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)。
NOTES
*通讯作者。