]$都有$K(t, s)\leq K(s)$成立, 对于任意$t, \, \, s\in[0,1]$, 下式成立
引理2.5 (见文献[8, 引理4])假设条件(H1) 和(H2) 成立.则对于$y \in C[0,1]$且$y\geq0$, (2.1) 式的唯一解满足
(ⅰ) $x(t)\geq0, $ $\forall t\in[0,1]$;
(ⅱ) $\mathop {\min }\limits_{t \in [0,1]} x(t) \ge q(t)\|x\|$,
其中$q(t)$由引理2.3 (ⅱ)给出.
记$Y=C[0,1], $其上范数为$\|x\|_{\infty}=\max\limits_{t\in[0,1]}|x(t)|.$
记$E=\{x\in C^{n-1}[0,1]|x(0)=\alpha[x], x'(0)=\cdots=x^{(n-2)}(0)=0, x(1)=\beta[x]\}, $其上范数为
定义算子$L:D(L)\subset E\rightarrow E, $ $Lx=x^{(n)}, x\in D(L), $其中
容易验证$L$为闭算子且$L^{-1}:Y\rightarrow D(L)$是全连续算子.
令$\Sigma$为(1.1) 在$[0, \infty)\times E$上正解集合的闭包.
定义锥
其中$q(t)$由引理2.3 (ⅱ)给出, 且对于$r > 0$, 令$\Omega_{r}=\{x\in P | \|x\|_{E} < r\}.$
首先考虑线性问题
令
由Krein-Rutmann定理(见文献[18, 定理2.5], 亦可参考文献[19]或[20]), 可得下列引理.
引理3.1 设(H1)-(H3) 成立, $r(L_{\lambda})$是$L_{\lambda}$的谱半径.则$r(L_{\lambda})\neq0$且$L_{\lambda}$有一个对应于第一特征值$\lambda_{1}=\frac{1}{r(L_{\lambda})}$的正的特征函数$\phi_{1}\in\mathrm{int}P$, 它是简单的并且再没有别的特征值对应正的特征函数.
引理3.2 设(H1)-(H4) 成立, 则问题$(1.1)$的解$x(t)$满足
证 由$|\int_0^1 {x(s)d\alpha (s)} | \le \mathop {\max }\limits_{s \in [0,1]} |x(s)| \cdot \alpha [1]$和$x(0) = \int_0^1 {x(s)d\alpha (s)} ,$可得
即
进而$\|x(t)\|_{\infty}\leq\frac{1}{1-\alpha[1]}\|x'\|_{\infty}.$由$x'(0)=0, $可得
进而$ \|x'\|_{\infty}\leq\|x''\|_{\infty}. $继续这样一个过程, 由条件$x'(0)=x''(0)=\cdots=x^{(n-2)}(0)=0$, 可得
结论获证.
引理3.3 设(H1)-(H4) 成立.假设$\{(\mu_{k}, x_{k})\}\subset(0, \infty)\times P$是问题(1.1) 的一个正解序列, 存在常数$c_{0} > 0$, 使得$\|\mu_{k}\|\leq c_{0}$, 且
则$\mathop {\lim }\limits_{k \to \infty } \|{x_k}\|{_\infty } = \infty .$
证 反设存在常数$M_{0} > 0$, 使得$\|x_{k}\|_{\infty}\leq M_{0}.$由于$(\mu_{k}, x_{k})$是问题(1.1) 的正解, 则
进而
又
由(H3) 可得
假设$b = \mathop {\max }\limits_{s \in [0,{M_0}]} \{ f(s)\} $, 结合(3.2), (3.3) 和(3.4) 式, 可得
即由$\|x_{k}(t)\|_{\infty}$有界可推出$\|x_{k}^{(n-1)}(t)\|_{\infty}$有界.
结合引理3.2, 存在常数$M_{2} > 0$满足$\|x_{k}(t)\|_{E}\leq M_{2}.$与已知条件矛盾, 结论获证.
引理3.4 (见文献[17]) 设$X$是一个Banach空间且令$\{C_{n}|n=1, 2, \cdots\}$是$X$中的闭连通分支序列.假设
(ⅰ) 存在$z_{n}\in C_{n}, \, \, n=1, 2, \cdots$和$z^{\ast}\in X$, 使得$z_{n}\rightarrow z^{\ast}$;
(ⅱ) $r_{n}=\sup\{\|x\||x\in C_{n}\}=\infty;$
(ⅲ) 对所有$R>0$, $\left(\cup_{n=1}^{\infty}C_{n}\right)\cap B_{R}$是$X$中的相对紧子集, 其中$ B_{R}=\{x\in X|\|x\|\leq R\}. $
则在$\mathbb{D}$中存在一个无界连通分支$C$使得$z^{\ast}\in C, $其中$\mathbb{D}:=\underset{n\to \infty }{\mathop{\lim \sup }}\,{{C}_{n}}=\{x\in X|\exists \{{{n}_{i}}\}\subset \mathbb{N}$和$x_{n_{i}}\in C_{n_{i}}$, 使得$x_{n_{i}}\rightarrow x\}$ (见文献[21]).
首先考虑下列特征值问题
其中$\lambda>0$是一个参数.
设$\zeta\in C(\mathbb{R})$使得$f(x)=f_{0}x+\zeta(x)$且满足$\mathop {\lim }\limits_{|s| \to 0} \frac{{\zeta (s)}}{s} = 0.$
考虑
作为从平凡解$x\equiv0$发出的一个分岐问题.方程(4.2) 等价于
进而可以证明
事实上, 对所有$(t, s)\in[0,1]\times[0,1], $由引理2.1-2.3可得
则对于任意$t, \, \, s\in[0,1]$, $i=1, \cdots, n$, 都有
由(4.4) 式, $i=1, \cdots, n$, 可得
由$L^{-1}$的紧性结合(H3), $i=1, \cdots, n$, 可得
进而$i=1, \cdots, n$, $\|(L^{-1}[a(\cdot)\zeta(x(\cdot))])^{(i-1)}\|_{\infty}=o(\|x\|_{E}).$即(4.3) 式得证.
由引理3.1和全局分岐定理(可参考Dancer[22]和Zeidler[23]推论15.12), 对于问题(4.2), 可得如下结论.
引理4.1 令(H1)-(H5) 成立, $(\frac{\lambda_{1}}{rf_{0}}, 0)$是问题(4.2) 的一个分岐点.进而, 存在(4.2) 式正解的一个连通分支$\mathscr{C}$, 满足$\mathscr{C}(\subset[0, \infty)\times E)$, 并且$\mathscr{C}$在$[0, \infty)\times P$中连接$\left(\frac{\lambda_{1}}{rf_{0}}, 0\right)$和$\left(\frac{\lambda_{1}}{rf_{\infty}}, \infty\right)$.
注4.1 问题(4.1) 的形如$(1, x)$的任何解将产生问题$(1.1)$的一个解$x$.为了获得结论, 仅仅证明$\mathscr{C}$在$[0, \infty)\times P$中穿过超平面$\{1\}\times E$即可.
下面是本文主要结果.
定理4.1 令(H1)-(H5) 成立.要么$\lambda_{1}/ f_{\infty}<r<\lambda_{1}/ f_{0}$成立, 要么$\lambda_{1}/ f_{0}<r<\lambda_{1}/ f_{\infty}$成立.则问题(1.1) 至少有一个正解.
证 由引理4.1易得结论, 故证明略.
定理4.2 令(H1)-(H4) 和(H6) 成立.假设$r\in(0, \frac{\lambda_{1}}{f_{0}})$.则问题(1.1) 至少有一个正解.
证 受文献[24]的启发, 可以定义截断函数$f$如下
显然, 可得
相似于定理4.1, 由引理4.1可知, 存在问题(4.5) 从$(\frac{\lambda_{1}}{rf_{0}}, 0)$发出的一个解的无界连通分支$\mathscr{C}^{[n]}$, 满足$\mathscr{C}^{[n]}\subset([0, \infty)\times E)$, 并且$\mathscr{C}^{[n]}$在$[0, \infty)\times P$中连接$(\frac{\lambda_{1}}{rf_{0}}, 0)$到$(\frac{\lambda_{1}}{nr}, \infty)$.
令$z_{n}=(\frac{\lambda_{1}}{nr}, \infty)$且$z^{\ast}=(0, \infty), $则$z_{n}\rightarrow z^{\ast}.$因此引理3.4 (ⅰ)满足且$z^{\ast}=(0, \infty).$显然
相应的, 引理3.4 (ⅱ)成立.由Arezela-Ascoli定理和$f^{[n]}$直接可得引理3.4 (ⅲ).因此由引理3.4可知$\mathop {\lim \sup }\limits_{n \to \infty } {{\mathscr {C}}^{[n]}}$包括一个无界连通分支$\mathscr{C}$满足$(\infty, 0)\in \mathscr{C}$并且$(\frac{\lambda_{1}}{rf_{0}}, 0)\in \mathscr{C}$.
定理4.3 令(H1)-(H4) 和(H7) 成立.假设$r\in(0, +\infty)$.则问题(1.1) 至少有一个正解.
证 定义
考虑问题
相似于定理4.2的证明方法, 由引理4.1可知, 问题(4.6) 存在从$(\frac{n\lambda_{1}}{r}, 0)$发出的一个解的无界连通分支$\mathscr{C}^{[n]}$, 满足$\mathscr{C}^{[n]}\subset([0, \infty)\times E)$, 并且$\mathscr{C}^{[n]}$在$[0, \infty)\times P$中连接$(\frac{n\lambda_{1}}{r}, 0)$到$(0, \infty)$.
令$z_{n}=(\frac{n\lambda_{1}}{r}, 0)$且$z^{\ast}=(\infty, 0), $则$z_{n}\rightarrow z^{\ast}.$因此引理3.4 (ⅰ)满足且$z^{\ast}=(\infty, 0).$显然
相应的, 引理3.4 (ⅱ)成立.由Arezela-Ascoli定理和$f^{[n]}$直接可得引理3.4 (ⅲ).因此由引理3.4可知$\limsup\limits_{n\rightarrow\infty}\mathscr{C}^{[n]}$包括一个无界连通分支$\mathscr{C}$满足$(\infty, 0)\in \mathscr{C}$并且$(0, \infty)\in \mathscr{C}$.
定理4.4 令(H1)-(H4) 和(H8) 成立.存在一个$\lambda^{+}>0$使得$r\in(0, \lambda^{+})$成立.则问题(1.1) 至少有一个正解.
显然,
相似于定理4.2的证明方法, 由引理4.1可知, 问题(4.7) 存在从$(\frac{\lambda_{1}}{nr},0)$发出的一个解的无界连通分支$\mathscr{C}^{[n]}$, 满足$\mathscr{C}^{[n]}\subset([0,\infty)\times E)$, 并且$\mathscr{C}^{[n]}$在$[0,\infty)\times P$中连接$(\frac{\lambda_{1}}{nr},0)$到$(\infty,\infty)$.
令$z_{n}=(\frac{\lambda_{1}}{nr},0)$且$z^{\ast}=(0,0),$则$z_{n}\rightarrow z^{\ast}.$因此引理3.4(ⅰ)满足且$z^{\ast}=(0,0).$显然
相应的, 引理3.4 (ⅱ)成立.由Arezela-Ascoli定理和$f^{[n]}$直接可得引理3.4 (ⅲ).因此由引理3.4可知$\limsup\limits_{n\rightarrow\infty}\mathscr{C}^{[n]}$包括一个无界连通分支$\mathscr{C}$满足$(0,0)\in \mathscr{C}$并且$(0,\infty)\in \mathscr{C}$.