1. 引言
脉冲时滞微分方程在工程学,医学,金融,力学等方面有着非常广的应用,这就意味着方程的稳定性非常重要。学者在这方面做了大量的研究 [1] [2] [3]。文献 [4] 给出了变系数二阶时滞微分方程解的稳定性的充要条件。文献 [5] 运用特征方程法给出了一阶线性脉冲时滞微分方程解的稳定性,在此基础上,本文将进一步研究脉冲时滞微分方程,将此方法推广到二阶线性脉冲中立型时滞微分方程。
2. 预备知识
论文中,考虑的二阶中立型脉冲时滞微分方程如下:
(1)
(2)
(3)
其中:1)
,
;
2)
;
3) 脉冲点
满足
;
4)
。
定义1.1
是方程(1)~(3)的解,如果
1)
在
处连续;
2)
在
处二阶连续可微;
3)
;
4)
。
注1.2 设
带入(1)得特征方程
, (4)
假设
是方程(4)的实根,令
, (5)
把(5)分别代入(1)~(3),得
(6)
(7)
(8)
引理1.3 假设
是(4)的实根,并且
不是脉冲点。如果
是(6)~(8)的唯一解,当且仅当
, (9)
证明:当
因为
不是脉冲点,并且根据(7),得
(10)
因为
,所以
根据(9),递归代回(10),得
同时,根据初始条件(8)可得
(11)
对(11)两边同时求二阶导,可推出方程(6),同时方程(7)显然可得。引理1.3得证。
推论1.4 设
是(4)的实根,当
时,
不是脉冲点。那么
是方程(1)~(3)的唯一解,当且仅当
是(6)满足初始条件
的解。
定义1.3 [6] 1) 若(1)~(2)的零解是稳定的,则
,
,对任意的起始函数
有
且
是(1)~(2)的解,那么对
。
2) 若(1)~(2)的零解是一致稳定,则
与
无关;
3) 若(1)~(2)是零解是渐近稳定的,则
,对任意的起始函数
有
,
且
是(1)~(2)的解,那么对
。
3. 解的渐近形态
本章节介绍的是满足初始条件(1)~(3)方程解的渐近性。
定理2.1 若根
满足
(12)
则(1)~(3)的解x满足
(13)
其中:
(14)
(15)
证明:由2.1可得
,所以
。求x是(1)~(3)的解等价于求y是(6)~(8)的解。因为
是(4)的实根,则对
,有
化解整理得
(16)
令
,
则(16)等价于
(17)
同时初值条件(8)等价于
(18)
于是得出(13)的等价方程
(19)
当
(20)
可得当
时,
。
现在将证明当
时,
。运用反证法,假设
,使得
,令
因为
满足右连续,所以当
不是脉冲点时,
,当它是脉冲点时,
,也就是说,当
时,
,那么通过(12)和(17),得
与假设矛盾,所以当
时,
得证。
同时,对于
,有
(21)
得出,对于
,有
。
根据(12)有,
,所以
由此可得
定理2.1得证。
定理2.2若
是(4)的实根且满足(12),则
(22)
(23)
证明:显然可得。
推论2.3 若(16)~(17)成立,则(1)~(3)的解满足
(24)
其中:
。
4. 解的稳定性判断
定理3.1 若定理1成立,
成立,
(25)
则当
时,(1)~(3)的解x满足
(26)
其中:
。
同时,(1)~(3)的解x是
1) 稳定的。若
时,(2.9)~(2.10)成立;
2) 渐近稳定的。若
;
3) 不稳定的。若
。
证明:假设x是(1)~(3)的解,对于
根据(21),得
再根据(12),(13)可得
另一方面,根据定理2.1
于是
所以,当
时
综上所述,定理3.1第一部分得证。
现在将证明定理3.1中的三条稳定性。设
,x是(1.1)~(1.3)的解
1) 当
时,对
因为
,则对
,
,使
,则
所以(1)~(3)的零解是稳定的。
2) 当
时,对
,
即
所以(1.1)~(1.3)的零解是渐近稳定的。
3) 当
时,我们运用反证法。假设
时,(1)~(3)的零解是稳定的。则
,
即当
时,
(27)
设
,则
(28)
设
,满足
,则
其中
,于是(1)~(3)满足(27)。
另一方面,根据(13)有
但是由(27)可知,当
,
,矛盾。所以当
时,(1.1)~(1.3)的零解是稳定的。综上所述定理3.1得证。
5. 实例验证
(29)
其中
。
解:(29)的特征方程
由图1可知特征方程的根有两个,解得
,
。

Figure 1. (29) graph of characteristic equation
图1. (29)特征方程的曲线图
1) 当
时,
,则
,所以方程(29)不适用于定义3.1。
2) 当
满足定理3.1的条件,所以方程(2.9)的零解是渐近稳定的。
6. 总结
文章研究了二阶线性脉冲中立型时滞微分方程解的渐近形态和稳定性,采用的是特征方程实根的方法,通过特征方程的根与零的关系来判断方程零解的稳定性,最后通过一个实例来验证结果.
NOTES
*通讯作者。