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●How to Cite this Article
Pure Mathematics
理论数学
, 2014
, 4, 38-46
http://dx.doi.org/10.12677/pm.2014.41007
Published Online
January 2014 (http://www.hanspub.org/journal/
pm.html
)
Boundedness of Solutions for a Class of Second-Order
Isochronous Periodic Systems
Chenchen Chu
1
, Zhe sheng L i
1
,
Quan Sun
1
, Shunjun
Jiang
2
1
Overseas Education College, Nanjing University of
Technology,
Nanjing
2
College of Sciences, Nanjing University
of Technology
, Nanjing
Email:
2274241450@qq.com
,
jiangshunjun@njut.edu.cn
Received: Dec. 12
th
, 2013; revised:
Dec
.
28
th
, 2013; accepted: Jan
.
3
rd
, 201
4
Copyright © 201
4
Chenchen Chu
et al. This is an open access arti cle d istri b uted un d er the Creativ e Commons Attribution License, whic h
permits unrestricted use, dis tribution, and rep roduction in any medium, pro vided the o riginal work is pro perly cited. In a ccordance o f the
Creative Commons Attribution License all Copyrights © 2 01
4
are reserved for Hans and the owner of the intellectual property
Chenchen
Chu et al
. All Copyright © 201
4
are guarded
by la
w and by Hans as a guardian.
Abstract
:
In this paper
,
we will
study the following second
-
or de r periodic s ystem:
()( )()
,.
x
xVxpt xFxt
α
′′ ′
++ =
Under some assumptions on the
( )
Vx
′
,
( )( )
,, ,
x
p xtFxt
by Ortega
’s
small twist theorem
,
we obtain the existence of quasi
-
periodic solutions and boundedness of all the solutions
.
Keywords:
Boundedness of Solutions; Singularity; Small Twist Theorem
一类等时二阶系统解的有界性
储晨晨
1
,李哲晟
1
,孙
泉
1
,江舜君
2
1
南京工业大学海外教育学院,南京
2
南京工业大学理学院,南京
Email:
2274241450@qq.com
,
jiangshunjun@njut.edu.cn
收稿日期:
2013
年
12
月
12
日;修回日期:
2013
年
12
月
28
日;录用日期:
201
4
年
1
月
3
日
摘
要:
在本文中,我们将研究下面的二阶周期性系统:
()( )()
,
x
xVxpt xFxt
α
′′ ′
++ =
,
通过
Ortega
的小扭转定理,对
( )
Vx
′
,
( )( )
,, ,
x
p xtFxt
做适当假设,我们得到拟周期解的存在性,从而得出所有解
的有界性。
关键词:
解的有界性
;奇点;小扭转定理。
1.
引言和主要成果
柳
[1]
研究了下面等时二阶方程的拟周期解的存在性和所有解的有界性:
( )( )()
0
xV xgxpt
′′ ′
++ −=
(1
.1)
其中
( )
Vx
具有奇点,非线性项
( )
gx
是一个有界扰动,
( )
pt
以
2
π
为周期。
文
[1]
中,以下假设成立:
(1)
x
≠
0
时,
( )( )
0 00
VV
′
= =
,
( )
0
VX
′′
>
;
( )()
lim, ,0
xa
Vx a
+
→
= +∞∈−∞
,且
V
(
x
)
定义域为
( )
,
a
+∞
。
(2)
方程
( )
( )
( )
:
Vx
Wx
Vx
=
′
OPEN ACCESS
38
储晨晨
等
|
一类等时二阶系统解的有界性
在区间
( )
1,
−∞
是光滑的且极限
( )
1
lim
x
Wx
→−
存在。
此外,
对任意
1
≤
K
≤
6
有一个恒定的
0
c
有:
( )()( )
[ ]
00
1 ,,1,
K
Wxc xWxcx
≤+≤∈− ∞
(3)
函数
V
是光滑,有
06
k
≤≤
()( )( )
0
1
k
k
xVxcV x
′
+≤
此时
0
c
′
是一个正常数。
(4)
当
x
> 0
,使得
( )( )
2
1
8
x Vxx
Φ=−
,函数
Φ
满足
( )
lim 0
kk
x
xx
→+∞
Φ=
对任意正整数
k
都满足。由
[2]
的结论,辅助方程
( )
0
x
x Vx
′′
+=
解的周期
2
π
T
=
,这意味着辅助方程是等时的。
(5)
函数
g
定义域为
[
)
1,
− +∞
,
x
> 0
时
( )
0
gx
>
。此外,下列不等式成立:
( )
( )
d
lim 10
d
k
k
k
x
x gx
x
→+∞
+=
(6)
如果极限
( )
lim
x
gx g
+
→ +∞
=
存在,
( )()
2
π
*
0
sin d
2
t
p ptt
θθ
=+
∫
,
Lazer
-
Landesman
条件成立:
( )
*
4 max
gp
θ
θ
+
>
柳
[1]
先将原系统化为规范型,然后应用扭转定理证明的拟周期解的存在性和所有解的有界性。
我们观察到,在
[1,2]
,扰 动
g
(
x
)‒
p
(
t
)
是光滑的和有界的,我们考虑当扰动无界时,
(1.
1)
所有的解是否都是界?
这也是本文的目的。
由
[1-6]
的启发,我们讨论如下方程:
()( )()
,
x
xVxpt xFxt
α
′′ ′
++ =
(1.2 )
其中
01
α
<<
,我们假设
(1)~(4)
成立,此外有
(
5′
)
F
(
x
,
t
)
关于
t
是光滑的,
( )
,
lim 0
x
F xt
xx
α
→ +∞
=
,
()()
,2
π
,
F xtF xt
+=
,
()()
2
π
pt pt
+=
,
p
(
t
)>0
。
(
6′
)
类似的
Lazer
-Landesman
条件:
( )
2
π
0
0
sin sind0
22
pt
α
θθ
θθ
+>
∫
我们的主要结论是下面的定理。
定理
1
:若假设
(1)~(4 )
和
(5′) (6′)
成立, 那么
(1.2)
有无限多的拟周期的解且
(1.2)
所有的解是有界的。
2.
定理的证明
2.1.
作用角变量
观察到
(
1.2)
等价于下面的哈密顿系统
,
HH
xy
xx
∂∂
′′
== −
∂∂
( 1. 3)
其中哈密顿方程为
()(
)
( )
( )
( )
2
1
,, ,
21
pt
HxytyVxxFxt
α
α
=++−
+
OPEN ACCESS
39
储晨晨
等
|
一类等时二阶系统解的有界性
我们首先考虑辅助方程:
( )
,
x yyVx
′ ′′
== −
(1 .4)
这是一个可积哈密顿系统,哈密顿函数为
()( )
2
1
1
,,
2
HxytyV x
= +
定义
T
(
h
)
为积分曲线
h
Γ
的周期,定义
I
为区域
h
Γ
所围成的面积令
1
hh
αβ
−< <
,使得
()( )
hh
V Vh
αβ
−= =
。
由假设
(1)
,我们有
(
)
lim1, lim
h
hh
α
→+∞ →+∞
== +∞
不难得出
()( )
( )
2d, 0
h
h
a
IhhVssh
β
−
= −∀>
∫
定义
( )
( )
( )
( )
( )
( )
0
0
11
d, d
22
h
h
T hsThs
h Vsh Vs
β
α
−+
−
= =
−−
∫∫
通过假设
(4)
,我们知道,辅助方程的是等时的,其周期为
()() (
)
2
π
ThThT h
−+
=+=
,故有
( )
2
π
Ih h
=
。类
似的
[4]
估计,我们有
( )
( )
1
,0
k
k
hTh Ck
h
+
≤⋅ >
(1. 5)
并且
( )
( )
1
, 0.
k
k
hTh Ck
h
−
≤⋅ ≥
(1. 6)
下面对作用角变量作标准的约化。我们定义一个生成函数,
()( )
( )
, 2d,
C
S xIhV ss
= −
∫
C
是闭曲线
h
Γ
的一
部分。
我们定义映射
()()
,,
I xy
θ
→
:
( )
( )
,, ,,
SS
y xIxI
xx
θ
∂∂
= =
∂∂
这个映射是辛的,因为有下面条件满足:
( )
( )
dddd ddd
d dddddd
xx xIxI
Ix IIIx
x y xSxSI Sx I
I SxSIISx I
θ
∧=∧+=∧
∧=+∧= ∧
从上述讨论,我们可以发现
()(
)
( )
( )
( )
( )
1
d ,if0
2,
1
2
π
d ,if0
2,
x
h
x
h
sy
hxyV S
sy
hxyV S
α
α
θ
−
−
≥
−
=
−<
−
∫
∫
( )( )()
( )
,2, d
h
h
I xyhxyV ss
β
α
−
= −
∫
OPEN ACCESS
40
储晨晨
等
|
一类等时二阶系统解的有界性
在新的变量
( )
,
I
θ
下,系统
(1.3)
就可以写成
,
HH
I
I
θ
θ
∂∂
′′
==−
∂∂
( 1. 7)
其中,
( )
( )
()
()( )()
( )
,, 2
π
, ,2
π
, ,.
1
pt
HItIxIxI FxIt
α
θθθ θ
α
=+−
+
(
1.8
)
2.2.
新作用和角变量
现在,我们来讨论由
(1.8)
给出的哈密顿系统的。注意到
( )
d ddd
IHtHt I
θθ
−=− −
这表示如果可以找出
I
关于
H
的函数关系
(
θ
、
t
都是参数
)
,那么
( )( )
dd
,,, ,,
dd
HItI
tH tH
tH
θθ
θθ
∂∂
=−=−
∂∂
(
1 .9
)
也是一个由哈密顿函数所确定的哈密顿系统,并且现在作用量,角变量和时间分别是
H
、
θ
和
t
。
令
( )
( )
( )
( )
( )
,, 2
π
2
π
,,
1
pt
RItxxFxIt
α
θθ
α
= −
+
(1 .10)
为了估计
R
,我们需要对函数
( )
,
xI
θ
进行估计,因此,我们引入了下列的引理。
引理
1
:
存在一个常数
C
满足
( )
1Cfor06.
k
k
k
x
ICx Ik
I
∂
≤+ ≤≤≤
∂
由
(5)
,
(1.10)
和引理
1
,我们可以直接得到下面的引理。
引理
2
:
( )
1
2
,,
for 6.
kl
kl
R It
I kl
It
α
θ
+
+
∂
< +≤
∂∂
由
(1.8)
,我 们得 到
11, as.
HR
I
II
∂∂
=+→→ +∞
∂∂
因此,由隐函数定理可得,存在一个函数
( )
11
,,.
RRtH
θ
=
满足
( )
1
,,.
IHR tH
θ
= −
(
1. 11
)
我们给出了
( )
1
,,
R tH
θ
的估计,通过直接计算,我们得到
引理
3
:
( )
1
1
2
,,
for 6.
kl
k
kl
R tH
HH kl
Ht
α
θ
+
+
∂
< +≤
∂∂
设
( )( )( )
( )
21
1
11
0
,,,, ,,.
,, d.
RtHRHtR tH
R
HsR tRs
I
θθ θ
θ
= −
∂
=−−
∂
∫
OPEN ACCESS
41
储晨晨
等
|
一类等时二阶系统解的有界性
我们有下面的估计
引理
4
:
(
)
2
,,
for 6.
kl
kl
R tH
H kl
Ht
α
θ
+
∂
≤ +≤
∂∂
现在,哈密顿函数可以表示为下面
的形式
() ()
( )
()
()( )
( )
( )
12
2
,, ,,
2
π
,,
1
2
π
,, .
IHRHtRtH
pt
H xHxH
FxH tR
α
θθ
θθ
α
θ
=−+
= −
+
++
系统变为下面形式:
( )
()()
(
( )
( )
)
( )
( )
()
()
( )
( )
( )
( )
2
2
d
12
π
,,
d
, ,,,,
d
2
π
,,
d1
2
π
,, ,,.
x
t
tI x
HxH pt
HH
R
F xHttH
H
pt
HI
xHxH
t
R
F xIttH
t
α
α
θθ
θ
θθ
θθ
θα
θθ
∂∂
== −
∂∂
∂
−+
∂
′
∂
=−=
∂+
∂
−−
∂
(1. 12 )
在公式中引入了一个新的作用力变量
[ ]
1, 2
ρ
∈
和一个参数
ε
> 0
,这样,当
1
H
时,
01
ε
<
,在这种转
换下,系统
(1.12)
变为
()
( )
( )
(
( )
( )
)
(
)
( )
(
)
()
( )
( )
(
)
(
)
22
22
2
2 22
2 22
2
d
12
π
,,
d
,,, ,,
d
2
π
,,
d1
2
π
,,, ,
x
t
tx
x pt
H
R
Fxtt
H
pt
xx
R
Fx Itt
t
α
α
θε ρθε ρ
θ
θερ ερθ
ρ
εθε ρθε ρ
θα
εθεερθ
−−
−−
−−
−
∂
=−
∂
∂
−+
∂
′
=
+
∂
−−
∂
(1. 13 )
其函数为:
( )
( )
(
)
( )
( )
( )
( )
2 22
2 2 22
2
,,;2
π
,,
1
2
π
, ,,,
pt
t xx
R
Fx tt
t
α
ρθερεθε ρθε ρ
α
εθερ εερθ
− −−
− − −−
Γ=−
+
∂
++
∂
显然,当
1
ε
时,在初始点为
( )
[ ]
00
,1,2
tR
ρ
∈×
的情况下,
(
1.13
)
中的解
( )
( )
00
,,
tt
θρ
,
( )
(
)
00
,,
t
ρθ ρ
就被定
义在了区间
[ ]
0,2
π
θ
∈
和
( )
00
1
, ,,3
2
t
ρθ ρ
∈
中,这样
(1.13)
中的
Poincare
映射就被定义在了区域
[ ]
1, 2
R
×
中。
引理
5
:
([1]
引理
5.1
) (
1.13
)
中的
Poincare
映射有自交性。
这个引理的证明和
[4]
中的相似,为了方便,我们引入符号
( )
1
k
O
和
( )
1
k
o
,我们说一个函数
()( )
,,, 1
k
ft O
ρθε
∈
如果
12
kkk
+≤
并且函数在区间
( )
,
t
ρ
光滑,有
( )
12
12
,,, ,
kk
kk
ft C
t
ρθε
ρ
+
∂
≤
∂∂
OPEN ACCESS
42
储晨晨
等
|
一类等时二阶系统解的有界性
在常数
C
> 0
,且与
,,,
t
ρθε
无关。
类似的,
()( )
,,, 1
k
ft o
ρθε
∈
,如果
12
kkk
+≤
时有下式满足
( )
12
12
0
lim,, ,0
kk
kk
ft
t
ε
ρθε
ρ
+
→
∂
=
∂∂
.
2.3.
Poincare
映射和扭转定理
假设
(1.13)
中以
( )( )
( )
( )
00
0, 0,
tt
ρρ
=
为初始条件的解的形式如下:
(
)
(
)
11
0000 00
12
, ,;,, ,;.
tt tt
αα
θερθερρερ θε
−−
=++= +
∑∑
然后,
(1.13)
的
Poincare
映射就是:
( )( )
11
1 0001000
12
:2
π
, ,2
π
; ,,,2
π
;
Pt ttt
αα
ε ρερρερε
−−
=++ =+
∑∑
(1. 14 )
函数
1
∑
和
2
∑
满足
( )
( )
(
)
(
)
( )
( )
(
)
( )
( )
(
)
(
)
( )
12 2
1
0
12
2
0
12 22
2
0
12
2
0
2
π
,, ,d
, d,
2
π
,,, ,d
1
, d,
x
t
x
xptF xt
H
R
H
pt
xxFx t
R
t
θ
α
α
θ
α
α
θ
α
θ
α
εθε ρθε ρθ
εθε ρθ
εθε ρθε ρθερθ
α
εθε ρθ
−−−
−−
+− −−
+−
∂
∑= −
∂
∂
+
∂
′
∑= −
+
∂
−
∂
∫
∫
∫
∫
(1.15)
1
01
tt
α
θε
−
=++∑
,
1
02
α
ρρ ε
−
=+∑
成立。由引理
1
和引理
3
,我们有
[ ]
12
for 0,2
π
.
C
θ
∑ +∑≤∈
(
1.16
)
并且,我们可以证明
( )
12 6
, 1.
O
∑∑∈
(
1.17
)
由直接计算,我们有
引理
7
:
( )
(
)
( )
( )
( )
(
)
22 22222
060 6
,,1, ,,1.
xx
xxxx OxxO
HH
αααα
αα
θε ρθερεθερθε ρε
−−−−− −
∂∂
−∈− ∈
∂∂
现在我们给出
Poincare
映射
(
1.15
)
的表达式,所以我们只需估计当
2
π
θ
=
且
0
ε
→
时
1
∑
和
2
∑
。
为了估算
1
∑
和
2
∑
,我们引入如下定义和引理。令
( )
I
ϑ
+
为
[ ]
0,2
π
的子集,当
( )
I
θϑ
+
∈
,则
( )
,0
xI
θ
>
且
( )
I
ϑ
−
满足
θ
∈
Θ
(
I
)
,
( )
,0
xI
θ
<
。由
(
1.5)
和
(
1.6
)
,与
[4]
的计算相似,又因为当
( )
6
1
O
ηε
∈
即
( )
(
)
( )
0 00
1
2 ,,;
2
π
Th Tt
η ρθε
−−
= =
。根据
ϑ
+
和
ϑ
−
的定义定得
measure2,measure2
π
2
ϑηϑ η
−+
== −
接下来我们将用以下的引理:
引理
8
:
([1]
引理
4.1
)
对
( )
I
θϑ
+
∈
,
x
可表示成下列函数:
( )
( )
( )
1
,2 sin,
π
24
π
4
Th Th
I
xIX I
θ
θθ
−−
=−+ −
( )
( )
1
6
2
1
1
lim,2 sin0
π
24
k
k
k
I
k
Th
I xI
I
θ
θ
−
−
→+∞
=
∂
− −=
∂
∑
OPEN ACCESS
43
储晨晨
等
|
一类等时二阶系统解的有界性
现在我们给出
1
∑
和
2
∑
的估计值
引理
9
( )
( )
( )
10 0
11
2
π
1
22
0 06
0
, ,2
π
;
2
π
sin sind1
22
t
pt o
α
α
α
ρε
θθ
ρ θθ
−
+
=− ++
∑
∫
( )
(
)
( )
200
11
2
π
0
2
22
06
0
, ,2
π
;
2
π
sin sind1
22 1
t
pt
o
α
α
α
ρε
θ
θθ
ρθ
α
+
+
′
+
=−+
+
∑
∫
证明。
首先我们求
Σ
1
。
由引理
2
和
7
,得
( )
( )( )
( )
( )
( )
)
( )
() ()
( )
( )
( )
)
( )
() ()
( )
( )
( )
)
10 0
2
π
1 22
0
2
π
2 12
2
0
2
π
1 22
00
0
21
06
122
00
2
0
, ,2
π
;
2
π
,,
, ,d, d
2
π
6, ,
, ,d1
2
π
,,
, ,d
x
x
x
t
x
x pt
H
R
Fx t
H
x
x pt
H
Fx tO
x
x pt
H
Fx t
α
α
α
α
α
α
α
α
ϑ
ρε
εθε ρθε ρ
θε ρθεθε ρθ
εθε ρθε ρθ
θε ρθε
εθερθε ρθ
θε ρθ
+
− −−
− −−
− −−
−−
−−−
−
∂
= −
∂
∂
−+
∂
∂
=−+
∂
−+
∂
=−+
∂
−
−
∑
∫
∫
∫
∫
() ()
( )
( )
( )
)
( )
122
00
21
06
2
π
,,
, ,d1
x
x
x pt
H
Fx tO
α
α
ϑ
α
εθε ρθερθ
θε ρθε
−
−−−
−−
∂
+
∂
−+
∫
由引理
1
,可知:当
x
ϑ
−
∈
( )
( )
( )
( )
2 22
0606
,1,,1
x
xOO
H
θε ρθε ρε
−−
∂
∈∈
∂
(
1.18
)
也就是说
( )
( )
( )
(
( )
( )
)
( )
10 0
12
00
21
06
, ,2
π
;
2
π
,
, ,d1
x
t
x
x pt
H
Fx tO
α
α
ϑ
α
ρε
εθερθ
θε ρθε
+
−−
−−
∂
=−+
∂
−+
∑
∫
由引理
8
,有
( )
( )
( )
( )
( )
( )
( )
100
11 1
0
0
6
0
11
1
22
0 06
11
2
π
1
22
0 06
0
, ,2
π
;
2
π
sin2 sind1
24
π
24
π
2
π
sin sind1
22
2
π
sin sind1
22
t
pt O
pt o
pt o
α
αα
ϑ
α
αα
α
ϑ
α
αα
α
ρε
ρ
ε θηθη
εε θθε
ρ
θθ
ρ θθ
θθ
ρ θθ
+
+
−− −
−−
+
−−
+
=−−⋅−×++
=− ++
=− ++
∑
∫
∫
∫
OPEN ACCESS
44
储晨晨
等
|
一类等时二阶系统解的有界性
现在我们计算
Σ
2
.
()
()
( )
( )
( )
( )
2
π
1 22
2
0
2
π
2
π
1 212
2
00
2
π
,, d
1
2
π
, ,d, d
t
pt
x
R
Fx t
t
α
α
αα
εθε ρθε ρθ
α
εθε ρθεθε ρθ
+ −−
+ −+−
′
=
+
∂
−−
∂
∑
∫
∫∫
由引理
4
、
7
和
( )
1
,
lim 0
x
F xt
x
α
+
→ +∞
=
得
() ()
( )
( )
( )
( )
(
) ()
(
)
( )
2
π
12 2
2
0
2
π
2
π
1 212
2
00
12 2
0
00
0
12 2
00 6
2
π
,,d
1
2
π
, ,d, d
'( )
2
π
(,) (,)
1
2
π
,,1
1
t
pt
xx
R
Fx t
t
pt
xx
pt
xx o
α
α
αα
α
α
ϑ
α
α
ϑ
εθε ρθε ρθ
α
εθε ρθεθε ρθ
θ
εθε ρθε ρ
α
θ
εθε ρθερ
α
−
−− −
+ −+−
+− −
+
+− −
′
=
+
∂
−−
∂
+
=
+
′
+
++
+
∑
∫
∫∫
∫
∫
由引理
1
、
8
()()
( )
( )
( )
( )
( )
( )
( )
0
12 2
20 6
11 1
00
0
6
11
1
22
0 06
11
2
π
1
22
00
0
2
π
,, 1
1
2
π
2 sin2sin
π
24
π
24
1
1
2
π
sin sind1
22
2
π
sin sind
22
pt
xx o
pt
o
pt o
pt o
α
α
ϑ
α
α
ϑ
α
αα
α
ϑ
α
αα
α
θ
εθε ρθε ρ
α
ρρ
θη θη
εε ε
θ
α
θθ
ρ θθ
θθ
ρ θθ
+
+
+
+− −
+− −
−−
+
−−
+
′
+
= +
+
=−⋅ −
′
+
⋅+
+
=−++
=−++
∑
∫
∫
∫
∫
( )
6
1
令
( )
( )
1
π
1
2
π
1
22
10 000
0
,2
π
sin sind
22
t pt
α
α
α
θθ
ψ ρρθθ
−−
+
=−+
∫
,
( )
( )
1
π
1
2
π
0
2
22
20 00
0
,2
π
sin sind
22 1
pt
t
α
α
α
θ
θθ
ψρ ρθ
α
−+
+
′
+
= −
+
∫
根据
Poincare
映射得函数
(
1.16
)
1
φ
和
2
φ
,所以
( )
11
101001
P: 2
π
,
tt t
αα
εψρ εφ
−−
=++ +
,
( )
11
1020 02
,
t
αα
ρ ρ εψρεφ
−−
=++
其中
( )
12 6
,1
o
φφ
∈
。
注意到
( )
0
pt
>
,
我们有
1
1
0
0, 0
ψ
ψ
ρ
∂
<>
∂
OPEN ACCESS
45
储晨晨
等
|
一类等时二阶系统解的有界性
令
( )
1
2
0
2
π
0
0
sin sind
22
L
pt
α
α
ρ
θθ
θθ
+
−
=
+
∫
得
( )()
100 200
00
, ,0
LL
tt
t
ψρ ψρ
ρ
∂∂
+=
∂∂
[5]
中的
Orgega
定理的另一假设很容易得到验证。
所以,有不变曲线
P
在圆环域
(
t
0
,
ρ
0
)
∈
S
1
× [1.2]
验证了原
式
(1.2)
的有界性。因而定理
1
得证。
参考文献
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ous Dy-
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8
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907
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930.
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unboun
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46