Pure Mathematics
Vol.
13
No.
02
(
2023
), Article ID:
61992
,
9
pages
10.12677/PM.2023.132038
一类奇数阶泛函微分方程周期解的存在性
林梦媛,吴进,陈柏立*
广东工业大学数学与统计学院,广东 广州
收稿日期:2023年1月22日;录用日期:2023年2月21日;发布日期:2023年2月28日

摘要
本文运用Mawhin延拓定理,研究了一类奇数阶泛函微分方程周期解的存在性问题,得到了新的判定准则。
关键词
奇数阶,泛函微分方程,周期解,Mawhin延拓定理

Existence of Periodic Solutions for a Class of Odd Order Functional Differential Equations
Mengyuan Lin, Jin Wu, Baili Chen*
School of Mathematics and Statistics, Guangdong University of Technology, Guangzhou Guangdong
Received: Jan. 22nd, 2023; accepted: Feb. 21st, 2023; published: Feb. 28th, 2023

ABSTRACT
Using Mawhin’s continuation theorem we study the existence of periodic solutions for a class of odd order functional differential equations, and establish a new criterion.
Keywords:Odd Order, Functional Differential Equations, Periodic Solutions, Mawhin’s Continuation Theorem

Copyright © 2023 by author(s) and Hans Publishers Inc.
This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0).
http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

1. 引言
由于泛函微分方程在许多数学模型中有着深刻的应用,因此吸引了国内外大量的学者进行研究 [1] [2] 。其中,周期解问题一直得到学者们的关注,但大部分都只是利用不动点理论、重合度理论或者临界点理论等等讨论了低阶的泛函微分方程 [3] - [15] ,涉及到高阶的却不多 [16] [17] [18] 。
本文将利用Mawhin延拓定理讨论一类奇数阶泛函微分方程
(1)
周期解的存在性,其中
、
和
都是定义在R上具有正周期T的实连续函数。并且
,
,
是定义在R上的实连续函数。
在第二节中,我们先给出一些预备知识,以及针对周期解存在性的条件做假设。在第三节中,我们将利用Mawhin延拓定理 [19] ,证明方程(1)的周期解存在性。
2. 预备知识
为了证明主要结果,我们需要介绍Mawhin延拓定理 [19] 。
令X和Y是两个Banach空间,且
是一个线性映射,
是一个连续映射。若映射L满足:1)
;2) ImL在Y上是闭的。则称映射 是指标为零的Fredholm算子。若映射L是一个指标为零的Fredholm算子,则存在连续的投影算子
和
,使得
和
成立。令
表示
的逆,若
是有界的且
是紧的,则称映射N是
上L-紧的,其中
是X上的有界开子集。
引理2.1 ( 延拓定理) [19] 令L是一个具有零指标的Fredholm算子,N是一个在
上L-紧的非线性算子。如果
1) 对每个
及
;
2) 对每个
及
;
则方程
在
上至少有一个解。
在呈现我们主要结果之前,先作出如下假设:
(H1):
;
(H2):
;
(H3):
;
(H4):存在正常数r使得
,且
和
。其中
,
,
3. 主要结果的证明
定理3.1 若假设(H1)~(H4)成立,且满足
(2)
(3)
则方程(1)至少存在一个T周期解。
为了证明定理3.1,我们要做如下准备工作。令
和
,并在空间X上定义如下范数:
类似地,令
,在空间Y上定义如下范数:
显然,
和
都是Banach空间。
分别定义算子
和
,如下
(4)
易知算子L是一个指标为零的Fredholm算子,再定义投影算子P、Q分别为
(5)
容易验证,算子N是一个在
上是L-紧的非线性算子。
考虑如下的辅助方程
(6)
其中
。
引理3.2 [20] 令
,则
其中
,且
。
引理3.3 [21] 设M,λ是两个正数,且满足
和
,则对任意的函数
,方程
有唯一解,其表达形式如下:
其中,
,
和
引理3.4 若定理3.1中的条件被满足,且
是方程(6)的一个T周期解,则存在独立于λ的常数
,使得
(7)
证明:设
是方程(6)的一个T周期解。令
由(2)知,存在一个正常数
,使得
(8)
令
(9)
和
(10)
由(6)、(8)、(9)和(10)式和引理3.2,有
(11)
其中,
。
由假设(H4)和(11)式,有
(12)
由(6)式和引理3.3,得
(13)
其中,
,
和
由(13)式和引理3.3,得
(14)
其中,
,
和
利用数学归纳法,可以得到
(15)
其中,
,
和
再根据(15)式和常数变易法,
(16)
其中
且
由(8)、(9)、(10)、(16)式和引理3.2,得
(17)
经化简后,有
(18)
因此,根据假设(H4)、(18)式和ε的取值,可得
(19)
结合(12)式和(19)式,得
(20)
因此有
(21)
其中,
再由假设(H4)和(21)式,得到
(22)
联立(19)和(22)式,得
(23)
最后,由(22)、(23)式和引理3.2,得到
引理3.4得证。
定理3.1的证明:设
是方程(6)的一个T周期解。由引理3.4知,存在独立于λ的常数
,使得(7)式成立。由(3)式知,存在正常数
,使得
(24)
取一正常数
,令
此时 是指标为零的Fredholm算子,N是在
上L-紧的非线性算子。对任意有界的周期解
,当
,
时,有
。
当
时,有
或
,再结合(3)和(5)式可得
(25)
然后由上式可知,当
时,有
(26)
故对任意的
和
,有
(27)
因此,
是一个同伦映射。进而有
(28)
根据引理2.1可知,方程
在
上至少存在一个解。因此,方程(1)至少存在一个 周期解。定理3.1得证。
基金项目
广东省自然科学基金资助项目(2018A030313871)。
文章引用
林梦媛,吴 进,陈柏立. 一类奇数阶泛函微分方程周期解的存在性
Existence of Periodic Solutions for a Class of Odd Order Functional Differential Equations[J]. 理论数学, 2023, 13(02): 345-353. https://doi.org/10.12677/PM.2023.132038
参考文献
- 1. Hale, J.K. and Lunel, S.M.V. (2013) Introduction to Functional Differential Equations. Springer Science & Business Media, Berlin.
- 2. Kuang, Y. (1990) Global Stability of Gause-Type Predator-Prey Systems. Journal of Mathematical Biology, 28, 463-474. https://doi.org/10.1007/BF00178329
- 3. Candan, T. (2016) Existence of Positive Periodic Solutions of First Order Neutral Differential Equations with Variable Coefficients. Applied Mathematics Letters, 52, 142-148. https://doi.org/10.1016/j.aml.2015.08.014
- 4. Fan, M. and Wang, K. (2001) Periodicity in a Delayed Ratio-Dependent Predator-Prey System. Journal of Mathematical Analysis and Applications, 262, 179-190. https://doi.org/10.1006/jmaa.2001.7555
- 5. Guo, Z. and Yu, J. (2005) Multiplicity Results for Periodic Solutions to Delay Differential Equations via Critical Point Theory. Journal of Differential Equations, 218, 15-35. https://doi.org/10.1016/j.jde.2005.08.007
- 6. Guo, Z. and Yu, J. (2003) The Existence of Periodic and Subharmonic Solutions of Subquadratic Second Order Difference Equations. Journal of the London Mathematical So-ciety, 68, 419-430.
https://doi.org/10.1112/S0024610703004563
- 7. Lu, S. and Ge, W. (2004) Some New Results on the Existence of Periodic Solutions to a Kind of Rayleigh Equation with a Deviating Argument. Nonlinear Analysis: Theory, Methods & Applications, 56, 501-514.
https://doi.org/10.1016/j.na.2003.09.021
- 8. Lu, S. and Yu, X. (2020) Periodic Solutions for Second Order Dif-ferential Equations with Indefinite Singularities. Advances in Nonlinear Analysis, 9, 994-1007. https://doi.org/10.1515/anona-2020-0037
- 9. Raffoul, Y.N. (2012) Existence of Positive Periodic Solutions in Neutral Nonlinear Equations with Functional Delay. The Rocky Mountain Journal of Mathematics, 42, 1983-1993. https://doi.org/10.1216/RMJ-2012-42-6-1983
- 10. Wang, W. and Shen, J. (2020) Positive Periodic Solutions for Neutral Functional Differential Equations. Applied Mathematics Letters, 102, Article ID: 106154. https://doi.org/10.1016/j.aml.2019.106154
- 11. Yang, H. and Zhang, L. (2020) Three Positive Periodic Solutions of Second Order Nonlinear Neutral Functional Differential Equations with Delayed Derivative. Advances in Difference Equations, 2020, Article No. 164.
https://doi.org/10.1186/s13662-020-02630-z
- 12. Rojas, P.D. and Torres, V.P.J. (2021) Periodic Bouncing Solu-tions of the Lazer-Solimini Equation with Weak Repulsive Singularity. Nonlinear Analysis: Real World Applications, 64, Article ID: 103441.
https://doi.org/10.1016/j.nonrwa.2021.103441
- 13. Lomtatidze, A. and Šremr, J. (2021) On Positive Periodic So-lutions to Second-Order Differential Equations with a Sub-Linear Non-Linearity. Nonlinear Analysis: Real World Ap-plications, 57, Article ID: 103200.
https://doi.org/10.1016/j.nonrwa.2020.103200
- 14. 丁伟岳. 扭转映射的不动点与常微分方程的周期解[J]. 数学学报, 1982(2): 227-235.
- 15. 王根强, 燕居让. 二阶非线性中立型泛函微分方程周期解的存在性[J]. 数学学报: 中文版, 2004, 47(2): 379-384.
- 16. Cao, J. and He, G. (2004) Periodic Solutions for Higher-Order Neutral Differential Equations with Several Delays. Computers & Mathematics with Applications, 48, 1491-1503. https://doi.org/10.1016/j.camwa.2004.07.007
- 17. Guo, C., O’Regan, D., Xu, Y., et al. (2009) Existence of Peri-odic Solutions for a Class of Even Order Differential Equations with Deviating Argument. Electronic Journal of Qual-itative Theory of Differential Equations, 2009, Paper No. 12. https://doi.org/10.14232/ejqtde.2009.4.12
- 18. Wang, K. and Lu, S. (2007) On the Existence of Periodic Solutions for a Kind of High-Order Neutral Functional Differential Equation. Journal of Mathematical Analysis and Applications, 326, 1161-1173.
https://doi.org/10.1016/j.jmaa.2006.03.078
- 19. Gaines, R.E. and Mawhin, J.L. (2006) Coincidence Degree and Nonlinear Differential Equations. Springer, Berlin.
- 20. Li, J. and Wang, G. (2005) Sharp Inequalities for Periodic Functions. Applied Mathematics E-Notes, 5, 75-83.
- 21. Shen, J. and Liang, R. (2007) Periodic Solutions for a Kind of Second Order Neutral Functional Differential Equations. Applied Mathematics and Computation, 190, 1394-1401. https://doi.org/10.1016/j.amc.2007.02.137
NOTES
*通讯作者。