1. 引言
微积分理论自产生至今,其地位举足轻重。整数阶微积分作为描述经典物理及其相关学科理论的数学工具已被人们普遍接受,但随着科学的发展和复杂工程应用需求的增加,整数阶微积分不再是一个优秀的工具[1]-[5]。此时,分数阶微积分强势闯入人们的视野,弥补了整数阶微积分的局限性。20世纪以来,分数阶微积分理论在许多领域得到了广泛的应用和发展,如物理学、血流问题、种群动力学、系统控制、复杂粘弹性材料的经济学和力学,彰显着其独特的优势和不可替代性[6]-[8]。此外,它的非局域特性使得分数阶微分方程的求解比整数阶微分方程更复杂[9]。
边值问题是具有边界条件的微分方程的定解问题,极其重要且被广泛应用于其他领域[10] [11]。因此,近几十年来,许多学者研究了分数阶微分方程边值问题解的存在性。例如,在文献[12]中,Liu和Zhuang得到了如下具有积分边界条件的分数阶微分方程边值问题
解的存在性,其中,
是连续函数。文章结果基于Banach压缩原理,Leray-Schauder非线性抉择,Boyed and Wong不动点定理以及Krasnoselskii不动点定理。
在文献[13]中,Chandran等人给出了一个基于给定的受控b-Branciari度量空间的不动点方法,并且运用此方法研究了下述分数阶微分方程边值问题
解的存在唯一性,其中,
,
在
时可能奇异。
此外,分数阶微分方程边值问题的许多相关研究成果可见于文献[14]-[18]。
迄今为止,关于分数阶微分方程边值问题解的存在性与唯一性的研究已成果颇丰,但在实际应用中正解更有意义。因此,本章考虑下述具有积分边界条件的分数阶微分方程边值问题
(1)
正解的存在性,其中,
是连续函数,
是连续函数。比较于上述文献,本文的研究目标具有更一般的边界条件。
一个函数
被称作边值问题(1)的正解,如果
满足方程和边界条件且有
,
。
2. 预备知识
首先给出与分数阶微分方程相关的一些基本定义和引理。本节中,
表示
的整数部分。
2.1. 定义1 [19]
上的
阶Riemann-Liouville分数阶积分
分别定义为
其中,
2.2. 定义2 [19]
上的
阶Riemann-Liouville分数阶导数
分别定义为
其中,
。
2.3. 定义3 [19]
令
为
阶的Riemann-Liouville分数阶导数,那么
上的
阶Caputo分数阶导数
定义为
其中,
(2)
2.4. 引理1 [19]
假设
如(2)式所示且
,则
其中,
。
2.5. 引理2 [20]
设
,则有
成立。
2.6. 引理3 [20]
假设
由(2)式所示,则如下两个关系成立:
(1) 对
,
;
(2) 如果
,则
。
2.7. 定理1 [21] [22]
设
是Banach空间,
是
中的锥,
和
是
中的有界开子集,使得。
若
是全连续算子且满足下列条件之一:
(1)
且
;
(2)
且
,
那么
在
中有一个不动点。
2.8. 定理2 [23]
假设
是一个Banach空间且
是
的一个闭凸集,
是
的相对开子集且
,
是一个连续的紧算子,则有
(1)
在
上有一个不动点,或者
(2) 存在
和
使得
。
3. 主要结果
为方便起见,在本章中总是记
并且令
为定义在
上的Banach空间且具有范数
。
3.1. 引理4
令
,则对任意给定的
,边值问题
(3)
有唯一解
其中
(4)
且
(5)
证明 由引理1可知边值问题(3)中的方程等价于积分方程
其中常数
。另外,由引理2和数学分析的相关知识可得
由边值条件
可得
,则
, (6)
又由边值条件
可得
(7)
因此,
(8)
故结合式子(6),(7)和(8)可得
(9)
接下来,对方程(9)进行积分可得
接着对上述两式进行整理可得
(10)
和
(11)
结合(10)式和(11)式可得
综上所述可得
3.2. 引理5
满足如下性质:
(1)
在
上连续;
(2)
。
证明 (1) 显然成立;
(2) 既然右端的不等式是显然的,故只需要证明左端的不等式成立即可。当
时,
即
。
在本章的后续行文中,总是认定下面的假设成立:
(H1)
。
3.3. 引理6
满足如下性质:
(1)
在
上连续;
(2)
,
其中
证明 (1) 显然成立;
(2) 一方面,由引理5的第二条性质和式子(4)可得
同理,
现在,假设
显然,
是
中的一个锥。定义
上的算子
为
(12)
由引理4可知,算子
的不动点恰好是边值问题(1)的解。
3.4. 引理7
是全连续的。
证明 首先,证明
。由
的性质和函数
的定义可得对于任意
,算子
是非负连续的。又对于任意
,由引理6可得
则
结合引理6中的第二条性质可以得出
因而
,即
成立。
算子
的一致有界性和等度连续性易证。因此,由Arzela-Ascoli定理,算子
是全连续的。
3.5. 定理3
假设存在三个连续函数
和
且
是不增的,
是不减的,使得
并且假设存在
使得
(13)
和
(14)
则边值问题(1)存在一个正解
且满足
。
证明 令
。
一方面,如果
,则
且对于
,有
。由式子(12)和(13)可以得出
因此,
(15)
另一方面,如果
,则
且对于
,有
。由式子(12)和(14)可以得出
因而,
(16)
综上所述,结合不等式(15)和(16),由定理1可以推断出算子T有一个不动点
。显然,这个不动点是边值问题(1)的一个正解且满足
。
3.6. 定理4
假设存在两个连续函数
和
使得
且
以及存在
使得
其中,
,则边值问题(1)存在一个正解。
证明 令
。由引理7可知算子
是全连续的,因而
是连续且紧的。
接下来,证明定理2中的(1)成立,只需证明定理中的(2)不成立。
反设定理2中的(2)成立,则存在
和
使得
。对于
,有
。又根据
的定义可以得到
。现在,依照引理6和式子
(12)可推断
因此,
与
矛盾。
综上所述,由定理2可以推出
有一个不动点
,即为边值问题(1)的一个非负解。又因为
,则零函数不是边值问题(1)的解,故
是边值问题(1)的一个正解。
3.7. 注
为确保文章的正确性,下面对结论即定理3和定理4进行验证,故只讨论实例分析中边值问题正解的存在性。
4. 实例分析
4.1. 实例1
考虑下述边值问题
(17)
由于
,经过直接的计算可以得到
显然,假设(H1)成立。又因为
,则
,
。现在取
,经过计算可得
因此,
这表明定理3中的全部条件均满足。
因此,由定理3可知边值问题(17)存在一个正解
且满足
。
4.2. 实例2
考虑下述边值问题
(18)
由于
,经过计算可得
显然,假设(H1)成立。又因为
,则
,
且
,故
,
。
选择
,则。因而,有
显然,定理4全部条件均满足。
因此,由定理4可知边值问题(18)存在一个正解。