1. 引言
微分方程解的零点分布是研究微分方程解的性态的一个重要课题,也是微分方程振动理论的基础。1836年,Sturm C. F.针对二阶微分方程建立了解的零点比较定理 [1] ,并把相关理论推广到其它类型的微分方程和差分方程。1910年,Mauro Picone通过证明一个恒等式——Picone恒等式,进一步推广了Sturm零点比较定理 [2] 。自此,利用类似思想,通过建立新的Picone型恒等式或不等式,Sturm零点比较定理得以更进一步的推广,用以讨论各类更复杂的二阶微分方程的解或解的导函数的零点分布 [3] - [8] 。如陈丽纯,庄容坤研究了方程
(1.1)
解的零点存在性。郑镇汉,李亚兰研究了方程
(1.2)
解的零点存在性。
受上述研究工作的启发,本文考虑方程
(1.3)
其中
,
,
,
,
。通过建立几个微分不等式,建立非线性方程(1.3)解的零点存在的几个新的充分条件,并通过例子说明所得结果的有效性。
2. 几个不等式
为了证明主要结果,本节先证明几个微分不等式。往下总假设以下条件成立:
(A1)
;
(A2)
。
引理1 设
是方程(1.3)的非平凡解,
,若
,则成立下面的微分不等式:
(2.1)
证明 直接求导,并结合
及条件(A1)和(A2)得:

证毕。
引理2 设
是方程(1.3)的非平凡解,
,若
,则成立下面的微分不等式:
(2.2)
证明 由引理1的证明及条件(A1)和(A2)得:
证毕。
引理3 设
是方程(1.3)的非平凡解,
,若
,则成立微分不等式:
(2.3)
其中
,
,
,
。
证明 由
及条件(A1)和(A2)得:

因此,
证毕。
3. 主要结果
本节利用上节得到的不等式建立几个零点存在定理。
定理1 设
是方程(1.3)的非平凡解,若存在
,使得
;
,且
则
在
上至少有一个零点。
证明 假设
在
上没有零点,即
,则不等式(2.1)成立。对(2.1)式的两边从0到1积分得
由
,有
于是
与条件矛盾,故
在
上至少有一个零点。
推论1 设
是方程(1.3)的非平凡解,若存在
,使得
;
;又
,
,
且等号在[0,1]的任意闭子区间上不恒成立,则
在
上至少有一个零点。
定理2 设
是方程(1.3)的非平凡解,若存在
,使得
;
;且
则
在
上至少有一个零点。
证明 假设
在
上没有零点,即
,则不等式(2.2)成立。对(2.2)式的两边从0到1积分得
由
,有
于是
与条件矛盾,故
在
上至少有一个零点。
推论2 设
是方程(1.3)的非平凡解,若存在
,使得
,
,又
,
,且等号在[0,1]的任意闭子区间上不恒成立,则
在
上至少有一个零点。
定理3 设
是方程(1.3)的非平凡解,若存在
,使得
;
,且
则
在
上至少有一个零点。
证明 假设
在
上没有零点,即
,则不等式(2.3)成立。对(2.3)式的两边从0到1积分得
由
,有
于是
与条件矛盾,故
在
上至少有一个零点。
推论3 设
是方程(1.3)的非平凡解,若存在
,使得
;
;又在
上,
但不恒相等,则
在
上至少有一个零点。
4. 实例
例1 考虑方程:
(4.1)
其中
,
,
为常数,
,满足
。
记
,
,
,
,
,则
,
,
,
,且
取
,则条件(A1)、(A2)满足。取
,则
。
对
,有
且等号当且仅当
时成立。由推论1知,方程(4.1)的非平凡解
在
至少有一个零点。
例2 考虑以下方程:
(4.2)
其中
,
,
为常数。
,满足
。
记
,
,
,
,
,则
,
,
,
,且
,
。
取
,则条件(A1)、(A2)满足。取
,则
,且
且等号当且仅当
时成立,由推论2知,方程(4.2)的非平凡解
在
至少有一个零点。
例3 考虑方程:
(4.3)
其中
,
,
为常数,
,满足
记
,
,
,
,
,则
,
,
,
,且
取
,则条件(A1)、(A2)成立。取
,则
。
取
,则
从而对
,
而当
时不等式仍成立,且等号在
的任意子区间上不恒成立。由推论3知,方程(4.3)的非平凡解
在
至少有一个零点。
致谢
感谢庄容坤教授对本文研究工作的建议和帮助!
基金项目
本文受如下基金项目资助:国家自然科学基金(No. 11601180),广东省自然科学基金 (No. 2016A030310100),国家级大学生创新训练项目(No. 20181057005)。
NOTES
*通讯作者。