2m階差分方程邊值問題解的存在性

周　展, 徐　菲

(廣州大學(xué) a.數(shù)學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院; b. 數(shù)學(xué)與交叉科學(xué)廣東普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣東 廣州　510006)

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2m階差分方程邊值問題解的存在性

周展, 徐菲

(廣州大學(xué) a.數(shù)學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院; b. 數(shù)學(xué)與交叉科學(xué)廣東普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣東 廣州510006)

討論一類2m階非線性差分方程邊值問題.通過建立相應(yīng)的變分框架，將邊值問題的解轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的非線性泛函的臨界點(diǎn).利用環(huán)繞定理，獲得變分泛函臨界點(diǎn)的存在性，進(jìn)而得到所求邊值問題解的存在性.最后給出例子說明本文的結(jié)論.

2m階差分方程; 環(huán)繞定理; 邊值問題

0　引　言

差分方程在諸如物理、生態(tài)、金融等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用.眾所周知，差分方程是微分方程離散化, 它與相應(yīng)的微分方程有很多共同的性質(zhì)，但很多差分方程與其對應(yīng)的微分方程有本質(zhì)不同.因此，在過去幾十年里，許多學(xué)者把注意力放在差分方程周期解的存在性、振動性、邊值問題等方面，獲得了豐富的結(jié)果，主要方法包括上下解方法、拓?fù)涠壤碚?、不動點(diǎn)理論等經(jīng)典方法[1-4].2003 年開始，GUO等開始利用臨界點(diǎn)理論研究二階超線性差分方程的周期解和次調(diào)和解[3]，后來，這一方法被用來研究差分方程的邊值問題.

設(shè)R,Z分別表示實(shí)數(shù)集和整數(shù)集.對任給的a,b∈Z且a≤b,定義Z(a,b)={a,a+1,…,b}，Z(a)={a,a+1,…}.Δ為向前的差分算子，定義為Δun=un+1-un,Δkun=Δ(Δk-1un),k∈Z(2).設(shè)T∈Z(2), 在參考文獻(xiàn)[5]中，ATICI等討論了如下差分方程的周期邊值問題：

(1)

這里f∈C(Z(1,T)×R,R).方程(1)作為一個(gè)二階微分方程的離散模型，被應(yīng)用于很多領(lǐng)域，如空氣動力學(xué)、核物理等.運(yùn)用上下解方法，ATICI等建立了邊值問題(1)存在唯一解的條件.

2014年, LIU等在參考文獻(xiàn)[6]中利用臨界點(diǎn)理論研究了四階差分邊值問題

(2)

的解的存在性與不存在性條件.其中δ表示正奇數(shù)的比，f∈C(Z(1,T)×R, R).在物理學(xué)中方程(2)經(jīng)常被用來模擬彈性梁的彎曲程度.2009年，ZOU等在參考文獻(xiàn)[7] 中利用臨界點(diǎn)理論討論了以下2m階差分方程：

Δm(pn-mΔmun-m)+(-1)m+1f(n,un)=0,

n∈Z(1,T)

(3)

在邊值條件

(4)

下的解的存在情況.其中T和m是任給的正整數(shù),且T>m.然而，可以看到大部分參考文獻(xiàn)[5-6,8-12]都是研究二階或者四階差分方程的, 對一般高階差分方程的研究相對來說較少.受文獻(xiàn)[4-7,13]的啟發(fā)，本文討論更一般的2m階差分方程

Δm(pn-mΔmun-m)+(-1)m+1Δ(g(Δun-1))+

(-1)m+1f(n,un)=0,n∈Z(1,T)

(5)

在邊值條件

(6)

下的解的存在性.其中g(shù)∈C(R,R),f(n,·)∈C(R,R)對任意n∈Z(1,T).

1　準(zhǔn)備工作

設(shè)m,T∈Z(1)且T>m, 定義向量空間Ω={u={un}|un∈R,n∈Z(1-m,T+m)}，對任意的u,v∈Ω,a,b∈R有au+bv={aun+bvn}.E={u={un}∈Ω|u1-i=u1,uT+i=uT,i∈Z(1,m)}是Ω的一個(gè)線性子空間.易知E與RT是同構(gòu)的，因此，在空間E上可以定義內(nèi)積如下：

(7)

由E上的內(nèi)積可以誘導(dǎo)空間E上的范數(shù)：

(8)

對任意的r≥1, 可以定義空間E上的另一種范數(shù)：

(9)

因?yàn)镋是有限維空間，所以存在2個(gè)常數(shù)c2(r)≥c1(r)>0使得

c1(r)‖u‖2≤‖u‖r≤c2(r)‖u‖2,?u∈E

(10)其中,‖u‖=‖u‖2.下面建立與邊值問題(5)～(6)相對應(yīng)的變分框架.對任給的u={un}n∈Z(1-m,T+m)∈E, 定義E上的泛函

(11)

f(n,un),?n∈Z(1,T).

因此，u是泛函J的一個(gè)臨界點(diǎn)當(dāng)且僅當(dāng)u滿足邊值問題(5)～(6).記u={un}∈E，由于E與RT同構(gòu)，所以u可寫成u=(u1,u2,…,uT)*∈RT.那么存在T×T階矩陣A使得

(12)

顯然, A是一個(gè)半正定矩陣.令σ+(A)為A的所有正特征值構(gòu)成的集合.定義

設(shè)W,Y分別為A的0特征值和所有正特征值對應(yīng)的特征向量空間,則

W={(u1,u2,…,uT)*∈RT|ui=w,

w∈R,i∈Z(1,T)},

且

RT=W?Y.

下面介紹一些臨界點(diǎn)理論的基本概念和基本結(jié)果.

定義1設(shè)S是一個(gè)實(shí)Banach空間,J∈C1(S,R)滿足Palais-Smale條件 (簡稱P.S.條件)， 如果對任給的{un}?S,{J(un)}有界，當(dāng)n→∞時(shí)J′(un)→0蘊(yùn)含{un}有收斂的子列.

引理1(環(huán)繞定理[14])設(shè)S=S1?S2是一個(gè)Hilbert空間, 其中，S1是S的一個(gè)有限維的子空間. 若J∈C1(S,R)滿足P.S.條件且滿足：

(1)存在常數(shù)σ>0和ρ>0使得J|?Bρ∩S2≥σ;

2　主要結(jié)論及其證明

定理1如果以下假設(shè)都滿足:

(A1)f(n,v),g(v)是關(guān)于v連續(xù), 且g(0)=0,G(v)≥0對v∈R成立，其中n∈Z(1,T);

(A2)對任給的n∈Z(1-m,T),pn>0;

(A4)存在正常數(shù)R2和β>2使得0<βF(n,v)≤vf(n,v),n∈Z(1,T),|v|≥R2；

(A5)存在正常數(shù)R3和α<β使得0

那么邊值問題(5)～(6)至少存在2個(gè)非平凡解.

記

p*=max{pn,n∈Z(1-m,T)},

p*=min{pn,n∈Z(1-m,T)}.

則p*≥p*>0.

為了方便定理1的證明, 需要驗(yàn)證下面的引理.

引理2假設(shè)(A1)～(A5)都滿足, 那么泛函J滿足P.S.條件.

證明設(shè){u(l)}l∈Z(1)?E是一個(gè)P.S.序列，則存在常數(shù)C使得|J(u(l))|≤C,?l∈Z(1).根據(jù)式(11)，注1和注2有

(13)

注意到J(u(l))≥-C, 則由式(13)得

因?yàn)棣?max{2,α}, 所以存在常數(shù)N0>0使得‖u(l)‖≤N0,?l∈N. 因此, {u(l)}是E上的有界序列.因?yàn)镋是有限維的, 所以 {u(l)}存在收斂的子列.即J滿足P.S.條件.

(14)

定義

3　例題

例1設(shè)T為一正整數(shù), 考慮四階差分方程邊值問題

(15)

Δu-1=Δu0=0,ΔuT=ΔuT+1=0

(16)

對照式(5), 有

m=2,pn≡1,g(s)=s3,f(n,v)=n2v5,

因此

易知邊值問題(15)～(16)滿足條件(A1)～(A5), 其中α=4,β=6, 由定理1 知至少存在2個(gè)非平凡解.

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【責(zé)任編輯： 周全】

Existence of solutions to the boundary value problems of a 2mth-order difference equation

ZHOU Zhan, XU Fei

(a. School of Mathematics and Information Sciences; b. Key Laboratory of Mathematics and Interdisciplinary Sciences of Guangdong Higher Education Institute, Guangzhou University, Guangzhou 510006, China)

Existence of solutions to the boundary value problems of a 2mth-order difference equation is considered in this paper. By establishing the corresponding variational structure, we transform the problem of the existence of solutions to the boundary value problems into the existence of the critical points for the corresponding variational functional. By using Linking Theorem, we obtain the existence of the critical points of the variational functional, and the existence of solutions of the boundary value problems is achieved as well. An illustrative example is presented at length to illustrate our conclusion.

2mth-order difference equations; Linking Theorem; boundary value problems

2016-01-27;

2016-05-08

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11571084);廣州市“121人才梯隊(duì)工程”資助項(xiàng)目

周展(1965-),男,教授,博士.E-mail: zzhou@gzhu.edu.cn

1671- 4229(2016)04-0013-05

O 175.8

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