一类边界条件中含谱参数的Dirac算子的谱性质
Spectral Properties of a Class of Dirac Operators with Eigenparameter in the Boundary Conditions
DOI: 10.12677/aam.2024.1311454, PDF, HTML, XML,    国家自然科学基金支持
作者: 王文涛, 高云兰*:内蒙古工业大学理学院,内蒙古 呼和浩特
关键词: Dirac算子特征值Green函数预解算子Dirac Operator Eigenvalues Green’s Function Resolvent Operator
摘要: 本文考虑了一类内部具有两个不连续点且边界条件依赖谱参数的Dirac算子的谱性质。首先通过引入适当的Hilbert空间并在其上定义新的自伴算子,使得所考虑问题的特征值与该算子的特征值一致。然后通过构造基本解得到了特征值的一些性质。最后给出了问题的Green函数和预解算子。
Abstract: In this paper, we consider the spectral properties of a class of Dirac operators with two internal discontinuities and spectral parameter-dependent boundary conditions. First, the eigenvalues of the problem under consideration are made to coincide with the eigenvalues of the operator by introducing a suitable Hilbert space and defining a new self-adjoint operator on it. Then some properties of the eigenvalues are obtained by constructing the basic solution. Finally, Green’s function and the resolvent operator of the problem are given.
文章引用:王文涛, 高云兰. 一类边界条件中含谱参数的Dirac算子的谱性质[J]. 应用数学进展, 2024, 13(11): 4728-4741. https://doi.org/10.12677/aam.2024.1311454

1. 引言

Dirac算子又称为AKNS算子,在描述量子力学中的能量和原子的内力问题中至关重要。Dirac算子的谱性质是算子谱理论的重要组成部分,诸多学者对此进行了一系列研究,并取得了一些优秀研究成果[1]-[4]。近些年,越来越多的学者对内部具有不连续点的Dirac算子的谱性质进行了研究[5]-[11]。如:2013年,Tharwat M. M.等人在文献[5]中研究了内部具有一个不连续点的Dirac系统,首先讨论了边值问题的特征值和特征函数的部分性质,然后得到了格林矩阵和扩张定理。2018年,袁兆年在其硕士论文[6]中考虑了内部具有一个不连续点且两个边界条件均含谱参数的Dirac算子的谱问题,证明了算子的自伴性,讨论了其特征值和特征函数的性质,给出了格林函数和预解算子。

本文拟在上述研究的基础上,将[6]中的一个不连续点推广为两个不连续点,考虑一类内部具有两个不连续点且边界条件依赖谱参数的Dirac算子的谱性质,即考虑如下由(1)~(7)构成的Dirac系统

τy( x ):=J y ( x )+Q( x )y( x )=λy( x ), xI, (1)

其中

J=( 0 1 1 0 ), Q( x )=( p( x ) q( x ) q( x ) p( x ) ), y( x )=( y 1 ( x ) y 2 ( x ) ),

p( x ), q( x ) 为定义在 I=[ 0, ξ 1 )( ξ 1 , ξ 2 )( ξ 2 ,π ] 上的实值连续函数, λ 是谱参数,

满足边界条件

L 1 y:= α 1 y 1 ( 0 ) α 2 y 2 ( 0 )λ( α 1 y 1 ( 0 ) α 2 y 2 ( 0 ) )=0, (2)

L 2 y:= β 1 y 1 ( π ) β 2 y 2 ( π )+λ( β 1 y 1 ( π ) β 2 y 2 ( π ) )=0, (3)

在间断点 ξ 1 ,  ξ 2 处满足转移条件

L 3 y:= γ 1 y 1 ( ξ 1 0 )+ γ 2 y 2 ( ξ 1 0 )+ δ 1 y 1 ( ξ 1 +0 )+ δ 2 y 2 ( ξ 1 +0 )=0, (4)

L 4 y:= γ 1 y 1 ( ξ 1 0 )+ γ 2 y 2 ( ξ 1 0 )+ δ 1 y 1 ( ξ 1 +0 )+ δ 2 y 2 ( ξ 1 +0 )=0, (5)

L 5 y:= γ 3 y 1 ( ξ 2 0 )+ γ 4 y 2 ( ξ 2 0 )+ δ 3 y 1 ( ξ 2 +0 )+ δ 4 y 2 ( ξ 2 +0 )=0, (6)

L 6 y:= γ 3 y 1 ( ξ 2 0 )+ γ 4 y 2 ( ξ 2 0 )+ δ 3 y 1 ( ξ 2 +0 )+ δ 4 y 2 ( ξ 2 +0 )=0, (7)

其中 α i ,  α i ,  β i ,  β i ,  γ j ,  γ j ,  δ j ,  δ j ( i=1,2, j= 1,4 ¯ ) 均为实数,且假设边界条件中的参数满足

ρ 1 =| α 1 α 1 α 2 α 2 |>0,  ρ 2 =| β 1 β 1 β 2 β 2 |>0,

转移条件中的参数满足

d 1 =| γ 1 γ 1 γ 2 γ 2 |>0,  d 2 =| δ 1 δ 1 δ 2 δ 2 |>0,  d 3 =| γ 3 γ 3 γ 4 γ 4 |>0,  d 4 =| δ 3 δ 3 δ 4 δ 4 |>0.

若对某个 λ ,使得 y( x,λ )=( y 1 ( x,λ ) y 2 ( x,λ ) ) 是方程(1)的非平凡解,且满足边界条件(2),(3)和转移条件(4)~(7),则称 λ 是问题(1)~(7)的一个特征值,相应的非平凡解 y( x,λ ) 称为对应于特征值 λ 的一个特征函数。

2. 算子公式

1 :={ f( x )=( f 1 ( x ) f 2 ( x ) ): f 1 ( x ), f 2 ( x ) 2 ( I ) },

对于任意的 f( x )= ( f 1 ( x ), f 2 ( x ) ) T g( x )= ( g 1 ( x ), g 2 ( x ) ) T 1 ,在 1 内定义内积为

f( x ),g( x ) 1 = 0 ξ 1 f T ( x ) g ¯ ( x )dx + d 2 d 1 ξ 1 ξ 2 f T ( x ) g ¯ ( x )dx+ d 2 d 4 d 1 d 3 ξ 2 π f T ( x ) g ¯ ( x )dx,

易知 1 是完备的。

定义

= 1 ,

对于任意的 F= ( f( x ), f 1 ˜ , f 2 ˜ ) T G= ( g( x ), g 1 ˜ , g 2 ˜ ) T ,在 内定义内积为

F,G = f( x ),g( x ) 1 + 1 ρ 1 f 1 ˜ g 1 ˜ ¯ + d 2 d 4 d 1 d 3 1 ρ 2 f 2 ˜ g 2 ˜ ¯ ,

可知 是一个完备的内积空间。

为了方便描述,我们引入以下符号

M 0 ( y )= α 1 y 1 ( 0 ) α 2 y 2 ( 0 ),  M 0 ( y )= α 1 y 1 ( 0 ) α 2 y 2 ( 0 ), M π ( y )= β 1 y 1 ( π ) β 2 y 2 ( π ),  M π ( y )= β 1 y 1 ( π ) β 2 y 2 ( π ),

由边界条件可知: M 0 ( y )=λ M 0 ( y ) M π ( y )=λ M π ( y )

在Hilbert空间 中定义算子  T ,其定义域为

D( T )={ F=( f( x ) f 1 ˜ f 2 ˜ )| f 1 ( x ),  f 2 ( x )AC( [ 0, ξ 1 )( ξ 1 , ξ 2 )( ξ 2 ,π ] ), f 1 ( ξ 1 ±0 ),  f 2 ( ξ 1 ±0 ),  f 1 ( ξ 2 ±0 ),  f 2 ( ξ 2 ±0 ), τf 1 ,  L 3 f= L 4 f= L 5 f= L 6 f=0,  f 1 ˜ = M 0 ( f ),  f 2 ˜ = M π ( f ) },

并满足

T( f f 1 ˜ f 2 ˜ )=( τf M 0 ( f ) M π ( f ) ).

因此,我们所考虑的问题(1)~(7)就可改写为如下算子形式  TF=λF

此时,问题(1)~(7)的特征值与算子 T 的特征值一致,且特征函数为算子  T 相应特征函数的第一个分量。

定理2.1 算子 T 的定义域 D( T ) 中稠密,即   D( T ) ¯ =

证明 F= ( f( x ), f 1 ˜ , f 2 ˜ ) T (其中 f( x )= ( f 1 ( x ), f 2 ( x ) ) T )且 FD( T ) ,则只需要证明 F= ( 0,0,0 ) T

C 0 表示如下函数集合

φ( x )=( φ 1 ( x ) φ 2 ( x ) ),

其中 φ 1 ( x ) C 0 ( I ) φ 2 ( x ) C 0 ( I ) 。因为 C 0 ( I ) 2 中稠密,即 C 0 ¯ = 1 ,于是有 C 0 00D( T ) ,故对于任意的 G= ( g( x ), g 1 ˜ , g 2 ˜ ) T C 0 00 (其中 g( x )= ( g 1 ( x ), g 2 ( x ) ) T ),根据内积的定义有

F,G = 0 ξ 1 f T ( x ) g ¯ ( x )dx+ d 2 d 1 ξ 1 ξ 2 f T ( x ) g ¯ ( x )dx+ d 2 d 4 d 1 d 3 ξ 2 π f T ( x ) g ¯ ( x )dx+0+0=0,

又因为 C 0 ¯ = 1 ,所以 f( x )=0 ,从而 F= ( 0, f 1 ˜ , f 2 ˜ ) T 。因而对于任意的 V= ( v( x ), v 1 ˜ , v 2 ˜ ) T D( T ) ,根据内积的定义有

F,V = 1 ρ 1 f 1 ˜ v 1 ˜ ¯ + d 2 d 4 d 1 d 3 1 ρ 2 f 2 ˜ v 2 ˜ ¯ =0,

又因为 ρ 1 ,  ρ 2 ,  d 1 ,  d 2 ,  d 3 ,  d 4 均大于零且 v 1 ˜ ,  v 2 ˜ 是任取的,所以 f 1 ˜ =0,  f 2 ˜ =0 。因此 F= ( 0,0,0 ) T ,故定理得证。

定理2.2 算子 T 是自伴的。

证明 F= ( f( x ), f 1 ˜ , f 2 ˜ ) T G= ( g( x ), g 1 ˜ , g 2 ˜ ) T D( T ) ,定义 f g 的朗斯基行列式为

W( f,g;x )= f 1 ( x ) g 2 ( x ) f 2 ( x ) g 1 ( x ),

根据内积和算子 T 的定义,我们有

TF,G F,TG =[ W( f, g ¯ ; ξ 1 0 )W( f, g ¯ ;0 ) ] d 2 d 1 [ W( f, g ¯ ; ξ 2 0 )W( f, g ¯ ; ξ 1 +0 ) ]   d 2 d 4 d 1 d 3 [ W( f, g ¯ ;π )W( f, g ¯ ; ξ 2 +0 ) ]+ 1 ρ 1 [ M 0 ( f ) M 0 ( g ¯ ) M 0 ( f ) M 0 ( g ¯ ) ]  + d 2 d 4 d 1 d 3 1 ρ 2 [ M π ( f ) M π ( g ¯ )+ M π ( f ) M π ( g ¯ ) ], (8)

由转移条件(4)~(7),可得

W( f, g ¯ ; ξ 1 0 )= d 2 d 1 W( f, g ¯ ; ξ 1 +0 ), (9)

W( f, g ¯ ; ξ 2 0 )= d 4 d 3 W( f, g ¯ ; ξ 2 +0 ), (10)

并且容易得到

M 0 ( f ) M 0 ( g ¯ ) M 0 ( f ) M 0 ( g ¯ )= ρ 1 W( f, g ¯ ;0 ), (11)

M π ( f ) M π ( g ¯ )+ M π ( f ) M π ( g ¯ )= ρ 2 W( f, g ¯ ;π ). (12)

将(9)~(12)代入(8)即可得 TF,G = F,TG ,故算子 T 是对称的。

下面只需证明:对于任意的 F= ( f( x ), M 0 ( f ), M π ( f ) ) T D( T ) ,若 TF,W = F,U 成立,则 WD( T ) TW=U ,其中 W= ( w( x ), w 1 ˜ , w 2 ˜ ) T U= ( u( x ), u 1 ˜ , u 2 ˜ ) T w( x )= ( w 1 ( x ), w 2 ( x ) ) T u( x )= ( u 1 ( x ), u 2 ( x ) ) T

要证如上结论成立,即要证如下七条成立:(i) w 1 ( x ),  w 2 ( x )AC( [ 0, ξ 1 )( ξ 1 , ξ 2 )( ξ 2 ,π ] ) ,且 τw 1 ;(ii) w 1 ˜ = α 1 w 1 ( 0 ) α 2 w 2 ( 0 ) ;(iii)   w 2 ˜ = β 1 w 1 ( π ) β 2 w 2 ( π ) ;(iv) L 3 w= L 4 w= L 5 w= L 6 w=0 ;(v)  u( x )=τw( x ) ;(vi)   u 1 ˜ = α 1 w 1 ( 0 ) α 2 w 2 ( 0 ) ;(vii) u 2 ˜ =( β 1 w 1 ( π ) β 2 w 2 ( π ) )

对于任意的  F= ( f( x ),0,0 ) T C 0 { 0 }{ 0 }D( T ) ,有 TF,W = F,U ,根据内积的定义,可得 τf( x ),w( x ) 1 = f( x ),u( x ) 1 ,显然(i)成立。

因为 T 是对称算子,所以有 τf( x ),w( x ) 1 = f( x ),τw( x ) 1 ,由(i)的证明过程又可知 τf( x ),w( x ) 1 = f( x ),u( x ) 1 ,故 τw( x )=u( x ) ,即(v)成立。

通过(v)可知,对于任意的 FD( T ) TF,W = F,U 可表示为

τf( x ),w( x ) 1 f( x ),τw( x ) 1 = 1 ρ 1 [ M 0 ( f ) u 1 ˜ ¯ M 0 ( f ) w 1 ˜ ¯ ]+ d 2 d 4 d 1 d 3 1 ρ 2 [ M π ( f ) u 2 ˜ ¯ + M π ( f ) w 2 ˜ ¯ ], (13)

又由于

τf( x ),w( x ) 1 f( x ),τw( x ) 1 =[ W( f, w ¯ ; ξ 1 0 )W( f, w ¯ ;0 ) ] d 2 d 1 [ W( f, w ¯ ; ξ 2 0 )W( f, w ¯ ; ξ 1 +0 ) ] d 2 d 4 d 1 d 3 [ W( f, w ¯ ;π )W( f, w ¯ ; ξ 2 +0 ) ], (14)

故结合(13)和(14)可得

1 ρ 1 [ M 0 ( f ) u 1 ˜ ¯ M 0 ( f ) w 1 ˜ ¯ ]+ d 2 d 4 d 1 d 3 1 ρ 2 [ M π ( f ) u 2 ˜ ¯ + M π ( f ) w 2 ˜ ¯ ] =[ W( f, w ¯ ; ξ 1 0 )W( f, w ¯ ;0 ) ] d 2 d 1 [ W( f, w ¯ ; ξ 2 0 )W( f, w ¯ ; ξ 1 +0 ) ] d 2 d 4 d 1 d 3 [ W( f, w ¯ ;π )W( f, w ¯ ; ξ 2 +0 ) ], (15)

再由Naimark patching lemma可得,存在 FD( T ) ,使得

f 1 ( π )= f 2 ( π )= f 1 ( ξ 1 ±0 )= f 2 ( ξ 1 ±0 )= f 1 ( ξ 2 ±0 )= f 2 ( ξ 2 ±0 )=0,  f 1 ( 0 )= α 2 ,  f 2 ( 0 )= α 1 ,

此时

M 0 ( f )= M π ( f )= M π ( f )=0,  M 0 ( f )= α 1 α 2 α 2 α 1 ,

W( f, w ¯ ; ξ 1 0 )=W( f, w ¯ ; ξ 1 +0 )=W( f, w ¯ ; ξ 2 0 )=W( f, w ¯ ; ξ 2 +0 )=W( f, w ¯ ;π )=0,

将上述式子代入(15),可得

1 ρ 1 ( α 1 α 2 α 2 α 1 ) w 1 ˜ ¯ = f 1 ( 0 ) w ¯ 2 ( 0 ) f 2 ( 0 ) w ¯ 1 ( 0 ),

进一步有 w 1 ˜ = α 1 w 1 ( 0 ) α 2 w 2 ( 0 ) ,即(ii)得证。运用同样的方法,我们可以证明 u 1 ˜ = α 1 w 1 ( 0 ) α 2 w 2 ( 0 ) 成立,即(vi)得证。类似的,运用Naimark patching lemma可得(iii),(iv),(vii)成立。因此 T 是自伴算子。

由定理2.2易得如下两推论成立。

推论2.1 问题(1)~(7)的特征值均是实的。

推论2.2 问题(1)~(7)的对应于不同特征值 λ 1 ,  λ 2 的特征函数 y( x, λ 1 )=( y 1 ( x, λ 1 ) y 2 ( x, λ 1 ) ) z( x, λ 2 )=( z 1 ( x, λ 2 ) z 2 ( x, λ 2 ) ) 在如下意义下是正交的,即

0 ξ 1 [ y 1 ( x, λ 1 ) z ¯ 1 ( x, λ 2 )+ y 2 ( x, λ 1 ) z ¯ 2 ( x, λ 2 ) ]dx + d 2 d 1 ξ 1 ξ 2 [ y 1 ( x, λ 1 ) z ¯ 1 ( x, λ 2 )+ y 2 ( x, λ 1 ) z ¯ 2 ( x, λ 2 ) ]dx + d 2 d 4 d 1 d 3 ξ 2 π [ y 1 ( x, λ 1 ) z ¯ 1 ( x, λ 2 )+ y 2 ( x, λ 1 ) z ¯ 2 ( x, λ 2 ) ]dx + 1 ρ 1 y 1 ˜ z 1 ˜ ¯ + d 2 d 4 d 1 d 3 1 ρ 2 y 2 ˜ z 2 ˜ ¯ =0.

3. 基本解及特征值的性质

我们构造(1)的两个基本解

Λ( x,λ )={ ( ϕ 1 ( x,λ ) ψ 1 ( x,λ ) ), x[ 0, ξ 1 ), ( ϕ 2 ( x,λ ) ψ 2 ( x,λ ) ), x( ξ 1 , ξ 2 ), ( ϕ 3 ( x,λ ) ψ 3 ( x,λ ) ), x( ξ 2 ,π ].  Γ( x,λ )={ ( θ 1 ( x,λ ) χ 1 ( x,λ ) ), x[ 0, ξ 1 ), ( θ 2 ( x,λ ) χ 2 ( x,λ ) ), x( ξ 1 , ξ 2 ), ( θ 3 ( x,λ ) χ 3 ( x,λ ) ), x( ξ 2 ,π ].

其中 ( ϕ 1 ( x,λ ) ψ 1 ( x,λ ) ) 为(1)在 [ 0, ξ 1 ) 上满足初始条件 ( ϕ 1 ( 0,λ ) ψ 1 ( 0,λ ) )=( α 2 λ α 2 α 1 λ α 1 ) 的解; ( ϕ 2 ( x,λ ) ψ 2 ( x,λ ) ) 为(1)在 ( ξ 1 , ξ 2 ) 上满足初始条件 ( ϕ 2 ( ξ 1 +0,λ ) ψ 2 ( ξ 1 +0,λ ) )=BC( ϕ 1 ( ξ 1 0,λ ) ψ 1 ( ξ 1 0,λ ) ) 的解,这里 B= ( δ 1 δ 2 δ 1 δ 2 ) 1 C=( γ 1 γ 2 γ 1 γ 2 ) ( ϕ 3 ( x,λ ) ψ 3 ( x,λ ) ) 为(1)在 ( ξ 2 ,π ] 上满足初始条件 ( ϕ 3 ( ξ 2 +0,λ ) ψ 3 ( ξ 2 +0,λ ) )=DE( ϕ 2 ( ξ 2 0,λ ) ψ 2 ( ξ 2 0,λ ) ) 的解,这里 D= ( δ 3 δ 4 δ 3 δ 4 ) 1 E=( γ 3 γ 4 γ 3 γ 4 )

类似的, ( θ 3 ( x,λ ) χ 3 ( x,λ ) ) 为(1)在 ( ξ 2 ,π ] 上满足初始条件 ( θ 3 ( π,λ ) χ 3 ( π,λ ) )=( β 2 +λ β 2 β 1 +λ β 1 ) 的解; ( θ 2 ( x,λ ) χ 2 ( x,λ ) ) 为(1)在 ( ξ 1 , ξ 2 ) 上满足初始条件 ( θ 2 ( ξ 2 0,λ ) χ 2 ( ξ 2 0,λ ) )= E 1 D 1 ( θ 3 ( ξ 2 +0,λ ) χ 3 ( ξ 2 +0,λ ) ) 的解; ( θ 1 ( x,λ ) χ 1 ( x,λ ) ) 为(1)在 [ 0, ξ 1 ) 上满足初始条件 ( θ 1 ( ξ 1 0,λ ) χ 1 ( ξ 1 0,λ ) )= C 1 B 1 ( θ 2 ( ξ 1 +0,λ ) χ 2 ( ξ 1 +0,λ ) ) 的解。

下面考虑朗斯基行列式 W i ( λ )= ϕ i χ i θ i ψ i , i= 1,3 ¯ 。易知对于任意的 x[ 0, ξ 1 ),( ξ 1 , ξ 2 ),( ξ 2 ,π ] W 1 ( λ ) W 2 ( λ ) W 3 ( λ ) 均是关于 λ 的整函数。

定理3.1 对于每一个 λ ,等式

W 3 ( λ )= d 3 d 4 W 2 ( λ )= d 1 d 3 d 2 d 4 W 1 ( λ )

成立。

证明 根据 W i ( λ ) 的定义及转移条件可得结论成立。

下面,我们记

W( λ ):= W 3 ( λ )= d 3 d 4 W 2 ( λ )= d 1 d 3 d 2 d 4 W 1 ( λ ).

定理3.2 λ 0 是问题(1)~(7)的一个特征值,当且仅当 λ 0 W( λ ) 的零点,即 W( λ 0 )=0

证明(必要性) λ 0 是问题(1)~(7)的一个特征值, y( x, λ 0 )=( y 1 ( x, λ 0 ) y 2 ( x, λ 0 ) ) λ 0 对应的特征函数。

y( x, λ 0 )={ r 1 ( ϕ 1 ( x, λ 0 ) ψ 1 ( x, λ 0 ) )+ r 2 ( θ 1 ( x, λ 0 ) χ 1 ( x, λ 0 ) ), x[ 0, ξ 1 ), r 3 ( ϕ 2 ( x, λ 0 ) ψ 2 ( x, λ 0 ) )+ r 4 ( θ 2 ( x, λ 0 ) χ 2 ( x, λ 0 ) ), x( ξ 1 , ξ 2 ), r 5 ( ϕ 3 ( x, λ 0 ) ψ 3 ( x, λ 0 ) )+ r 6 ( θ 3 ( x, λ 0 ) χ 3 ( x, λ 0 ) ), x( ξ 2 ,π ],

r i ( i= 1,6 ¯ ) 至少有一个不为零,下面用反证法证明 W( λ 0 )=0

假设 W( λ 0 )0 ,即 W 3 ( λ 0 )= d 3 d 4 W 2 ( λ 0 )= d 1 d 3 d 2 d 4 W 1 ( λ 0 )0 ,则由 y( x, λ 0 ) 满足边界条件(2),且 ( ϕ 1 ( 0, λ 0 ) ψ 1 ( 0, λ 0 ) )=( α 2 λ 0 α 2 α 1 λ 0 α 1 ) 成立,可得

r 2 [ ( α 1 λ 0 α 1 ) θ 1 ( 0, λ 0 )( α 2 λ 0 α 2 ) χ 1 ( 0, λ 0 ) ]=0,

又因为 W 1 ( λ 0 )0 ,所以 r 2 =0 。同理, y( x, λ 0 ) 满足边界条件(3),且 ( θ 3 ( π, λ 0 ) χ 3 ( π, λ 0 ) )=( β 2 + λ 0 β 2 β 1 + λ 0 β 1 ) 成立,可得 r 5 =0

又因为 y( x, λ 0 ) 满足转移条件(4),(5),故可得

( r 1 ϕ 1 ( ξ 1 0, λ 0 ) r 1 ψ 1 ( ξ 1 0, λ 0 ) )= ( γ 1 γ 2 γ 1 γ 2 ) 1 ( δ 1 δ 2 δ 1 δ 2 )( ϕ 2 ( ξ 1 +0, λ 0 ) θ 2 ( ξ 1 +0, λ 0 ) ψ 2 ( ξ 1 +0, λ 0 ) χ 2 ( ξ 1 +0, λ 0 ) )( r 3 r 4 ),

( ϕ 1 ( ξ 1 0, λ 0 ) ψ 1 ( ξ 1 0, λ 0 ) )= C 1 B 1 ( ϕ 2 ( ξ 1 +0, λ 0 ) ψ 2 ( ξ 1 +0, λ 0 ) ),

从而得

( ϕ 2 ( ξ 1 +0, λ 0 ) θ 2 ( ξ 1 +0, λ 0 ) ψ 2 ( ξ 1 +0, λ 0 ) χ 2 ( ξ 1 +0, λ 0 ) )( r 3 r 1 r 4 )=( 0 0 ),

又因为 W 2 ( λ 0 )0 ,所以 r 3 r 1 =0 r 4 =0

同理,因为 y( x, λ 0 ) 满足转移条件(6),(7),类似的可得 r 3 =0,  r 6 =0

综上可得, r 1 = r 2 = r 3 = r 4 = r 5 = r 6 =0 ,这与 r i ( i= 1,6 ¯ ) 至少有一个不为零矛盾,故 W( λ 0 )=0

(充分性) W( λ 0 )=0 ,又因为 d 1 ,  d 2 ,  d 3 ,  d 4 都不等于0,故可得 W i ( λ 0 )=0 i= 1,3 ¯ ,所以存在 k i 0 ,使得 ( ϕ i ( x, λ 0 ) ψ i ( x, λ 0 ) )= k i ( θ i ( x, λ 0 ) χ i ( x, λ 0 ) ) ,其中 i= 1,3 ¯ 。从而可得, Λ( x, λ 0 ) 满足边界条件(3), Γ( x, λ 0 ) 满足边界条件(2)。又因为 Λ( x, λ 0 ) Γ( x, λ 0 ) 都满足转移条件(4)~(7),故 Λ( x, λ 0 ) Γ( x, λ 0 ) 是特征值 λ 0 对应的特征函数。

定理3.3 问题(1)~(7)的特征值是单重的。

证明 y( x,λ ) 是问题(1)~(7)的任一解,则有

τy( x,λ )=J y ( x,λ )+Q( x )y( x,λ )=λy( x,λ ),

对上式两端关于 λ 求导,可得

τ y λ ( x,λ )=J y λ ( x,λ )+Q( x ) y λ ( x,λ )=y( x,λ )+λ y λ ( x,λ ),

其中, y λ ( x,λ ) y( x,λ ) λ 求偏导。

由推论2.1可知,问题(1)~(7)的特征值均是实的,则对于任意的两个解 y( x,λ )  z( x,λ ) ,有

τ y λ ,z 1 y λ ,τz 1 = y+λ y λ ,z 1 y λ ,λz 1 = y,z 1 . (16)

通过分部积分,并进一步整理得

τ y λ ,z 1 y λ ,τz 1 = α 1 θ ¯ 1 ( 0,λ ) α 2 χ ¯ 1 ( 0,λ )+ d 2 d 4 d 1 d 3 [ ( β 2 +λ β 2 ) ψ 3λ ( π,λ )( β 1 +λ β 1 ) ϕ 3λ ( π,λ ) ]. (17)

W( λ ) 的定义和(16),(17),可得

W ( λ )| x=π = d W 3 ( λ ) dλ | x=π = d[ ϕ 3 ( π,λ ) χ 3 ( π,λ ) θ 3 ( π,λ ) ψ 3 ( π,λ ) ] dλ = d 1 d 3 d 2 d 4 [ y,z 1 + α 1 θ ¯ 1 ( 0,λ ) α 2 χ ¯ 1 ( 0,λ ) ] β 2 ψ 3 ( π,λ )+ β 1 ϕ 3 ( π,λ ). (18)

λ 0 是问题(1)~(7)的特征值,则有 W( λ 0 )=0 。因此存在非零常数 c j ,使得 ( θ j ( x, λ 0 ) χ j ( x, λ 0 ) )= c j ( ϕ j ( x, λ 0 ) ψ j ( x, λ 0 ) ), j= 1,3 ¯ ,由转移条件可得 c 1 = c 2 = c 3 0 ,且有 Γ( x, λ 0 )= c 1 Λ( x, λ 0 )

因为 α 1 ,  α 1 ,  α 2 ,  α 2 ,  β 1 ,  β 1 ,  β 2 ,  β 2 都是实的, d 1 ,  d 2 ,  d 3 ,  d 4 ,  ρ 1 ,  ρ 2 均大于零,方程(18)变为

W ( λ 0 )= d 1 d 3 d 2 d 4 { c ¯ 1 ( 0 ξ 1 | y( x, λ 0 ) | 2 dx+ d 2 d 1 ξ 1 ξ 2 | y( x, λ 0 ) | 2 dx + d 2 d 4 d 1 d 3 ξ 2 π | y( x, λ 0 ) | 2 dx )+ c 1 ρ 1 + 1 c 1 d 2 d 4 d 1 d 3 ρ 2 }0,

因此,问题(1)~(7)的特征值 λ 0 是单重的。

4. 格林函数和预解算子

这部分我们将考虑问题(1)~(7)的Green函数和预解算子。

λ 不是 T 的特征值。显然算子方程

( Tλ )Y=F, F= ( f( x ), f 1 ˜ , f 2 ˜ ) T , f( x )= ( f 1 ( x ), f 2 ( x ) ) T ,

等价于如下Dirac系统

J y ( x )=Q( x )y( x )+λy( x )+f( x ), xI, (19)

和边界条件

α 1 y 1 ( 0 ) α 2 y 2 ( 0 )λ( α 1 y 1 ( 0 ) α 2 y 2 ( 0 ) )= f 1 ˜ , (20)

β 1 y 1 ( π ) β 2 y 2 ( π )+λ( β 1 y 1 ( π ) β 2 y 2 ( π ) )= f 2 ˜ , (21)

以及转移条件(4)~(7)构成的问题。下面我们运用常数变易法来进行求解。

引理4.1 [6] Φ( x ) 为线性齐次方程组

Y =A( x )Y

的一个基本解矩阵,则线性非齐次方程组

Y =A( x )Y+F( x )

的通解为

Y( x )=Φ( x )C+Φ( x ) n x Φ 1 ( t )F( t )dt, (22)

这里 C n 为任意的常变量, A( x ) F( x ) 是定义在含 n 的某一区间上的连续函数。

上述(19)等价于如下方程组

( y 1 ( x ) y 2 ( x ) )=( q( x ) p( x )λ p( x )+λ q( x ) )( y 1 ( x ) y 2 ( x ) )+( f 2 ( x ) f 1 ( x ) ).

由于 λ 不是 T 的特征值,故 Λ( x,λ ) Γ( x,λ ) x[ 0, ξ 1 )( ξ 1 , ξ 2 )( ξ 2 ,π ] 上构成的朗斯基行列式 W( λ )0 ,所以构成了(1)的一个基本解矩阵。当 x[ 0, ξ 1 ) 时,对应的基本解矩阵为 ( ϕ 1 ( x,λ ) θ 1 ( x,λ ) ψ 1 ( x,λ ) χ 1 ( x,λ ) ) ,其逆矩阵为 ( χ 1 ( x,λ ) W 1 ( λ ) θ 1 ( x,λ ) W 1 ( λ ) ψ 1 ( x,λ ) W 1 ( λ ) ϕ 1 ( x,λ ) W 1 ( λ ) ) ,在(22)中取 n=0 ,此时(19)的解为

y( x,λ )=( c 1 ϕ 1 ( x,λ )+ c 2 θ 1 ( x,λ ) c 1 ψ 1 ( x,λ )+ c 2 χ 1 ( x,λ ) )+ 1 W 1 ( λ ) ×( 0 x { [ θ 1 ( x,λ ) ϕ 1 ( t,λ ) ϕ 1 ( x,λ ) θ 1 ( t,λ ) ] f 1 ( t )+[ θ 1 ( x,λ ) ψ 1 ( t,λ ) ϕ 1 ( x,λ ) χ 1 ( t,λ ) ] f 2 ( t ) } dt 0 x { [ χ 1 ( x,λ ) ϕ 1 ( t,λ ) ψ 1 ( x,λ ) θ 1 ( t,λ ) ] f 1 ( t )+[ χ 1 ( x,λ ) ψ 1 ( t,λ ) ψ 1 ( x,λ ) χ 1 ( t,λ ) ] f 2 ( t ) } dt ), (23)

将上式代入 x=0 点的边界条件(20),得 c 2 = f 1 ˜ W 1 ( λ )

x( ξ 1 , ξ 2 ) 时,在(22)中取 n= ξ 1 ,此时(19)的解为

y( x,λ )=( c 3 ϕ 2 ( x,λ )+ c 4 θ 2 ( x,λ ) c 3 ψ 2 ( x,λ )+ c 4 χ 2 ( x,λ ) )+ 1 W 2 ( λ ) ×( ξ 1 x { [ θ 2 ( x,λ ) ϕ 2 ( t,λ ) ϕ 2 ( x,λ ) θ 2 ( t,λ ) ] f 1 ( t )+[ θ 2 ( x,λ ) ψ 2 ( t,λ ) ϕ 2 ( x,λ ) χ 2 ( t,λ ) ] f 2 ( t ) } dt ξ 1 x { [ χ 2 ( x,λ ) ϕ 2 ( t,λ ) ψ 2 ( x,λ ) θ 2 ( t,λ ) ] f 1 ( t )+[ χ 2 ( x,λ ) ψ 2 ( t,λ ) ψ 2 ( x,λ ) χ 2 ( t,λ ) ] f 2 ( t ) } dt ). (24)

x( ξ 2 ,π ] 时,在(22)中取 n=π ,此时(19)的解为

y( x,λ )=( c 5 ϕ 3 ( x,λ )+ c 6 θ 3 ( x,λ ) c 5 ψ 3 ( x,λ )+ c 6 χ 3 ( x,λ ) ) 1 W 3 ( λ ) ×( x π { [ θ 3 ( x,λ ) ϕ 3 ( t,λ ) ϕ 3 ( x,λ ) θ 3 ( t,λ ) ] f 1 ( t )+[ θ 3 ( x,λ ) ψ 3 ( t,λ ) ϕ 3 ( x,λ ) χ 3 ( t,λ ) ] f 2 ( t ) } dt x π { [ χ 3 ( x,λ ) ϕ 3 ( t,λ ) ψ 3 ( x,λ ) θ 3 ( t,λ ) ] f 1 ( t )+[ χ 3 ( x,λ ) ψ 3 ( t,λ ) ψ 3 ( x,λ ) χ 3 ( t,λ ) ] f 2 ( t ) } dt ), (25)

将上式代入 x=π 点的边界条件(21),得 c 5 = f 2 ˜ W 3 ( λ )

接下来考虑转移条件(4)~(7)。将 c 2 = f 1 ˜ W 1 ( λ ) c 5 = f 2 ˜ W 3 ( λ ) 分别代入(23)和(25)。由转移条件(4),(5)可知 y( ξ 1 +0,λ )=BCy( ξ 1 0,λ ) ,进一步有

( c 3 ϕ 2 ( ξ 1 +0,λ )+ c 4 θ 2 ( ξ 1 +0,λ ) c 3 ψ 2 ( ξ 1 +0,λ )+ c 4 χ 2 ( ξ 1 +0,λ ) )=( c 1 ϕ 2 ( ξ 1 +0,λ ) f 1 ˜ W 1 ( λ ) θ 2 ( ξ 1 +0,λ ) c 1 ψ 2 ( ξ 1 +0,λ ) f 1 ˜ W 1 ( λ ) χ 2 ( ξ 1 +0,λ ) ) + 1 W 1 ( λ ) ( 0 ξ 1 [ θ 2 ( ξ 1 +0,λ ) ϕ 1 ( t,λ ) ϕ 2 ( ξ 1 +0,λ ) θ 1 ( t,λ ) ] f 1 ( t )dt 0 ξ 1 [ χ 2 ( ξ 1 +0,λ ) ϕ 1 ( t,λ ) ψ 2 ( ξ 1 +0,λ ) θ 1 ( t,λ ) ] f 1 ( t )dt ) + 1 W 1 ( λ ) ( 0 ξ 1 [ θ 2 ( ξ 1 +0,λ ) ψ 1 ( t,λ ) ϕ 2 ( ξ 1 +0,λ ) χ 1 ( t,λ ) ] f 2 ( t )dt 0 ξ 1 [ χ 2 ( ξ 1 +0,λ ) ψ 1 ( t,λ ) ψ 2 ( ξ 1 +0,λ ) χ 1 ( t,λ ) ] f 2 ( t )dt ) (26)

由转移条件(6),(7)可知 y( ξ 2 +0,λ )=DEy( ξ 2 0,λ ) ,进一步有

(27)

求解(26)和(27),可得 c 1 ,  c 3 ,  c 4 ,  c 6

将上述求得的 c 1 ,  c 2 ,  c 3 ,  c 4 ,  c 5 ,  c 6 代入解的表达式,我们即可得到(19)满足边界条件(20),(21)以及转

移条件(4)~(7)的解 y( x,λ ) ,将其写成分量 y( x,λ )=( y 1 ( x,λ ) y 2 ( x,λ ) ) 的形式,如下所示

若令 G( x,t,λ )=( G 11 ( x,t,λ ) G 12 ( x,t,λ ) G 21 ( x,t,λ ) G 22 ( x,t,λ ) ) ,其中

G 11 ( x,t,λ )={ 1 W 1 ( λ ) θ i ( x,λ ) ϕ j ( t,λ ), 0txπ, x ξ 1 , ξ 2 , t ξ 1 , ξ 2 , 1 W 1 ( λ ) ϕ i ( x,λ ) θ j ( t,λ ), 0xtπ, x ξ 1 , ξ 2 , t ξ 1 , ξ 2 ;

G 12 ( x,t,λ )={ 1 W 1 ( λ ) χ i ( x,λ ) ϕ j ( t,λ ), 0txπ, x ξ 1 , ξ 2 , t ξ 1 , ξ 2 , 1 W 1 ( λ ) ψ i ( x,λ ) θ j ( t,λ ), 0xtπ, x ξ 1 , ξ 2 , t ξ 1 , ξ 2 ;

G 21 ( x,t,λ )={ 1 W 1 ( λ ) θ i ( x,λ ) ψ j ( t,λ ), 0txπ, x ξ 1 , ξ 2 , t ξ 1 , ξ 2 , 1 W 1 ( λ ) ϕ i ( x,λ ) χ j ( t,λ ), 0xtπ, x ξ 1 , ξ 2 , t ξ 1 , ξ 2 ;

G 22 ( x,t,λ )={ 1 W 1 ( λ ) χ i ( x,λ ) ψ j ( t,λ ), 0txπ, x ξ 1 , ξ 2 , t ξ 1 , ξ 2 , 1 W 1 ( λ ) ψ i ( x,λ ) χ j ( t,λ ), 0xtπ, x ξ 1 , ξ 2 , t ξ 1 , ξ 2 ;

i= 1,3 ¯ , j= 1,3 ¯ .

又因为

W 3 ( λ )= d 3 d 4 W 2 ( λ )= d 1 d 3 d 2 d 4 W 1 ( λ ),

则可得

y(x,λ)= 0 ξ 1 G T ( x,t,λ )f( t )dt+ d 2 d 1 ξ 1 ξ 2 G T ( x,t,λ )f( t )dt+ d 2 d 4 d 1 d 3 ξ 2 π G T ( x,t,λ )f( t )dt   f 1 ˜ W 1 ( λ ) Γ( x,λ ) d 2 d 4 d 1 d 3 f 2 ˜ W 1 ( λ ) Λ( x,λ ). (28)

另一方面,把 t 看作是积分变量,我们有

M 0 ( G( x,,λ ) )= α 1 G 1 ( x,0,λ ) α 2 G 2 ( x,0,λ ) = 1 W 1 ( λ ) Γ( x,λ )[ α 1 ϕ 1 ( 0,λ ) α 2 ψ 1 ( 0,λ ) ] = 1 W 1 ( λ ) Γ( x,λ )[ α 1 α 2 α 1 α 2 ] = ρ 1 W 1 ( λ ) Γ( x,λ ), (29)

类似可得

M π ( G( x,,λ ) )= ρ 2 W 1 ( λ ) Λ( x,λ ). (30)

将(29),(30)代入(28),等式(28)又可表示为

y( x,λ )= 0 ξ 1 G T ( x,t,λ )f( t )dt+ d 2 d 1 ξ 1 ξ 2 G T ( x,t,λ )f( t )dt+ d 2 d 4 d 1 d 3 ξ 2 π G T ( x,t,λ )f( t )dt  + 1 ρ 1 M 0 ( G( x,,λ ) ) f 1 ˜ + d 2 d 4 d 1 d 3 1 ρ 2 M π ( G( x,,λ ) ) f 2 ˜ . (31)

现在定义

G ˜ x,λ =( G( x,,λ ) M 0 ( G( x,,λ ) ) M π ( G( x,,λ ) ) ), F=( f( x ) f 1 ˜ f 2 ˜ ),  F ¯ =( f( x ) ¯ f 1 ˜ ¯ f 2 ˜ ¯ ),

此时,(31)可表示为

y( x,λ )= G ˜ x,λ , F ¯ .

故预解算子 ( λ,T )= ( Tλ ) 1 可表示为如下形式

( λ,T )F=( G ˜ x,λ , F ¯ M 0 ( G ˜ x,λ , F ¯ ) M π ( G ˜ x,λ , F ¯ ) ).

5. 总结与展望

在文献[6]的基础上,本文研究了一类内部具有两个不连续点且边界条件均含谱参数的Dirac算子。分析了该算子的特征值的性质,给出了问题的格林函数和预解算子。本文将内部不连续点的个数从一个推广到两个,丰富了微分算子的谱理论。今后也可以进一步研究内部不连续点多于两个的情形。

基金项目

国家自然科学基金资助项目(12261066),内蒙古自然科学基金(2017MS(LH)0103, 2023LHMS01015)。

NOTES

*通讯作者。

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