1. 引言
由于分数计算理论和应用的快速发展,分数阶微分方程引起数学爱好者的极大兴趣。其主要应用于流体力学、分数控制系统、神经分数模型、力学、物理学、黏弹力学、化学工程和经济等方面。分数计算理论是解决微分、积分方程及其它特殊方程的有效工具。
但是分数阶微分方程边值问题的研究还处于初级阶段,尤其是无穷区间上的分数阶微分方程边值问题尚不多见。在以往的参考文献中,多是以下积分边值条件的模型。 [1] 中,赵和葛研究了无穷区间上的分数阶边值问题
 
  
 
  
其中, 
  , 
  是Riemann-Liouvill分数阶导数。
[2] 中,Nieto研究了以下边值问题
 
  
 
  
其中, 
  。 
  分别是Riemann-Liouvill分数阶导数和Caputo分数阶导数。
然而,据作者所知,到目前还没有文献研究以下无穷区间上的分数阶边值问题
 
  (1.1)
 
  (1.2)
其中 
  。 
  。 
  和 
  分别是Riemann-Liouvill分数阶导数和分数阶积分。
当 
  时,问题(1.1) (1.2)是 
  阶多点边值问题,很多文献已做过研究,如 [3] [4] [5] [6] 。
本文应用非线性抉择定理和Banach压缩映像原理研究边值问题(1.1) (1.2)的解的存在性和唯一性。
本文结构如下:第二部分给出背景材料和预备知识;第三部分给出所研究问题(1.1) (1.2)的解的存在性和唯一性;最后给出例子说明我们的主要结论。
2. 预备知识
定义2.1 ( [7] )函数 
  的 
  阶Riemann-Liouville分数阶积分为
 
  
其中 
  , 
  为gamma函数。
定义2.2 ( [7] )函数 
  的 
  阶Riemann-Liouville分数阶导数为
 
  
其中 
  , 
  为gamma函数, 
  。
引理2.1 ( [7] )设 
  ,则
 
  
引理2.2 ( [7] )若 
  ,则分数阶微分方程 
  当且仅当
 
  
其中 
  ,其中 
  是大于等于 
  的最小整数。
引理2.3 ( [8] )若 
  ,存在 
  使得
 
  
其中 
  , 
  。
定义空间
 
  
模为 
  。
定理2.1 ( [9] )设 
  是一个实Banach空间, 
  是 
  中的有界开子集, 
  是一个全连续算子。则 
  ,或存在不动点 
  。
引理2.4 ( [9] ) 
  是Banach空间。
证明:设 
  是空间 
  中的Cauchy序列,则对 
  , 
  当 
  , 
  ,有 
  ,则 
  一致收敛于 
  及 
  。并且 
  一致收敛于 
  ,并且 
  。
接下来证明 
  。
令 
  ,则对于常数 
  , 
  当 
  时,有
 
  
令 
  , 
  ,易得 
  。于是对 
  ,有
 
  
其中, 
  是Beta函数。根据 
  的一致收敛性及Lebesgue控制收敛定理,可得
 
  
当 
  时,有
 
  
所以, 
  是Banach空间。
注意到Arzela-Ascoli定理不能在空间 
  中使用,为此,引入以下改进的紧凑型标准。
引理2.5 ( [10] )设 
  是有界集,那么,当下述条件成立时, 
  在 
  中是相对紧的:
(i) 对 
  , 
  和 
  在 
  的任何紧区间上是等度连续的。
(ii) 对于给定的 
  , 
  常数 
  , 
  对 
  ,有
 
  
3. 主要结论
令 
  
  
 
  
假设以下条件成立:
(H1)存在非负函数 
  
 
  
  
(H2)假设 
  。
引理3.1 假设(H1) (H2)成立。问题(1.1) (1.2)等价于积分方程
 
  (3.1)
证明:由条件(H1),
 
  
所以(3.1)定义有意义。
根据引理2.3,
 
  (3.2)
由条件(1.2),可得
 
  (3.3)
 
  (3.4)
将(3.3) (3.4)带入(3.2),得
 
  (3.5)
定义积分算子 
  
 
  (3.6)
引理3.1证明算子 
  的不动点就是问题(1.1) (1.2)的解。
引理3.2 假设(H1) (H2)成立。则 
  一致连续。其中 
  ,
 
  
证明:第一步:证明 
  是相对紧的。
方便起见,在这一步中,记
 
  
设 
  是 
  中的子集, 
  是一个紧区间, 
  ,则对 
  ,有
 
  
且有
 
  
注意到对 
  ,有 
  在 
  中有界。
故得 
  在 
  中一致连续。
接下来证明对 
  ,有 
  满足引理2.5的条件(ii)。
根据条件(H1),
 
  
  
于是,对 
  ,存在常数 
  ,使得
 
  (3.7)
另一方面,因为 
  ,故 
  ,有
 
  (3.8)
类似地,因为 
  ,故 
  ,有
 
  (3.9)
令 
  ,则对 
  ,根据(3.7)~(3.9),可得
 
  
 
  
且有
 
  
  
根据引理2.5知, 
  是相对紧的。
第二步:证明 
  连续。
设 
  ,且当 
  时,有 
  ,则
 
  
 
  
且有
 
  
根据Lebesgue控制收敛定理, 
  连续。
综上, 
  全连续。
定理3.1 设(H1),(H2)成立,则边值问题(1.1) (1.2)至少有一个解 
  。
证明: 
  如引理3.2中定义。设 
  ,则
 
  
 
  
且有
 
  
 
  
故
 
  
得到 
  这与 
  矛盾。根据引理1.1, 
  中存在一个不动点。故问题(1.1) (1.2)在 
  中至少有一个解。
定理3.2 设(H1),(H2)以及下面的(H3)成立,则边值问题(1.1) (1.2)有唯一解 
  。
(H3)存在非负函数 
  使得
 
  
及
 
  
 
  
成立。其中 
  。
证明:对 
  ,有
 
  
 
  
 
  
因为 
  ,所以 
  收敛。根据Banach不动点定理,可得 
  有唯一不动点。故边值问题(1.1) (1.2)有唯一解。
4. 应用
例4.1 考虑边值问题
 
  
 
  
其中, 
  
因为
 
  
通过简单计算可知,
 
  
故定理3.1的条件成立。所以边值问题(1.1) (1.2)至少有一个解。
基金项目
安徽省自然科学基金项目支持(KJ2016A071);校质量工程项目支持(2016xjjyxm04)。