1. 引言
分数阶p-Laplace微分方程是分数阶微分方程的推广。分数阶微分方程一般可以看作是应用分数阶微积分研究微分方程。分数阶微分方程可以描述物理、化学、生物等多个领域的数学模型。一些学者对分数阶微分方程的性质已经做了大量的研究。2020年,Bai等 [1] 研究了一类具有对流项的Caputo分数阶微分方程的格林函数。2020年,Bai等 [2] 研究了一类三点分数阶边值问题的解。2019年,Tian等 [3] 研究了带p-Laplace算子的分数阶微分方程边值问题的正解。2019年,Yue等 [4] 研究了具有振荡势的分数阶微分方程包含的无穷多个非负解。2019年,Jia等 [5] 研究了一类含导数和参数的分数阶微分方程的非局部问题。2020年,Wang等 [6] 研究了具有分数阶导数的混合p-Laplace边值问题解的存在唯一性。2020年,Kamache等 [7] 研究了具有两个控制参数的扰动非线性分数阶p-Laplace边值问题三个解的存在性。2020年,Kamache等 [8] 研究了一类新的分数阶p-Laplace边值问题弱解的存在性。
综上可见,分数阶p-Laplace微分方程的研究是一个重要的研究内容。在上述文献的基础上,本文运用临界点定理研究带多个参数的分数阶p-Laplace微分方程的边值问题,并得到该微分方程多个解的存在性
(1)
其中,
,
,
,
和
是
阶的左右Riemann-Liouville分数导数且
,
是正参数,且
是
关于
的偏导数,
,
且
。
2. 预备知识
引理1 [9] 设u是定义在
上的函数。其
阶的左右Riemann-Liouville分数导数定义如下
和
其中
,且右侧在
上逐点定义,
,
。
定义1设
且
,
。分数阶导数空间定义如下
对于任意
,定义如下的范数
(2)
引理2 [10] 设
且
,
。对于任意
,有
(3)
而且,如果
和
,有
(4)
由引理2,可以得到
(5)
其中
,且
(6)
其中
和
。
由(5),范数(2)有如下等价范数
(7)
本文,令X是n个
空间的笛卡尔积且
,也就是
,其范数定义如下
其中
在(7)中定义。显然,X是紧嵌入在
中。
现在,在X上定义如下泛函:
(8)
(9)
(10)
(11)
其中
,
表示所有泛函
的类且
。
显然,Τ是一个Gâteaux可微泛函且它在点
的Gâteaux导数定义如下
(12)
其中
,
。类似地,得到
(13)
(14)
(15)
引理3 [11] 设
和
,分数阶导数空间X是一个自反可分的Banach空间。
引理4 [12] [13] 设
且
,
,则有
定义2 如果函数u使得
且满足问题(1)的方程和边界条件,则
是问题(1)的经典解。
定义3如果函数
满足
,则
是问题(1)的弱解。
引理5如果
是问题(1)的弱解,则
是问题(1)的经典解。
证明:如果
是问题(1)的弱解,由定义3,有
,即
(16)
由引理4可知
(17)
将(17)代入(16),得
(18)
由dubois-Reymond定理和(18),得
则满足问题(1)的方程。因为
和
是连续的,则
。又因为
,有
,则满足问题(1)的边界条件,所以当
是问题(1)的弱解时,则
是问题(1)的经典解。
引理6 ( [14], Theorem 26. A(d))设
是实自反可分Banach空间X上的一个单调,强制,半连续算子,假设
是X上得一组基。则满足下面的结论:
如果A是严格单调的,则逆算子
存在。且逆算子是严格单调,半连续和有界的。如果A是一致单调的,则逆算子
是连续的。如果A是强单调的,则逆算子
是Lipschitz连续的。
定理1 [15] 设X是可分自反的实Banach空间,
是强制且弱序列下半连续的C1泛函,
在X的每个有界子集上有界且属于
,
在
上有连续逆,
是有紧导数的C1泛函。假设存在
的严格局部最小值
有
,令
假设
,那么对于每一个紧区间
(有
),存在
满足:对于任何
和具有紧导数的C1泛函
,存在
,使得对于任何
,等式
在X中至少有三个范数小于R的解。
3. 主要结果
引理7 泛函
是强制,弱序列下半连续的且在X的每个有界子集上有界且属于
,
在
上有连续逆。
证明:由(7)和(9),得
,即当
,有
,因此,泛函
是强制的。假设M是X上的有界子集,即在X的一个子集上
,由(9),有
,因此,泛函
在X的每个有界子集上有界。由于
的弱序列下半连续性,得泛函
是弱序列下半连续的且属于
。
下面证明
在
上有连续逆。由(13),有
(19)
引入文献 [16] 中的不等式,即
得到
(20)
当
时,由(20)得
(21)
即
(22)
因此,由(19)和(21)得
(23)
当
时,由(20)得
(24)
由(23)和(24),得
(25)
其中
。
类似地,当
时,可得
(26)
由(25)和(26),得
(27)
即
是严格单调算子,由引理3和引理6,得
在
上是连续的。
引理8 泛函
和
在X上是连续Gâteaux可微的,且
和
是紧的。
证明:对于
,设在X中
,即当
,在
上
一致收敛到u。因此有
其中
,则
是弱序列下半连续的。对于任意
,G关于u和v是连续可微的,基于勒贝格控制收敛定理,
强收敛到
,即
在X上是强连续的,则
是紧算子,且(14)为Gâteaux导数
在点
的泛函,同理可得泛函
在X上是连续Gâteaux可微的且
是紧的。
定理2 假设存在一个非负常数
和一个函数
,使得满足下面的条件
(i)
,
(ii)
,
则对于每个紧区间
,存在
满足:对于任何
,存在
,使得对于任何
,问题(1)在X中至少有三个范数小于N的解。
证明:下面将使用定理1去证明问题(1)在分数阶导数空间
以及其范数
,
中至少有三个范数小于N的解。由引理3,得分数阶导数空间X是一个自反可分的Banach空间。再由引理7和引理8,得泛函
是强制,弱序列下半连续的且在X的每个有界子集上有界,
在
上有连续逆。且泛函
和
在X上是连续Gâteaux可微的,且
和
是紧的。
存在
的严格局部最小值
,有
。
由(i)得,存在
,有
(28)
其中
,
。
由于F的连续性,存在
,
,有
(29)
其中
,
。
由(29),
和引理2,有
其中
且
。
由
,有
(30)
由(28),有
(31)
由(30)和(31),有
由(ii),有
则对于每个紧区间
,存在
满足:对于任何
,存在
,使得对于任何
,问题(1)在X中至少有三个范数小于N的解。
基金项目
2021研究生专业课程建设项目,2021北京邮电大学“高新课程”建设项目。