脉冲微分方程理论的出现使得对理论物理、化学、生物技术和人口动力学等学科中的某些过程和现象的精确模拟成为可能.近年来, 由于分数阶微分方程在反常扩散、多孔介质力学、非牛顿流体力学、粘弹性力学、软物质力学、生物医学以及控制系统等领域的广泛应用, 其研究越来越受到人们的关注.不论在理论还是应用中, 人们主要研究分数阶微分方程的定性性质, 研究方向众多, 如解的存在性以及带有初值条件或边界条件的分数阶微分方程解的稳定性, 其相关定性理论研究迅速发展, 并得到了一些研究成果.偏微分方程解的振动问题已有一些学者通过研究得到了一些结论[1]-[3].近年来, 分数阶微分方程的振动性问题受到广泛关注, 一些学者研究带阻尼项的分数阶微分方程的振动性[4]-[10], 并陆续有很好的研究成果发表[11]-[17].但关于脉冲分数阶微分方程的振动性研究却很少, 本篇论文借鉴现有的一些研究结果以及方法来进一步讨论脉冲分数阶偏微分方程的性质.
本文将讨论如下方程
边界条件
其中$ \alpha\in(0, 1) $, $ \Delta $为拉普拉斯算子, $ \Omega $是$ R^{n} $内的有界域, $ \partial\Omega $充分光滑, $ \overline{\Omega} = \Omega\cup\partial\Omega $, $ N $为$ \partial\Omega $的单位外法向量, $ 0 < t_{1} < \cdots < t_{i} < \cdots $且$ \lim\limits_{i\to\infty}t_{i} = +\infty $.
如下是本文的基本假设
(H1) $ a(t), p(t), a_{i}(t)\in C(R_{+}; R_{+}) $, $ r(t)\in C^{\alpha}(R_{+}; R_{+}) $且$ \tau_{i}\geq0 $是常数, $ i\in I_{j} = \{1, 2\cdots, j\} $; $ \alpha_{k} > -1, \; \beta_{k} > -1 $.
(H2) $ q(x, t)\in C(\overline{E}; R_{+}) $, $ q(t) = \min\limits_{x\in\overline{\Omega}}q(x, t) $; $ h'(u), h_{i}^{'}(u), F(u)\in C(R; R) $, 对于$ x\neq0 $, 存在一个正常数$ c $, 使得$ \frac{F(x)}{x}\geq c > 0 $; $ u\neq0, \; uh'(u) > 0, \; uh_{i}^{'}(u) > 0 $.
(H3) $ m\in C(\overline{E}\times R; R) $,
(H4) $ u(x, t) $和它的分数阶导数$ D_{+, t}^{\alpha}u(x, t) $是分段连续函数, $ t = t_{k}, k = 1, 2, 3, \cdots $为第一类间断点, 且在$ t = t_{k} $处左连续, 即$ D_{+, t}^{\alpha}u(x, t_{k}^{-}) = D_{+, t}^{\alpha}u(x, t_{k}), u(x, t_{k}^{-}) = u(x, t_{k}). $
定义1.1 [18] $ f:R_{+}\rightarrow R $, 阶数为$ \alpha > 0 $的Riemann-Liouville左侧分数阶积分定义如下
上式在$ R_{+} $是逐点定义的, $ \Gamma $是gamma函数.
定义1.2 [19] 修正后的Riemann-Liouville分数阶导数定义如下
下面给出关于$ \alpha $阶修正后的Riemann-Liouville分数阶导数的一些计算公式
及一些在本文的证明中要用到的记号
定理2.1 如果下列脉冲分数阶微分不等式
没有最终正解, 且下列脉冲分数阶微分不等式
没有最终负解, 那么方程(1.1)和(1.2)的每个非平凡解$ u(x, t) $在$ E $内都是振动的.
证 设$ u(x, t) $是方程(1.1)和(1.2)的一个非振动解.不妨设存在$ t_{0}\geq0 $, 使得$ u(x, t) > 0 $, $ u(x, t-\tau_{i}) > 0 $, $ (x, t)\in\Omega\times[t_{0}, +\infty) $.
当$ t\neq t_{k} $.将方程(1.1)的第一个式子关于$ x $在$ \Omega $内积分, 得到
由Green公式、边值条件(1.2)及条件(H2), 容易得到
及
由(2.3)–(2.7)式, 得到
当$ t = t_{k} $.分别对方程(1.1)的第二个式子和第三个式子关于$ x $在$ \Omega $内积分, 得到
由(2.8)–(2.10)式知, $ U(t) = \int_{\Omega}u(x, t)dx $是脉冲分数阶微分不等式(2.1)的最终正解, 这与假设矛盾.
若$ u(x, t) $是脉冲分数阶微分方程(1.1)和(1.2)的最终负解.用类似方法, 容易得到$ U(t) = \int_{\Omega}u(x, t)dx $是脉冲分数阶微分不等式(2.2)的最终负解, 这与假设矛盾.定理得证.
引理2.2 [18] 若$ G(t) = \int_{0}^{t}(t-v)^{-\alpha}U(v)dv, \; \; \alpha\in(0, 1), \; \; t > 0, $则$ G'(t) = \Gamma(1-\alpha)(D_{+}^{\alpha}U)(t), \; \; \alpha\in(0, 1), \; \; t > 0. $
引理2.3 若$ 0 < \alpha < 1 $, 则$ (D_{+}^{\alpha}I_{0+}^{\alpha}f)(x) = f(x). $
证 由定义1.1和1.2可得
令$ t = s+\mu(x-s) $, 利用Beta函数的定义得
引理2.4 [20] 假设$ w\in PC^{1}[R_{+}, R], $
其中$ g_{1}, g_{2}\in C[R_{+}, R] $, $ \delta_{k} $是常数, $ PC^{1}[R_{+}, R] = \{x(t):R_{+}\to R, \; x(t)\mbox{在除}\; t = t_{k}, k = 1, 2, \cdots\mbox{以外的点连续可微}, x(t_{k}^{+}), x(t_{k}^{-}), x'(t_{k}^{+}), x'(t_{k}^{-}) \mbox{存在, 且}\; x(t_{k}) = x(t_{k}^{-}), x'(t_{k}) = x'(t_{k}^{-})\} $.则
定理2.5 假设存在$ t^{*}\geq0 $,
且
其中$ \widetilde{\psi}(s) = ce^{\widetilde{R}(s)}\widetilde{q}(s) $.那么方程(1.1)–(1.2)每个非平凡解$ u(x, t) $在$ E $内振动.
证 用反证法.假设$ U(t) $是脉冲分数阶微分不等式(2.1)的非振动解.不失一般性, 假设$ U(t) $是脉冲分数阶微分不等式(2.1)的最终正解, 存在$ t^{*}\geq0 $, 使得$ U(t) > 0, U(t-\tau_{i}) > 0, G(t) > 0 $, $ t\geq t^{*} $.由(2.1)式及引理2.3, 有
由上式知$ e^{R(t)}r(t)D_{+}^{\alpha}U(t) $在$ t\geq t^{*} $上是减函数.不妨设$ D_{+}^{\alpha}U(t) > 0 $, $ t\in[t^{*}, \infty) $.否则, 存在$ T\in[t^{*}, \infty) $, 使得$ D_{+}^{\alpha}U(T) < 0 $, $ e^{R(t)}r(t)D_{+}^{\alpha}U(t)\leq e^{R(T)}r(T)D_{+}^{\alpha}U(T) = c_{1} < 0, $其中$ c_{1} $在$ t\in[T, \infty) $是一个常数.根据引理2.2, 有
对上述不等式从$ T $到$ t $积分, 得
当$ t\to+\infty $, $ \lim\limits_{t\to\infty}G(t)\leq-\infty $, 这与$ G(t) > 0 $矛盾.因此$ D_{+}^{\alpha}U(t) > 0 $, $ t > T $.
令
则$ w(t) > 0 $, 由(2.1)式及引理2.3, 容易得到
即
其中$ \psi(t) = ce^{R(t)}q(t) $.利用(H1)和$ w(t) $的定义式, 不等式(2.1)的第二个式子和第三个式子变为
令$ \xi = \frac{t^{\alpha}}{\Gamma(1+\alpha)} $, $ \widetilde{w}(\xi) = w(t) $, $ \widetilde{\psi}(\xi) = \psi(t) $, 则$ \widetilde{w}(\xi) > 0 $, 可以得到
则(2.18)式变为
由(2.19)–(2.21)式, 容易得到
根据引理2.4, 得
这与$ \widetilde{w}(\xi) > 0 $矛盾, 定理2.5的第一部分证毕.
若$ U(t) $是不等式(2.2)的一个非振动解.不妨设$ U(t) $是脉冲分数阶微分不等式(2.2)的最终负解, 则$ G(t) < 0, t\in [t^{*}, \infty) $.用类似方法, 容易得到$ D_{+}^{\alpha}U(t) < 0 $, $ t\geq t^{*} $.令$ w(t) = -e^{R(t)}\frac{r(t)D_{+}^{\alpha}U(t)}{U(t)} $, 则$ w < 0 $.根据(2.2)式, 可以得到 $ D_{+}^{\alpha}w(t)\geq c e^{R(t)}q(t) = \psi(t) $和$ w(t_{k}^{+}) = \frac{1+\alpha_{k}}{1+\beta_{k}}w(t_{k}), k = 1, 2, 3, \cdots. $即
若$ \widetilde{w}(\xi) = -\widetilde{v}(\xi) $
由引理2.4, 得
则
这与结论$ \widetilde{w}(\xi) < 0 $矛盾.定理2.5证毕.
例1 考虑如下问题
边界条件为
证 在(3.1)式中, $ r(t) = e^{-t-\frac{2}{3\sqrt{\pi}}t^{\frac{3}{2}}}, \; p(t) = \frac{1}{2}te^{-t-\frac{2}{3\sqrt{\pi}}t^{\frac{3}{2}}}, \; a(t) = e^{t}, a_{1}(t) = t^{\frac{2}{3}}, \, m(x, t, u) = \frac{u^{3}(x, t)}{1+t^{2}+x^{2}} $, $ h(u) = u^{2} $, $ h_{1}(u) = 1 $, $ q(x, t) = x^{2}+t^{2} $, $ q(t) = \min(x^{2}+t^{2}) = t^{2}, F(u) = u, \frac{F(u)}{u}\geq c = 1 $, $ j = 1 $, $ \alpha_{k} = \beta_{k} = 1 $.那么
则由定理2.5可知, 问题(3.1)和(3.2)的解都是振动的.