非线性阿贝尔方程
在物理和工程技术等许多领域有着重要应用[1-2], 方程(1.1)的数学性质已被数学和物理学者[3-15]进行了深入研究. 文献[14, 15]提出了得到阿贝尔方程的通解的一种方法, 他们都假定$ y = y_{1}(t) $是方程(1.1)的一个特解, 然后通过变量代换方法, 给出了阿贝尔方程的通解; 文献[16]假设$ \gamma = \gamma(t) $是阿贝尔方程的一个周期特解, 然后, 利用变量代换法和不动点定理, 得到阿贝尔方程的其他周期解的存在性.
本文首先考虑下列阿贝尔型方程:
文献[15]给出了方程(1.2)可积的充分必要条件, 如下:
命题1.1[15] 阿贝尔型方程(1.2)可积的充分必要条件是$ a(t), b(t) $满足下列条件:
其中$ k $是常数.
在条件(1.3)成立时, $ b(t)\neq 0 $, (1.3)两边从$ t_{0} $到$ t(t>t_{0}) $积分, 可得:
如果$ k = 0, $则$ \frac{a(t)}{b(t)}\equiv C, $此时, $ a(t) $和$ b(t) $是线性相关的; 如果$ C = 0 $, 则$ a(t) = 0 $, 此时方程(1.2)只有零周期解; 如果$ C\neq 0 $, 则容易验证方程(1.2)有两个常数周期解$ x_{1}(t) = 0 $(二重), $ x_{2}(t) = -\frac{1}{C} $.
如果$ k\neq0, $由(1.4)可知,
此时, $ a(t), b(t) $不可能都是周期函数. 因此, 当$ a(t) $和$ b(t) $都是周期函数并且线性无关时, 方程(1.2)是不可积的.
本文首先考虑$ a(t) $和$ b(t) $是周期函数时的微分方程(1.2), 此时除了$ a(t) $和$ b(t) $线性相关外, (1.2) 是不可积的. 本文研究在不求出(1.2)的解的情况下, (1.2)的周期解的存在性. 文献[16]利用不动点定理, 得到(1.2)的唯一非零周期解的存在性; 本文受文献[16]的启发, 利用不同于文献[16]的方法, 得到方程(1.2)的唯一非零周期解的存在性; 然后, 讨论了方程(1.1), 在一定条件下, 利用变量代换法, 将方程(1.1)转化为方程(1.2), 从而得到阿贝尔方程(1.1)的两个周期解的存在性.
本文余下部分安排如下: 第二节, 我们给出四个引理以方便以后使用; 第三节, 利用不动点定理得到阿贝尔型方程存在唯一非零周期解的四个定理; 第四节, 当方程的系数函数满足一定条件时, 我们得到了阿贝尔方程的两个周期解的存在性.
$ E^{n} $表示$ n $维实数空间或$ n $维复数空间, $ R $表示实数集合, $ C(R, E^{n}) $表示$ R $到$ E^{n} $的连续向量函数所构成的集合, $ C(R, R) $表示$ R $到$ R $的连续函数所构成的集合.
定义2.1[17] 设函数$ f(t)\in C(R, E^{n}) $是$ \omega- $周期的, $ a(f, \lambda) = \int_{0}^{\omega}f(t)e^{-i\lambda t}dt $一定存在, $ a(f, \lambda) $称为$ f(t) $的傅里叶系数, 使$ a(f, \lambda)\neq0 $的实数$ \lambda $称为$ f(t) $的傅里叶指数; 存在可数集$ \Lambda_{f} $, 当$ \lambda\in\Lambda_{f} $时, $ a(f, \lambda)\neq0 $, 只要$ \lambda\not\in \Lambda_{f} $, 必有$ a(f, \lambda) = 0 $, $ \Lambda_{f} $称为$ f(t) $的指数集.
定义2.2[17] $ \Lambda_{f} $中元素的整系数线性组合所构成的实数集合称为$ f(t) $的模(module)或频率模, 记作$ \mod(f) $, 即
引理2.1 [18] 考虑如下方程:
这里, $ a(t), b(t) $是$ R $上的$ \omega $-周期连续函数, 如果$ \int_{0}^{\omega}a(t)dt\neq 0, $则方程(2.1)有唯一的$ \omega $-周期连续解$ \eta(t) $, $ \mod(\eta)\subseteq\mod(a(t), b(t)) $, 并且$ \eta(t) $可表示如下:
引理2.2 [18] 假设$ \omega $-周期连续函数序列$ \{f_{n}(t)\} $在$ R $的任一紧集上收敛, $ f(t) $是一个$ \omega $-周期连续函数, 并且$ \mod(f_{n})\subseteq\mod(f)(n = 1, 2, \cdots) $, 那么$ \{f_{n}(t)\} $在$ R $上一致收敛.
引理2.3 [19] 假设$ V $是度量空间, $ C $是$ V $的闭凸集, 其边界是$ \partial C $, 如果$ T:V\rightarrow V $是连续的紧映射, 且使得$ T(\partial C)\subseteq C $, 则$ T $在$ C $上至少有一个不动点.
考虑一维周期微分方程:
这里, $ f:R\times I\rightarrow R $是一个连续函数, $ f(t+\omega, x) = f(t, x), \omega>0.I\subseteq R. $
引理2.4[20] 如果$ f(t, x) $关于$ x $有三阶连续偏导数, 并且$ f_{xxx}^{'''}(t, x)\neq 0, $则(2.3)最多有三个连续周期解.
为了方便起见, 假设$ f(t) $是$ R $上的$ \omega $-周期连续函数, 我们用下列记号表示:
这一节, 我们考虑阿贝尔型方程, 给出了阿贝尔型方程唯一非零周期解的存在性的四个结论.
定理3.1 考虑方程(1.2), $ a(t), b(t) $是$ R $上的$ \omega $-周期连续函数, 如果以下条件成立:
则方程(1.2)存在唯一负$ \omega $-周期连续解$ \gamma(t) $, 且有$ -\Big(\frac{b}{a}\Big)_{M}\leq \gamma(t)\leq-\Big(\frac{b}{a}\Big)_{L}. $
证 (1) 证明方程(1.2)的负$ \omega $-周期连续解的存在性.
假设
任取$ \varphi(t), \psi(t)\in S, $定义度量如下:
则$ (S, \rho) $是一个完备度量空间, 取$ S $的一个闭凸集如下:
任意给定$ \varphi(t)\in B, $考虑如下微分方程:
因为$ a(t), b(t) $和$ \varphi(t) $都是$ \omega $-周期连续函数, 故$ a(t)\varphi^{2}(t), b(t)\varphi^{2}(t) $也都是$ \omega $-周期连续函数.
由(3.3), $ (H_{1}) $和$ (H_{2}) $, 可得
即
所以有
根据引理2.1, 方程(3.4)存在唯一的如下的$ \omega $-周期连续解:
并且
由(3.3), 可得
因此有
由$ (H_{1}) $, $ (H_{2}) $, (3.6) 和(3.8), 我们有
且
故
因此$ \eta(t)\in B $.
定义映射:
所以任意给定$ \varphi(t)\in B, $有$ (T\varphi)(t)\in B $, 因此$ T:B\rightarrow B $.
现在, 我们证明映射$ T $是紧映射. 在$ B $中任取一序列$ \{\varphi_{n}(t)\}\subseteq B(n = 1, 2, \cdots) $, 则有
另外, $ (T\varphi_{n})(t) = x_{\varphi_{n}}(t) $满足
因此我们有
故$ \Big\{\frac{dx_{\varphi_{_{n}}}(t)}{dt}\Big\} $是一致有界的, 所以, $ \Big\{x_{\varphi_{n}}(t)\Big\} $在$ R $上是一致有界、等度连续的, 根据Ascoli-arzela定理, 对于$ B $中的任一序列$ \Big\{x_{\varphi_{n}}(t)\Big\}\subseteq B $, 总存在一个子列(仍用$ \Big\{x_{\varphi_{n}}(t)\Big\} $表示)使得$ \Big\{x_{\varphi_{n}}(t)\Big\} $在$ R $的任一紧集上一致收敛, 再由(3.19), 根据引理2.2, $ \Big\{x_{\varphi_{n}}(t)\Big\} $在$ R $上一致收敛, 也就是说, $ T $是$ B $上的紧映射.
接下来, 我们证明$ T $是连续映射. 假设$ \{\varphi_{n}(t)\}\subseteq B, \varphi(t)\in B $, 且有
由(3.16), 我们有
这里, $ \xi $介于$ \int_{s}^{t}a(\tau)\varphi^{2}_{n}(\tau)d\tau $和$ \int_{s}^{t}a(\tau)\varphi^{2}(\tau)d\tau $之间, 因此, $ \xi $在$ a_{L}\Big(\big(\frac{b}{a}\big)_{M}\Big)^{2}(t-s) $和$ a_{M}\Big(\big(\frac{b}{a}\big)_{L}\Big)^{2}(t-s) $之间, 所以有
由(3.20)及上式, 可得
因此, $ T $是连续映射, 由(3.16), 易知, $ T(\partial B)\subseteq B, $根据引理2.3, $ T $在$ B $上至少有一个不动点, 这个不动点即为方程(1.2)的负$ \omega $-周期连续解$ \gamma(t), $且有
(2) 我们证明方程(1.2)恰有唯一非零周期解$ \gamma(t) $.
令
则有
由(3.24), 根据引理2.4, 方程(1.2)至多有三个连续周期解, 我们已经知道, 方程(1.2)有三个连续周期解: $ \gamma(t) $和二重零解$ \gamma_{1}(t) = \gamma_{2}(t) = 0 $, 所以方程(1.2)只有唯一的非零$ \omega $-周期连续解$ \gamma(t) $, 且有
定理3.1证毕.
定理3.2 考虑方程(1.2), $ a(t), b(t) $是$ R $上的$ \omega $-周期连续函数, 如果以下条件成立:
则方程(1.2)存在唯一正$ \omega $-周期连续解$ \gamma(t) $, 且有$ -\Big(\frac{b}{a}\Big)_{M}\leq \gamma(t)\leq-\Big(\frac{b}{a}\Big)_{L}. $
证 令
则方程(1.2)化为
由$ (H_{1}) $和$ (H_{2}), $方程(3.26)满足定理3.1的所有条件, 根据定理3.1, 方程(3.26)有唯一的负$ \omega $-周期连续解$ u_{1}(t), $并且
由(3.25), 可得方程(1.2)存在唯一的正$ \omega $-周期连续解$ \gamma(t), $并且
定理3.2证毕.
定理3.3 考虑方程(1.2), $ a(t), b(t) $是$ R $上的$ \omega $-周期连续函数, 如果以下条件成立:
证 (1) 我们证明方程(1.2)的负$ \omega $-周期连续解的存在性.
由(3.31), $ (H_{1}) $和$ (H_{2}) $, 可得
根据引理2.1, 方程(3.32) 存在唯一如下的$ \omega $-周期连续解:
由(3.31), 可得
由$ (H_{1}) $, $ (H_{2}) $, (3.36)和(3.38), 我们有
故有
所以任意给定$ \varphi(t)\in B, $有$ (T\varphi)(t)\in B $, 因此 $ T:B\rightarrow B $.
故$ \Big\{\frac{dx_{\varphi_{_{n}}}(t)}{dt}\Big\} $是一致有界的, 所以, $ \Big\{x_{\varphi_{n}}(t)\Big\} $在$ R $上是一致有界、等度连续的, 根据Ascoli-arzela定理, 对于$ B $中的任一序列$ \Big\{x_{\varphi_{n}}(t)\Big\}\subseteq B $, 总存在一个子列(仍用$ \Big\{x_{\varphi_{n}}(t)\Big\} $表示)使得$ \Big\{x_{\varphi_{n}}(t)\Big\} $在$ R $的任一紧集上一致收敛, 由(3.47), 根据根据引理2.2, $ \Big\{x_{\varphi_{n}}(t)\Big\} $在$ R $上一致收敛, 也就是说, $ T $是$ B $上的紧映射.
由(3.44), 我们有
这里, $ \xi $介于$ \int_{s}^{t}a(\tau)\varphi^{2}(\tau)d\tau $和$ \int_{s}^{t}a(\tau)\varphi^{2}_{n}(\tau)d\tau $之间, 因此, $ \xi $在$ a_{M}\Big(\big(\frac{b}{a}\big)_{M}\Big)^{2}(t-s) $和$ a_{L}\Big(\big(\frac{b}{a}\big)_{L}\Big)^{2}(t-s) $之间, 故我们有
由(3.48)和上式, 可得
因此, $ T $是连续映射, 由(3.44), 易得, $ T(\partial B)\subseteq B, $根据引理2.3, $ T $在$ B $上至少有一个不动点, 这个不动点即为方程(1.2)的$ \omega $-周期连续解, 且有
由(3.52), 根据引理2.4, 方程(1.2)至多有三个连续周期解, 我们已经知道, 方程(1.2)有三个连续周期解: $ \gamma(t) $和二重零解$ \gamma_{1}(t) = \gamma_{2}(t) = 0 $, 所以方程(1.2)有唯一的非零$ \omega $-周期连续解$ \gamma(t) $, 且有
定理3.3证毕.
定理3.4 考虑方程(1.2), $ a(t), b(t) $是$ R $上的$ \omega $-周期连续函数, 如果以下条件成立:
则方程(1.2)有唯一正$ \omega $-周期连续解$ \gamma(t) $, 且有$ -\Big(\frac{b}{a}\Big)_{M}\leq \gamma(t)\leq-\Big(\frac{b}{a}\Big)_{L}. $
则方程(1.2) 化为
由$ (H_{1}) $和$ (H_{2}), $方程(3.54) 满足定理3.3的所有条件, 根据定理3.3, 方程(3.54) 有唯一负$ \omega $-周期连续解$ u_{1}(t), $并且
由(3.53), 可知方程(1.2)有唯一的正$ \omega $-周期连续解$ \gamma(t), $且有
定理3.4证毕.
这一节, 我们讨论阿贝尔方程(1.1), 当方程的系数函数满足一定的条件, 利用变量代换, 方程(1.1)可以化为方程(1.2), 利用第三节的四个结论, 从而得到方程(1.1)的周期解的存在性.
定理4.1 考虑方程(1.1), $ a(t) $是$ R $上的$ \omega $-周期连续函数, 且$ a(t) $在$ R $上具有连续导数, 如果$ (H_{1})\, \, b(t) = b_{1}(t)+b_{2}(t) $条件成立, $ b_{1}(t), b_{2}(t) $是$ R $上的$ \omega $-周期连续函数, 并且$ b_{1}(t) $在$ R $上具有连续导数,
则方程(1.1)恰有两个$ \omega $-周期连续解.
证 由$ (H_{1}), (H_{2}), (H_{3}), (H_{4}) $, 方程(1.1)化为
因此, $ \gamma_{1}(t) = -\frac{b_{1}(t)}{3a(t)} $是方程(1.1)的一个$ \omega $-周期连续解.
则方程(4.2)化为
由$ (H_{2}) $, 方程(4.4)满足定理3.1的所有条件, 根据定理3.1, 方程(4.4)有唯一非零$ \omega $-周期连续解$ y_{1}(t) $, 由(4.3), 可得方程(1.1)的另一个$ \omega $-周期连续解$ \gamma_{2}(t) = y_{1}(t)-\frac{b_{1}(t)}{3a(t)}. $定理4.1证毕.
注4.1 定理4.1中, $ (H_{2})\, \, a(t)<0, b_{2}(t)<0 $能被$ (H_{2})\, \, a(t)<0, b_{2}(t)>0 $或$ (H_{2})\, \, a(t)>0, b_{2}(t)<0 $或$ (H_{2})\, \, a(t)>0, b_{2}(t)>0 $代替, 可得类似的结论, 在此, 我们省略了证明过程.
定理4.2 考虑方程(1.1), $ a(t), b(t), c(t) $是$ R $上的$ \omega $-周期连续函数, $ a(t), b(t) $和$ c(t) $在$ R $上具有连续导数, 如果以下条件成立:
证 由$ (H_{1}), (H_{2}), (H_{3}) $, 方程(1.1) 化为
故$ \gamma_{1}(t) = -\frac{b(t)+\sqrt{b^{2}(t)-3a(t)c(t)}}{3a(t)} $是方程(1.1)一个$ \omega $-周期连续解.
则方程(4.5)化为
由$ (H_{1}), (H_{2}) $, 可知方程(4.7)满足定理3.2或定理3.3的所有条件, 根据定理3.2或定理3.3, 方程(4.7) 有唯一非零$ \omega $-周期连续解$ y_{1}(t) $, 由(4.6), 可得方程(1.1)有另一个$ \omega $-周期连续解
定理4.2证毕.
定理4.3 考虑方程(1.1), $ a(t), b(t), c(t) $是$ R $上的$ \omega $-周期连续函数, 并且$ a(t), b(t), c(t) $在$ R $上具有连续导数, 如果以下条件成立:
定理4.3的证明和定理4.2的证明相似, 在此省略.