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叠合度的计算及其对非线性Picard边值问题的应用

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维普资讯 http://www.cqvip.com 第25卷第3期 徐州师范大学学报(自然科学版) Vo1.25。N0.3 2007年9月 J.of Xuzhou Normal Univ.(Natural Science Edition) Sep.,2007 叠合度的计算及其对非线性 Picard边值问题的应用 王 峰 ,张 芳 ,王 鑫 (1.江苏工业学院信息科学系,江苏常州 213164; 2.徐州师范大学数学科学学院,江苏徐州 221116) 摘要:利用锥理论给出了一个新的叠合度计算方法,并应用于非线性二阶Picard问题. 关键词:叠合度;Fredholm算子;锥;边值问题 中图分类号:0175.14;0177.91 文献标识码:A 文章编号:1007—6573(2007)03—0023—04 1准备知识及其引理 本文是作者工作[1]的继续. 首先我们介绍有关叠合度的概念及其引理.设X,Z为实Banach空间,L:dom LCX-- ̄Z为线性映 射,N:X—Z为连续映射(一般为非线性).如果domKer L—codimIm L<+o。且Im L为Z的闭子空 间,则称映射L为指标为零的Fredholm映射.如果L为指标是零的Fredholm映射,则存在连续投影算 子P:X-- ̄dom L,Q:Z—Z使得Im P—Ker L,Im L—Ker Q—Im( 一Q),则L I d。m LnK盯P:dom L n Ker P —Im L可逆,令其逆映射为K .设n是X中的有界开集,如果QN:n—Z与K ( 一Q):n—X是紧的, 则称N在n上是L紧的.由于Im Q与Ker L同构,因而存在同构映射J:Im Q—Ker L.假设Lz≠Nx, V zE dom L N an,定义算子L和N在n中的叠合度为D[(L,N),n]一degcs( 一A,n, ),其中A— P+.,QN+K ( 一Q)N,degcs表示Leafy—Schauder度.有关叠合度的详细定义和性质请参见文献[2, 3].文献[2]中考虑了将叠合度与Banach空间中锥理论相结合,给出了关于叠合度的计算方法. 定理A【2] 设K ,K分别是空间X和Z中的锥,且N(X)cK,L (K)cK .若Ker L一{0),0E n,算子N:n—Z是L紧的,并且Lz≠Nx,V zE dom L n an.对于V zE dom L n ann K 时,都有 Nx≤Lx, (1) 则D[(L,N),n]一0. 定理BL。 设K ,K分别是空间X和Z中的锥,且N(X)CK,L (K)CK .若Ker L一{0),0E n,算子N:n—Z是L紧的,并且Lz≠Nx,V:rE dom Lnan.对于V:rE dom LnannK 时,都有 Nx Lx, (2) 则I D[(L,N),n]I一1. 定理CL2 设K ,K分别是空间X和Z中的锥,且N(X)cK,L (K)cK .若n ,n。是E中的 有界开集,Ker L一{0),0En cn cn。,算子N:n。一Z是L紧的,满足条件 C1)Nz≥Lx,VzEdom Lnanl nKl;Nx≤Lx,VzE dom Lnan2 nK1.或 C2)Nz≥Lx,VzE dom Lnan2 nK1;Nz≤Lx,VzE dom Lnan1 nK1, 则方程Lx=Nx在dom LN(n。\n )NK 中至少有一解. 在实际应用中,发现直接利用锥K 中的序关系,(1),(2)检验起来比较困难.本文考虑引进适当的 Banach空间E及E中的锥,利用该锥导出的序关系检验要方便得多. 下面给出本文需要用到的两个引理: 引理1 设算子N:n—Z是L紧的,若存在 EZ,y=/=O,使得 收稿日期:2007—01—20 基金项目:国家自然科学基金资助项目(10671167) 作者简介:王峰(1979一),男,江苏泰兴人,助教,硕士,主要从事非线性泛函分析研究 维普资讯 http://www.cqvip.com 24 徐州师范大学学报(自然科学版) 第25卷 L:r—Nx≠ ,V ≥0,z E dora L n an, 则D[(L,N),n]一0. 引理2 设Ker L一{0},0EO,算子N: 一Z是L紧的,如果 ≠ Nz,V 0≤ ≤1, z E dom L N an, 则I D[(L,N),n]I一1. 2 主要结论 本文恒设K ,K分别是空间X和Z中的锥,且N(X)cK,L (K)cK。. 定理1 若算子N:n—Z是L紧的,并且Lz≠Nx,VzE dom LNan.设存在另一个Banach空间 E,E中的锥K ,以及有界线性算子B:K—K ,使得 BNx BLx, V z E dom L n an n K1, (3) 其中的半序由锥K 在E中导出,则D[(L,N),n]一0. 证 首先证明,任取hEL (K),h≠0, ≥0,有 Lcr—Nx≠ , V z E dom L N an. (4) 事实上,如果存在z。E dom LNan, 。≥0,使Lz。一Nx。一 。Lh.由于Lz≠Nx,VzE dom LNan, 故 o>0.用B对等式Lz o—Nxo— oLh两边作用得,BLxo—BNxo— oBLh,即BNxo—BLxo--2toBLh ≤BLx0.由N(X)cK,L (K)cKl知,Lz。一Nx。+ 。L ∈K,从而有z。E dom LNanNK1.由条件 (3)推出矛盾.故对任给zE dom LNan, ≥0,(4)式成立.根据引理1即知,D[(L,N),n]一0. 定理2 设Ker L一{0},0En,算子N:n—Z是L紧的,并且Lz≠Nx,V z E dom L N an.若存在 另一个Banach空间E ,E 中的锥K ,以及存在有界线性算子B :K—K ,使得 B Nx≥B Lz, V z E dom L n an n K2, (5) 其中的半序由锥K 在E 中导出,则I D[(L,N),n]I一1. 证 首先证明,对于任给zE dom LNan,0≤ ≤1,有 ≠ Nz. (6) 事实上,如果存在z。E dom L N an,0≤ ≤1,使Lz 一 Nx .由于Lz≠Nx,V zE dom L N an,故 0≤ l<1.用B 对等式Lz1一 l Nx1两边作用,有B Lzl— l B Nxl≤B Nx1.由N(X)CK,L (K)c K 知,Lz。一 。Nx EK,从而有z E dom LNanNK .由条件(5)推出矛盾.故对任给zE dom LNan, 0≤ ≤1,(6)式成立.根据引理2即知,ID[(L,N),n]I一1. 定理3 设n ,n 是E中的有界开集,Ker L一{0},0En。cn cn ,算子N:nz—Z是L紧的.若 存在另两个Banach空间E,E ,其中K ,K 分别为E,E 中的锥,以及存在有界线性算子B:K—Kz,B : K—K ,满足条件 H1)BNz≥BLx,V zE dom L N a.f2l n K2;B Nx≤B Lz,V zE dom L N a.f22 N K .或 H2)BNz≥BLx,VzE dom LNa.f22 nK2;B Nx≤B Lz,VzE dom LNa.f2l nK , 则方程Lx=Nx在dom LN(n \n )NK。中至少有一解. 证我们仅在条件H。)下证明结论成立,在条件H )之下可以类似地证明.根据定理1、定理2,有 I D[(L,N),n ]I一1, D[(L,N),n ]一0. 由叠合度的可加性,得到 D[(L,N),n \ 。]一DE(L,N),n ]一D[(L,N),nt]一±1≠0. 由可解性,存在z E dom L N( \n ),使Lz 一Nx ,注意到Nx E K,Lz ∈K,于是z E dom L N ( \n。)NK . 注1 当X=Z,L—I(恒等算子)时,取P—Q一口(零算子即0x一0,V z E dora L I"1 n),则KerP n dom L—X,易知N是L紧的充要条件为.N是全连续的,此时定理1,2是Leary—Schauder度相关计算 方法的拓广,定理3是著名的锥拉伸与锥压缩不动点定理在叠合度方面的推广,而当空间E(E)一Z,算 子B(B )为恒等算子 时,定理A(B,C)即为定理1(2,3)的特殊情形. 维普资讯 http://www.cqvip.com

第3期 王峰,等:叠合度的计算及其对非线性Picard边值问题的应用 25 3 应用 考虑非线性Picard边值问题 (£)+f(t,z(£),z (£))一0, £∈T, (7) Iz(0)一z(7c)一0, 这里T一[0,7c],f:T×R×R—R非负连续. 令X一{z∈C [0,7c]l z(0)一z(7c)一0},Z—CET,R3,dom L—C IT,R]n X.定义算子L:dom L— Z s N:x—Z为 (Lx)(£)一一 (£), (Nx)(£)一f(t,z(£),z (£)), 则Ker L一{0},Im L—Z,故L是零指标的Fredholm算子,并且L一:Z—X的表达式为 (L-l y)( )==——— 一(J' s(rc-t) (s)ds—卜J' (兀——s) (s)ds). 由Arzela—Ascoli定理易知L一:Z—X是线性全连续算子.由于N:X—Z是连续有界算子,因此N是L 紧的.在X和Z中分别取锥为 K 一{z(£)l z E X,z(£)≥0,z(£)为T上的凹函数}, K一{z(£)l z E Z,z(£)≥0}. 据上述讨论,问题(7)的解等价于方程Lz(£)一Nx(£)在dom LNK 的解.由厂(t,z, )非负,N(X)c K,并且L (K)CK .用ll・ 表示空间L P[T,R]的范数. 定理4假设关于tE T,一致地有 li m < 1, (8) I +1 I一+oo l z l十l l lirainf>1, (9) I I+ +I—oyl  l z l十l l 则问题(7)至少有一解z (£),且有z (£)>0,tE(0,7c). 证 注意到问题(8),(9)等价于抽象算子方程Lz Nx.由(9)式,存在r>0,使当l zI+l I≤r时, f(t,z, )≥l z l+l l≥l z 1.取T,为X中半径为r,中心在0点的开球,则当zE dom L N aT,N K 时, 有l z(£)l+l z (£)l≤I zl 一r,从而 f(t,z,z (£))≥z(£),t E T. 上式两边同乘sin t,并且在T上积分,利用分部积分公式,得到 I sin£厂(£,z,z (£))d£≥I sin£z(t)dt—I sin t(- (£))dt, 即I sin t Nx(t)dt≥I sin t Lx(t)dt.不妨假设当z E dom L N OT,N K 时,Lx≠Nx.故 I sin t Nx(£)dt>I sin t Lx(£)dt. (10) 设Bx(£)一I sin tx(£)dt,则B是映K 入K 一[0,+oo)的有界正线性算子.下面证明对于V E dom L N OT,N K ,有BNx BLx成立.事实上,若存在z E dom L N OT,N K ,满足BNx ≤ BLx .这与(10)式矛盾、根据定理1,有 D[(L,N),dora L N T,N K1]一0. 由常规证法知结论成立 ]. 本课题由导师孙经先教授于2006年5月向第一作者建议,作者谨致谢意! 参考文献: [1]王峰,邹玉梅.拓扑度的计算及其对超线性奇异四阶微分方程的应用I-J].徐州师范大学学报:自然科学版,2006,24 (4):31. 维普资讯 http://www.cqvip.com 26 徐州师范大学学报(自然科学版) 第25卷 E2]郭大钧,孙经先,刘兆理.非线性常微分方程泛函方法[M].济南:山东科技出版社,1994:105—107,167—168. [3]Gaines R E,Mawhin J1 .Coincidence degree and nonlinear differential equations[M].Berlin:Springer—Verlag,1977 [43张福保.叠合度的缺方向性与边值共振问题的非平凡解[J].数学研究与评论,1999,19(4):693. Computation for Coincidence Degree and Applications tO Nonlinear Picard Boun dary Value Problems of Second—order Differential Equations WANG Feng ,ZHANGFang ,WANG Xin (1.Department of Information Science,Jiangsu Polytechnic University,Changzhou,Jiangsu,213164,China; 2.School of Mathematical Science,Xuzhou Normal University,Xuzhou,Jiangsu,221116,China) Abstract:In this paper,a new method of computation of coincidence degree is given by using the theory of cones and applied to investigation on the existence of solutions for nonlinear Picard boundary value problems of second order differential equatioms. Key words:coincidence degree;Fredholm operator;cone;boundary value problem (上接第22页) 参考文献: [1] ze E,Gonzfilez—Olivares E.Dynamics of a predator—prey model[J].SIAM J Appl Math,1999,59:1867. [2]Peng Rui,Wang Mingxin.Global stability of the equilibrium of a diffusive Holling—Tanner prey—predator model[J]. Appl Math Letters,2007,20(6):664. [33刘勇,林支桂.具有扩敞的二种群捕食一被捕食模型中的共存解[J].徐州师范大学学报:自然科学版,2005,23(1): 16. [43吴强,高静.一类具有Michaelis—Menten响应函数的三种群捕食模型的定性分析[J].徐州师范大学学报:自然科学 版,2006,24(4):27. [5]Wang Mingxin.Non—constant positive steady states of the Sel’kov model[J].J Differential Equations,2003,190(2): 600. [63 Hsu S B,Huang T W.Global stability for a class of predator—prey systems[J].SIAM J Appl Math,1995,35:763. Large Qualitative Analysis for a Ratio—dependent Holling—Tanner Predator-Prey Model JIANG Le .WU Qiang .LUXiao—guang (1.Huaihai Institute of Technology,Lianyungang,Jiangsu,222005,China; 2.School of Mathematical Science,Xuzhou Normal University,Xuzhou,Jiangsu,221116,China) Abstract:In this paper,a ratio—dependent Holling—Tanner predator—prey model is studied.The dis— sipation,persistence and global stability of the positive constant solution are given out.The diffusion system is discussed by using the e—Young and Poincar6 inequalities.and the non—existence of non—con— stant positive solution is deduced when the diffusion parameters are large enough. Key words:functional response;dissipation;persistence;global stability 

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