一类四阶微分方程周期边值问题正解的存在性
2024-05-16
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第28卷 第2期 Vl01.28 NO.2 新乡学院学报:自然科学版 Journal of Xinxiang University:Natural Science Edition 2011年4月 Apr.2011 一类四阶微分方程周期边值问题正解的存在性 庄乐森 (新乡学院数学系,河南新乡453003) 摘要:讨论了一个周期边值问题,并在适当的条件下,根据锥拉伸与锥压缩定理得出了此类问题正解存 在的充分条件。 关键词:锥拉伸与锥压缩定理;正解;周期边值问题 中图分类号:O175.8;O175.12 文献标志码:A 文章编号:1674—3326(20l1)02—0108—02 Existence of Positive Solutions for Periodic Boundary Value Problems to Fourth 0rder Differential Equations ZHUANG Yao.sen (Department of Mathematics,Xinxiang University,Xinxiang 453003,China) Abstract:The existence of positive solutions for the fourth order periodic boundary value problem was discussed The suficifent conditions for the problem are given by using cone expansion and compress theory. Key words:cone expansion and compress theory;positive solutions;periodic boundary value problem 0 引言 在工程实际中,广泛应用微分方程周期边值问题解,数学工作者重视正解存在性的重要意义[I-4】。因 此,笔者研究了问题 f“( ( ):f(t,“0),Utt(f)),t∈[0,27【]; 【 ‘ 0)= ( )(2rt)(i=0,1,2,3) 微分方程组,同时,利用锥拉伸与锥压缩定理,得到了问题(1)正解存在的充分条件。 ,.、 一 正解的存在性问题,其中_厂∈C([0,2兀]xR XR ,R),并将四阶微分方程周期边值问题转化为二阶周期边值 1预备知识及引理 假设0<k<1/4,下面考察如下二阶微分方程周期边值问题 f“ (f)=f(t, (f),V(f)),t∈[0,2rt]; 【““ (0)=U“’(27t)(i=0,1) 其巾U、v∈C [0,2rt】。显然,问题(1)与下述问题等价 … 一 f“ (f)+ku(t)=f(t, (f),V(f))+ku(t),t∈[0,2re]; }“( (0)=“( (2兀)(f=0,1)。 … 通过计算,可知问题(3)等价于积分方程“( )=f G(f, )[-厂( ,“( ),v( ))+ ( )】出,z∈[0,27t],其中,当 0 t< 2rt时,G0, )=cos[,f(rc—t+s)]/(24-ksin4-kTt); 0≤ <t 2rt时,G( , )=cos[,f( ̄+t~s)]/(2-fk sin√=_兀)。南0<k<1/4可知G(t, )>0、O<t, 2兀,且有O<rni G(f, )=COS-fkx/(2"Jk sin4kTt), -t.jS2 max G(t,S)=1/(24-k sin 4klt)。 收稿日期:201I-0l。14 修回日期:2011-02-21 作者简介:庄乐 ̄(1980一),女,河南新乡人。助教,硕士,研究方向:非线性泛函分析。E-mail:zys1900-02@163.corn。 庄乐森:一类四阶微分方程周期边值问题正解的存在性 ・109・ 为叙述方便,记 =mi0 f. nG(t, ), =maX G(f, ), =mM一 =cos√ 丌。 2 .0 ,.s52n .设 =C[0,2n]x C[0,27【],对V“、V∈ ,令ll ,V) = lI+IIV lI,其中lI“II=罂 I“(f)l。易知( ,II_l ) 为Banach空间,设P={(“,V)l“( ) 0,v(t)≥0,且“(f)≥ IiuII,V( )≥o-lIV ),由锥的定义,不难验证P 是 巾1个锥。在问题(1)中,令u :v,则问题(1)等价于下面二阶微分方程组周期问题 “ (f)=v(f),f∈[0,2rt]; 。 V (f)=f(t,“(f),1,(f)); (~ 4) v‘『)(o)=1, 『)(27c)(江0,1)。 于是,问题(1)在C [0,27【]中的解等价于问题(4)在C [0,2n]xC [O,2rt]中的解,而问题(4)又等价于积分方程 组: {I “(f)=l: “G(t, )[v( )+/cu(s)]ds, , (5) {v(t)= G(t, )[厂( , ( ),1, ))+kv(s)]ds, 从而,问题(1)在C [0,2rt]中的解等价于问题(5)在c[o,2x]xc[o,2rt】中的解。 定义算子4:x c[o,2n](i=1,2)如下:A1(“,v)(f)=f G(t, )[1,( )+ku(s)]ds, (“,v)(f)=f G(t, ) [f(s, ( ),v( ))+kv(s)]ds,再令A:X_÷X为A(u,1,):(4(“,1,), (“,v)),则问题(1)在C [O,2兀]中的解等价 于算子 在 中的不动点。 引理1:A:X X为全连续算子。 证明:首先证明4:X c[o,27t](i=1,2)是全连续的。以 为例,对 中任意有界集 ,可知 ( )是 列紧的。事实上,由 有界可知,存在常数Ⅳ,使得对V(u,v)e S,有Il(“,1,) = l-t- I<N。对 V(u,v)∈S, ∈[0,2x],有J (“, (f)l:J G(f, )[ ( ,“( ),v( ))+ ( )] I< l L厂( ,“( ),V( ))+kv(s)]ds l ≤MK,其中K:max{If(t,“( ),v(f))+kv(t)l:0 t≤2z,llulI+IM-N)。故 (.sf)是一致有界的,并且,易 知 ( )是等度连续的,因此,由Ascoli—Arzela定理可知, ( )是列紧集,于是,可得 是紧算子。又 易知 是连续的,故 是全连续的。进而,可以证明 是全连续算子。 引理2:若(u,1,)∈P使得f(t,“(f),1,( ))+kv(t) 0,对Vt∈[0,2re],则 ( c P。 证明:若f(t,“(f),v(f))+ (f)≥o,则对V(u,v)∈P,由4的定义,可知4(u,1,)≥0,并且4(“,v)(f)= f G( , )(V( )+地( )) ≥mf (V( )+地(s)) M一‘』 M(V( )+ku( ))ds>_cr m a:x I" 2 G(f, )(V( )+ku( ))出 =c fI 4( , )fJ, A2( , ) )=f n-“G(t, )(/( , ( ), ( ))+ ( ))d ≥mI o一[/( , ( ), ( ))+ ( )]d ≥mM J.。2nM…s,“( ),V( ))+ ( )) _>0" ITIa x f。2 G(f, )(厂( ,“( ),1,( ))+ ( )) = II&(u,v)II,故有 (P)c P。 引理3:设E是Banach空间,P是E中的锥,岛、 是E中有界开集,0e Q 、 c 、A:Pn ( \岛) P全连续,若满足下列条件之一:1)IJ Ax {J x}l,Vxe Pna岛;I{ IJ,Vxe PI3 】。 2)Il Axll< II,Vx Pn a ;1 IAx II x il,Vxe P n a岛。 ̄IV/-,,A在Pn( \岛)中必具有不动点。 2 主要结论 定理1:假设存在两个实数0<a<b,使得下列条件成立:1)f(t,“( ), ( ))+kv(t) 0,Vte[0,2n】, u(t)+1,(f)∈[o'a,b];2)f(t,“ ),1,( ))+kv(t) , ̄a/(2nM),对Vf∈[0,2x],u(t)+v(r)∈【o'a,a],五十 =l且 ≥2nmk;3)f(t, ( ),v(f))+ (f)>b/(2rtm),对Vf∈[0,2兀],“∽+ f)∈[o-b,6I;则问题(1)至少有一个正解。 证明:令 ={( ,v)∈ :0( ,V)fIx<c),a =((“,V)∈ :『I(“,1,)『 I=c】,则 为 中有界开集。若 (“,v)∈Pn a ,贝4 o'a= (}j u I【+l 1V I1) bl+V II I1+II v II=Il(U,1,)lIx=a,由此可得0≤f(t,“(f),V( ))+kv(t) n/(2 ), 口 V(f)+ (f) a,0 f 2n,于是,由条件1)和条件2)可知,lI4(“, l1= G(f, )(1, )+ (下转第1 12页) ・I12・ 新乡学院学报:自然科学版 Iln -O+I2InO(-elf/o-)一(2 。)一 ∑ ,对模型进行最大化处理,并根据其一阶条件,有如下等式成立: f f l l l = | f=l ,+ f f:l f--1产) 始 扛a / 驯酬=0,31n I = ∑[ f_i f 岛/ (一 =0, L/ =0-2∑£ / 酬=0, ah 粥=o-2∑写h -tO'-。/{ f_1 l f=I l|| D)h / 墨 D)】=0, 31n工/a =(2 )一 I2 In In. +(2 )一‘ ∑【 (£=f / )ln 1n / (一 / )】=0。 i=l 这里, =In -In ( , )=In Yi一(屈+∑ In +2-1∑∑ In蕾In ),通过MATLAB软件对上述 i=1 i=lj=l 方程进行求解,即可得技术参数 、截距 、 、 和 的估计值。 步骤二与矩量估计法的步骤三一样,根据已经估计出的参数计算出各生产单元的生产技术无效值。 Materov于1981提出,在 = —ui时,对关于uf和 的联合密度等式进行最大化可推出M(u,I )。根据 (1)式和(2)式,可估计出各生产单元的技术无效及所有生产单元的平均技术无效值。 参考文献: [1]林炳文.银行并购与效率之分析[J】.产业经济研究,2004(I):17-29. 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International Economic Review,1 977,1 8(2):435-444. 【5】昆伯卡S C,诺克斯・拉维尔CA.随机边界分析【M].刘晓宏,杨倩,译.上海:复旦大学出版社,2007:65—66. 【责任编辑王云鹏】 (上接第109页) 砌( )) 』 (1,( )+ ( )) ≤2兀 口/(2m, ̄/-)=4口,II ,V)tl= max f。2 G(f, )(厂( ,“( ),1,( ))+ ( )) .f ( ( ,“( ),V( ))+ ))出--MI: 口/(2zaC)as=&以,则对V(“,1,)∈Pna ,有 ( ,1,) =114(u,v)I+ 0 ( fI<口=0(U, 0 ;若(g,v)∈PN a ,贝0 "ob= (0 U I+ 1,lI)≤U+1,<-1 IU 0+lf v I=1i(U,v)JI =b,于是,有 ko"b v(t)-t-ku(t) b,f(t, (f), f))+ (f) (2硎) 0,0 t≤2n,则由条件1)和条件3)可知,}lAI(U, lI= 2 G(f)max [(V( )+地 ))ds>2mTtko"b>0, 。, (“,V)1: 』。2 G(f, )(厂( ,“( ),V( ))+ ( ))出 f (厂( , ( ),v( ))-t- ( ))出 2rtmb/(2rim)=b,则对V(u,v)∈PNa ,有lI A(u,v) =l lAi(U,1,)lI+lI A2(U,v)II>b= Il(U, 。综上所述,并由引理3,可知算子 在Pn( \ )中至少有一个不动点,即问题(1)至少有一 个正解。 参考文献: [1】JIANG D Q,GAO W J,WAN A Y A Monotone Method for Constructing Extremal Solutions to Fourth-order Periodic Boundary Value Problems[J].Appl Math Comput,2002,1 32:41 1-421. [2】.LI Y X.Positive Solutions ofFourth-order Periodic Boundary Value Problems[J].NonlinearAnal,2003,54:1069-1078. 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