Advances in Applied Mathematics
Vol.07 No.08(2018), Article ID:26645,10 pages
10.12677/AAM.2018.78126

The Existence of Positive Solutions for a Nonlocal Boundary Value Problem

Yingli Zhu, Xiujie Yu

School of Mathematics and Statistics, Shandong Normal University, Jinan Shandong

Received: Aug. 10th, 2018; accepted: Aug. 22nd, 2018; published: Aug. 29th, 2018

ABSTRACT

This paper discusses the boundary value problem with nonlocal integral boundary conditions

{ u ( t ) + q ( t ) f ( t , u ( t ) ) = 0 , 0 < t < 1 , a u ( 0 ) b u ( 0 ) = α [ u ] , u ( 1 ) = β [ u ] ,

where α [ u ] = 0 1 u ( t ) d A ( t ) , β [ u ] = 0 1 u ( t ) d B ( t ) ; A and B are functions of bounded variation; a > 0 , b > 0 ; the nonlinearity f : [ 0 , 1 ] × [ 0 , + ) R is continuous and is allowed to change sign. According to the fixed point theorem in double cones, we obtain that there exists at least two positive solutions. And according to three-solution theorem, we obtain that there exists at least three positive solutions.

Keywords:Existence, Nonlocal Boundary Value Problem, Fixed Point Theorem, Positive Solutions

一类非局部边值问题正解的存在性

朱应丽,于秀洁

山东师范大学数学与统计学院,山东 济南

收稿日期:2018年8月10日;录用日期:2018年8月22日;发布日期:2018年8月29日

摘 要

考虑非线性非局部边值问题

{ u ( t ) + q ( t ) f ( t , u ( t ) ) = 0 , 0 < t < 1 , a u ( 0 ) b u ( 0 ) = α [ u ] , u ( 1 ) = β [ u ] ,

其中边值条件 α [ u ] = 0 1 u ( t ) d A ( t ) β [ u ] = 0 1 u ( t ) d B ( t ) ;A,B是有界变差函数; a > 0 b > 0 ;非线性项 f : [ 0 , 1 ] × [ 0 , + ) R 是连续的且允许变号的。本文根据两个锥上的不动点定理,讨论得到以上问题至少存在两个正解。并且利用三解定理,讨论得到以上问题至少存在三个正解。

关键词 :存在性,非局部边值问题,不动点定理,正解

Copyright © 2018 by authors and Hans Publishers Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

1. 引言

本文考虑如下非线性非局部边值问题

{ u ( t ) + q ( t ) f ( t , u ( t ) ) = 0 , 0 < t < 1 , a u ( 0 ) b u ( 0 ) = α [ u ] , u ( 1 ) = β [ u ] , (1.1)

其中边值条件(BCs)是关于线性泛函,且由Riemann-Stieltjes积分给出:

α [ u ] = 0 1 u ( t ) d A ( t ) , β [ u ] = 0 1 u ( t ) d B ( t ) .

2000年,Guidotti和Merino在文献 [1] 中研究了

{ u ( t ) = y ( t ) , t ( 0 , 1 ) , u ( 0 ) = 0 , u ( 1 ) + β u ( 0 ) = 0 ( β > 0 ) .

该方程代表了一个在稳定状态下的长度为1的加热棒模型。它在时是绝缘的,加热或冷却操作是在 t = 1 处的控制器根据传感器所反馈回的 t=0 时的温度来进行的。

2006年,Webb和Infante在文献 [2] 中研究了以下方程正解的存在性问题:

{ u ( t ) = g ( t ) f ( t , u ) , 0 < t < 1 , u ( 0 ) = 0 , β u ( 1 ) + u ( η ) = 0.

该方程也是一个具有稳定解的加热棒模型,不同的是,温度变化是由 t = 1 处控制器通过任意点 t =η 处传感器温度变化情况反馈控制的,而不是 t = 0 处。该文根据不动点指数理论,讨论了随参数的变化多个非平凡解的存在性情况。

2012年,Webb在文献 [3] 中研究了温控器模型正解的存在性:

{ u ( t ) = g ( t ) f ( t , u ) , 0 < t < 1 , u ( 0 ) = α [ u ] , u ( 1 ) + β [ u ] = 0 ,

其中, α [ u ] = 0 1 u ( t ) d A ( t ) , β [ u ] = 0 1 u ( t ) d B ( t ) 。这是一类更为一般的边值条件,传感器为线性泛函。由于此时的传感器覆盖了加热棒的某一些点或某一连续区间,所以更符合实际。该文通过研究其格林函数的性质,讨论了以上问题何时存在多个正解以及何时不存在正解。

2015年,Infante在文献 [4] 中研究了Neumann型非局部边值问题

{ u ( t ) + f ( t , u ( t ) ) = 0 , t [ 0 , 1 ] , u ( 0 ) = α [ u ] , u ( 1 ) = β [ u ] .

该文通过研究摄动Hammerstein积分方程

( T u ) ( t ) = γ ( t ) α [ u ] + δ ( t ) β [ u ] + 0 1 k ( t , s ) g ( s ) f ( s , u ( s ) ) d s ,

利用不动点指数理论,得到以上问题存在多个非平凡解。

本文在第二节,给出了相关的预备知识和引理。在第三节,我们分别通过利用两个锥上的不动点定理和Leggett-Williams三解定理得到了方程两个正解和三个正解的存在性结果。

2. 预备知识和引理

本文中,我们作如下假设:

(H1) a > 0 , b > 0

(H2) f C ( [ 0 , 1 ] × [ 0 , ) , R ) , f ( t , 0 ) > 0 , t [ 0 , 1 ]

(H3) A ( t ) , B ( t ) 是有界变差函数,且 0 1 d A ( t ) α [ 1 ^ ] > 0 , 0 1 d B ( t ) β [ 1 ^ ] > 0

对于问题(1.1),我们将其转化为对以下相应Hammerstein积分方程解的存在性:

其中 G ( t , s ) 为以下问题的Green函数:

{ u ( t ) = 0 , t ( 0 , 1 ) , a u ( 0 ) b u ( 0 ) = 0 , u ( 1 ) = 0.

G ( t , s ) = { 1 a ( a s + b ) , s t , 1 a ( a t + b ) , t s .

G t ( t , s ) = { 0 , s t , 1 , t s ,

b a + b G ( s , s ) G ( t , s ) G ( s , s ) , t , s [ 0 , 1 ] .

X = C [ 0 , 1 ] = { u : u [ 0 , 1 ] } 。对 u X ,定义

u = max t [ 0 , 1 ] | u ( t ) | ,

( X , ) 为一Banach空间。 K = { u∈ X : u (t ) ≥ 0 }

考虑

K = { u X : u ( t ) b a + b u } ,

显然, K , K X 为X中的两个锥,且 K K 。对 u K ,定义

θ ( u ) = min t [ 0 , 1 ] | u ( t ) | .

( ) + = max { , 0 } ,我们定义算子 T , A , T * 如下:

T : K K , A : K X , T * : K K ,

使

( T u ) ( t ) = [ 1 a α [ u ] + ( b a + t ) β [ u ] + 0 1 G ( t , s ) q ( s ) f ( s , u ( s ) ) d s ] + , t [ 0 , 1 ] ,

( T * u ) ( t ) = 1 a α [ u ] + ( b a + t ) β [ u ] + 0 1 G ( t , s ) q ( s ) f + ( s , u ( s ) ) d s , t [ 0 , 1 ] .

注1:若 Φ : X X 为一泛函, ,则 T = Φ A

引理2.1: T * : K K 为全连续算子。

证明:首先我们证明 T * : K K

u K ,有 T * u C [ 0 , 1 ] ,且

( T * u ) ( t ) = 1 a α [ u ] + ( b a + t ) β [ u ] + 0 1 G ( t , s ) q ( s ) f + ( s , u ( s ) ) d s 1 a α [ u ] + ( b a + t ) β [ u ] + b a + b 0 1 G ( s , s ) q ( s ) f + ( s , u ( s ) ) d s b a + b ( 1 a α [ u ] + ( b a + t ) β [ u ] + b a + b 0 1 G ( s , s ) q ( s ) f + ( s , u ( s ) ) d s ) b a + b T * u .

所以, T * : K K

再由f的连续性及 f + 的定义,通过Arzela-Ascoli定理,我们知为全连续算子。

引理2.2:函数 u ( t ) 是三点边值问题(1.1)的正解,当且仅当 u ( t ) 是算子A在锥中的不动点。

引理2.3:如果算子 A : K X 是全连续的,那么算子 T = Φ A : K K 是全连续的。

注2:根据f的连续性, A : K X 是全连续的,因此由引理2.2知,算 T : K K 也是全连续的。

引理2.4:如果u是T的不动点,那么u也是A的不动点。

证明:假设u是T的不动点,则对 t [ 0 , 1 ] A u ( t ) 0 ,u也是A的不动点。

为此,我们只需要证如果 ( T u ) ( t ) = u ( t ) , t [ 0 , 1 ] ,那么

( A u ) ( t ) 0 , t [ 0 , 1 ] .

反之,如果 t 0 [ 0 , 1 ] ,使得。令 ( t 1 , t 2 ) 为包含 t 0 点且使得 的最大区间,则 u ( t ) = 0 , t [ t 1 , t 2 ] ,从而

( A u ) ( t ) = q ( t ) f ( t , 0 ) < 0 , t ( t 1 , t 2 ) .

1) t 1 = 0

t 2 < 1 ,则 ( A u ) ( t 2 ) = 0 ,且 ( A u ) ( t ) < 0 , t ( t 1 , t 2 ) ,而时, ( A u ) ( t ) < 0 ,即 A u [ t 1 , t 2 ] 上为凹函数,所以 ( A u ) ( t ) > 0 。但又

α ( A u ) ( 0 ) b ( A u ) ( 0 ) = α [ u ] ,

可知

( A u ) ( 0 ) = b ( A u ) ( 0 ) + α [ u ] b > 0.

由此得出矛盾。

t 2 = 1 ,此时 ,且 ,故

( A u ) ( t ) = 1 a α [ 0 ] + ( b a + t ) β [ 0 ] + 0 1 G ( t , s ) q ( s ) f ( s , 0 ) d s , t [ 0 , 1 ] .

由此也得出矛盾。

2) t 1 > 0

t 2 < 1 ,则 ( A u ) ( t 1 ) = 0 , ( A u ) ( t 2 ) = 0 ,且 ( A u ) ( t ) < 0 , t ( t 1 , t 2 ) 于是

( A u ) ( t ) = q ( t ) f ( t , 0 ) < 0 , t ( t 1 , t 2 )

所以,

( A u ) ( t ) > ( A u ) ( t 1 ) = ( A u ) ( t 2 ) = 0.

矛盾。

t 2 = 1 ,则 ( A u ) ( t 1 ) = 0 , ( A u ) ( t ) < 0 , t ( t 1 , t 2 ) ,于是

u ( t ) = 0 , t [ t 1 , t 2 ] , ( A u ) ( t ) = q ( t ) f ( t , 0 ) < 0 , t ( t 1 , t 2 ) .

从而 ( A u ) ( t ) 单调递减,而我们知 ( A u ) ( t 1 ) 0 ,从而 ( A u ) ( t ) < 0 , t ( t 1 , 1 ] 。这与 ( A u ) ( 1 ) = β [ u ] 0 矛盾。

引理2.5 [5] (Leggett-Williams三解定理):设 是全连续的, a 是P上的一个非负连续凹泛函,满足当 u P ¯ c 时, α ( u ) u ,假设存在 0 < a < b < d c ,使得

(C1) 当 { u P ( a , b , d ) : α ( u ) > b } ,且 u P ( a , b , d ) 时,恒有 α ( A u ) > b

(C2) 当 u P ¯ a 时,恒有 A u < a

(C3) 当 u P ( a , b , c ) A u > d 时,恒有 α ( A u ) > b

则A至少有三个不动点 u 1 , u 2 , u 3 ,满足:

引理2.6 [6] :令X为一实Banach空间,其上的范数为 K , K X 为两个锥,且 K K 。假设 T : K K , T * : K K 为两个全连续算子,且 θ : K R + 为一连续泛函,满足对任意 X K ,有 θ ( x ) x M θ ( x ) ,其中 M > 1 是一个常数。若存在常数 b > a > 0 ,使得

(M1) T x < a , x K a

(M2) T * x < a , x K a ,且 θ ( T * x ) > b , x K ( b )

(M3) T x = T * x , x K a ( b ) { x : T * x = x }

则T在K中至少有两个不动点 x 1 , x 2 ,满足

0 x 1 < a < x 2 , θ ( x 2 ) < b .

3. 主要结果

定理3.1:假设条件(H1)、(H2)、(H3)成立,又设存在正数 d , M , m , r , R 满足 0 < r < b a + b R < R ,且使得f满足如下假设:

(H4) f ( t , u ) 0 , u [ d , R ]

(H5) | f ( t , u ) | M r , ( t , u ) [ 0 , 1 ] × [ 0 , r ]

(H6) | f ( t , u ) | m r , ( t , u ) [ 0 , 1 ] × [ b a + b R.R ]

(H7) α [ 1 ^ ] a + ( 1 + b a ) β [ 1 ^ ] + M 0 1 G ( s , s ) q ( s ) d s < 1

(H8) b a + b ( α [ 1 ^ ] a + b a β [ 1 ^ ] + m 0 1 G ( s , s ) q ( s ) d s ) > 1

(H9) d < b a + b R

则边值问题(1.1)至少存在两个正解 u 1 , u 2 满足

0 < u 1 < r < u 2 , θ ( u 2 ) < b a + b R .

证明:对任意 u K r

T u = max t [ 0 , 1 ] [ 1 a α [ u ] + ( b a + t ) β [ u ] + 0 1 G ( t , s ) q ( s ) f ( s , u ( s ) ) d s ] + ,

由假设(H5)、(H7)有

T u = max t [ 0 , 1 ] max { 1 a α [ u ] + ( b a + t ) β [ u ] + 0 1 G ( t , s ) q ( s ) f + ( s , u ( s ) ) d s , 0 } α [ 1 ^ ] a r + ( 1 + b a ) β [ 1 ^ ] r + M r 0 1 G ( s , s ) q ( s ) d s = ( α [ 1 ^ ] a + ( 1 + b a ) β [ 1 ^ ] + M 0 1 G ( s , s ) q ( s ) d s ) r < r .

故引理2.6中条件(M1)满足。

对任意 u K r ,即 u = r ,由假设(H5)、(H7)有

T * u = max t [ 0 , 1 ] { 1 a α [ u ] + ( b a + t ) β [ u ] + 0 1 G ( t , s ) q ( s ) f + ( s , u ( s ) ) d s , 0 } α [ 1 ^ ] a r + ( 1 + b a ) β [ 1 ^ ] r + M r 0 1 G ( s , s ) q ( s ) d s < r .

u K ( b a + b R ) ,即 u K ,且 θ ( u ) = min t [ 0 , 1 ] u ( t ) = b a + b R ,我们有

b a + b R = θ ( u ) = min t [ 0 , 1 ] u ( t ) b a + b u ,

所以

u R .

u ( t ) b a + b R , t [ 0 , 1 ] ,

b a + b R u ( t ) u R , t [ 0 , 1 ] .

由假设(H6)、(H8)有

( T * u ) ( t ) = 1 a α [ u ] + ( b a + t ) β [ u ] + 0 1 G ( t , s ) q ( s ) f + ( s , u ( s ) ) d s α [ 1 ^ ] a b a + b R + b a β [ 1 ^ ] b a + b R + m R 0 1 b a + b G ( s , s ) q ( s ) d s = b a + b ( α [ 1 ^ ] a + ( 1 + b a ) β [ 1 ^ ] + m 0 1 G ( s , s ) q ( s ) d s ) R > R .

从而 T * u > R

另一方面,由引理2.1知,

θ ( T * u ) = min t [ 0 , 1 ] ( T * u ) ( t ) b a + b T * u > b a + b R ,

θ ( T * u ) > b a + b R .

引理2.6中条件(M2)满足。

最后,我们证明定理中的条件(M3)满足。

u K r ( b a + b R ) { u : T * u = u } ,即 u K ,且 u > r , θ ( u ) = min t [ 0 , 1 ] u ( t ) < b a + b R

另一方面,

u ( t ) b a + b u ,

b a + b u min t [ 0 , 1 ] u ( t ) < b a + b R ,

u < R ,

所以

b a + b r b a + b u u ( t ) u < R .

由假设(H9)知,

d < u ( t ) < R .

通过假设(H4),我们有

f + ( t , u ( t ) ) = f ( t , u ( t ) ) .

从而

T u = T * u .

综上,引理2.6中的条件全部满足,则T有两个不动点 u 1 , u 2 满足

0 u 1 < r < u 2 , θ ( u 2 ) < b a + b R .

再由引理2.4知, u 1 , u 2 为A的不动点,从而边值问题(1.1)至少存在两个正解。证毕。

定理3.2:假设(H1)~(H4)成立,又设

( H 5 ) 存在正数 k , l 满足 d < k < l R ,使得

f ( t , u ) m k , ( t , u ) [ 0 , 1 ] × [ k , R ] ;

( H 6 ) | f ( t , u ) | M R , ( t , u ) [ 0 , 1 ] × [ 0 , R ]

( H 7 ) | f ( t , u ) | M d , ( t , u ) [ 0 , 1 ] × [ 0 , d ]

( H 8 ) α [ 1 ^ ] a + b a β [ 1 ^ ] + m 0 1 b a + b G ( s , s ) q ( s ) d s > 1

( H 9 ) α [ 1 ^ ] a + ( 1 + b a ) β [ 1 ^ ] + M 0 1 G ( s , s ) q ( s ) d s < 1

则边值问题(1.1)至少存在三个正解。

证明:定义非负连续凹泛函 θ : K [ 0 , )

θ ( u ) = min t [ 0 , 1 ] u ( t ) , u K .

显然,任取 u K ¯ R K , θ (u) u

又若 u K ¯ R K ,有 T u K u R 。由假设( H 6 )、( H 9 )有

T u = max t [ 0 , 1 ] [ 1 a α [ u ] + ( b a + t ) β [ u ] + 0 1 G ( t , s ) q ( s ) f + ( s , u ( s ) ) d s ] + ( α [ 1 ^ ] a + ( 1 + b a ) β [ 1 ^ ] + M 0 1 G ( s , s ) q ( s ) d s ) R < R .

T : K ¯ R K ¯ R .

下面验证引理2.5中的条件(C1)~(C3)。

1) 取 u 1 =1 , t∈[0.1], u 1 K ( θ , k , l ) θ ( u 1 ) = l > k .

{ u K ( θ , k , l ) : θ ( u ) > k } .

且任取 u K ( θ , k , l ) , k θ ( u ) u ( t ) u l ,即

k u ( t ) l , t [ 0 , 1 ] .

所以,由假设( H 5 )、( H 8 )有

θ ( T u ) = min t [ 0 , 1 ] [ 1 a α [ u ] + ( b a + t ) β [ u ] + 0 1 G ( t , s ) q ( s ) f + ( s , u ( s ) ) d s ] + α [ 1 ^ ] a k + b a β [ 1 ^ ] k + b a + b 0 1 G ( s , s ) q ( s ) d s m k = ( α [ 1 ^ ] a + b a β [ 1 ^ ] + m b a + b 0 1 G ( s , s ) q ( s ) d s ) k > k .

所以,引理中的条件(C1)满足。

2) 对,由假设( H 7 )、( H 9 )有

所以,引理中的条件(C2)满足。

3) 取 u K ( θ , k , R ) ,且 T u > l ,则

θ ( T u ) > k .

所以,引理中的条件(C3)满足。

由Leggett-Williams三解定理,T至少有三个不动点 u 1 , u 2 , u 3 ,且满足

u 1 < d < u 3 , θ ( u 3 ) < k < θ ( u 2 ) .

再由引理2.4知, u 1 , u 2 , u 3 为A的不动点,从而边值问题(1.1)至少存在三个正解。证毕。

文章引用

朱应丽,于秀洁. 一类非局部边值问题正解的存在性
The Existence of Positive Solutions for a Nonlocal Boundary Value Problem[J]. 应用数学进展, 2018, 07(08): 1085-1094. https://doi.org/10.12677/AAM.2018.78126

参考文献

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