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具阻尼项的高阶Emden-Fowler型泛函微分方程的振荡性

来源:哗拓教育
第54卷第4期 2015年7月 中山大学学报(自然科学版) ACTA SCIENTIARUM NATURALIUM UNIVERSITATIS SUNYATSENI Vo1.54 N0.4 Ju1. 2015 DOI:10.13471/j.enki.acta.snu8.2015.04.01 1 mden..Fowler 型泛 具阻尼项的高阶E 函微分方程的振荡性 杨甲山,覃学文 (梧州学院信息与电子工程学院,广西梧州543002) 摘 要:为了进一步发展和完善泛函微分方程的振荡理论,研究了一类具有阻尼项的高阶非线性变时滞Em. den—Fowler型泛函微分方程的振荡性。利用Riccati变换的技巧,借助于Hfilder不等式及一些分析技术,获得了 该类方程振荡的一些新的判别准则,这些准则推广并改进了现有文献中的一些结果,并以具体例子说明了本结 果的重要性。 关键词:振荡性;阻尼项;Emden—Fowler型泛函微分方程;Riccati变换 中图分类号:O175.7 文献标志码:A 文章编号:0529—6579(2015)04—0063—06 Oscillation of Hi er Order Emden.Fowler Functional Diferential Equations with Damping YANG Jiashan,Qm Xuewen (School of Information and Electronic Engineering,Wuzhou University,Wuzhou 543002,China) Abstract:In order to develop and improve the theory about oscillation of functional differential equa— tions,oscillatory behavior of a class of higher—order nonlinear variable delay Emden—Fowler functional dif- ferential equations with damping is studied.By using the generalized Riccati transformation,the HOlder inequality and some necessary analytic techniques,some new criteria for the oscillation of the equations are proposed.These criteria improve and generalize some corresponding known results.Some examples are given to illustrate the importance of the results. Key words:oscillation;damped term;Emden—Fowler functional differential equation;Riccati transfor- matjon 考虑如下一类具阻尼项的高阶非线性变时滞 Emden—Fowler型泛函微分方程 [A(t) 1( -1’(t))] +b(t) l( I1 (t))+ Q( ) 2( ( ( ))))=0,t≥t0 (1) (H。) (t)∈C([ ,+。。),(0,+∞)),且 r(f)≤t,lim r(£)=+∞。 t— +∞ (H )6(t)∈C ([t0,+∞),(0,+∞)),且 其中n≥2为偶数,t ≥0为常数, (t)= ( )+ P(t)g( (r(t))),A( ),P( ),Q( )∈C([t。,+ ∞),R), 1(u)=l“I y-1“, 2(u)=I l lf-1IZ(这里 (H3)存在常数Ol>0和0< ≤1,使得当 ≠ 0时有 u)/u≥Ol和g(u)/u≤ 。 >0,卢>0均为实常数); IZ),g( )∈C(R,R), 且当U≠0时 u)>0,ug(U)>0。本文总假设下 列条件成立: (H4)A(t)∈C ([t。,+∞),(0,+∞))且 A (t)>0;0≤P(t)<1;Q(t)>0。 收稿日期:2014~09—01 基金项目:广西教育厅科研资助项目(2013YB223);湖南省科技厅基金资助项目(2012FJ3107) 作者简介:杨甲山(1963年生),男;研究方向:微分差分方程、动力方程;E-mail:syxyyjs@163.eom 中山大学学报(自然科学版) 上 第54卷 (H5) 』1 e (一 圳 +00 o I d 】 ,这里p>O,q 我们称函数x(t)∈ ([ ,+∞),R)(Tx≥t。) 为方程(1)的一个解,如果A(£) ( ( ))∈ C ([ ,+∞),R)且在区间[ ,+00)上满足方 程(1)。方程(1)的一个非平凡解 (t)称为是 振荡的,如果它有任意大的零点,否则称它是非振 荡的。方程(1)称为是振荡的,如果它的所有解 都是振荡的。 近年来,对泛函微分方程的振荡和非振荡等定 性理论的研究成果非常丰富¨ 。关于方程(1) 的特殊情形及其振荡性结果见[1—4]。若方程 (1)中P(t) 0, u):U, =JB,贝0方程(1) 简化为 [ (t) 1( ’(t))] +b(t) ( ‘ 一¨(t))+Q(t) ( (8(t)))=0(2) 而方程r【 h二-≤ 、。且 (2)的振荡性文献0 > [5]也作了仔细研究, 并给出了3个非常有价值的振荡准则。本文的目的 是研究更一般的高阶Emden—. p 、 + Fowler型泛函微分方 程(1)振荡性,给出了几个新振荡准则,使得现 q 有文献中的许多结果成为本文结果的特殊情形,同 = 一P 1 时得到了当文献r●●●L o 6广●●J o [5]中定理2的条件(C )(其 它文献如g [6—19]亦有类似的条件)不成立时方 程(2)的振荡准则,推广了已有的结果。 1 几个引理 引理1 设“在[t。,+。。)上是正的n次可 微函数,u ’(t)最终定号,则存在t ≥t。和整数 f(0≤f≤n),当“ ’(t)≥0时,n+z为偶数;当 u (z)≤0时,n+f为奇数,使得 当f>0时有 ’(t)>0,t≥t ,k=0,1,…, 2—1;且当z≤n一1时有(一1) u (t)>0,t≥ t ,|ic=f,f+1,…,n一1。 引理2 设M满足引理1的条件,且 M ’(t) ’(t)≤0(t≥t ),则对任何 ∈(0, 1),存在常数M>0,使得对一切充分大的t有 u ( )≥Mt M (t)。 引理3 设a,b为非负实数,则Aab 一a ≤(A一1)b ,A>1,等号成立当且仅当a=b。 引理4设 (t)是方程(1)的最终正解,则 Z( )>0,Z ( )>0,z I1 ( )>0, (£)≤0。 证明完全类似于文[6]中的引理4,略。 b 引理5(Htilder不等式) ll )g( )I dx 2方程(1)的振荡准则 定理1 若存在函数P(t)∈C ([t。,+∞), (0,+∞)),使得当 ≤卢时 msu“ 。  II(P as) )一 n +∞(s I 厂  (3)当 > 时 t 一 l IP A(s) (一 n +∞ s)I J  (4)其中叼>0为某常数,常数 ,M如引理2,函数 (s)= Q(s)【1一ttP(8(s))]p,则方程(1)是 振荡的。 证明设方程(1)存在非振荡解 (t),不失 一般性,设 (t)>0, (丁(t))>0, (8(t))>0,t ≥T≥t。。由方程(1)并注意到条件(H ),得 [A( ) l( ‘ (t))]’+b(f) 1(z‘ ’(t)) ≤一 Q(t) 2( (6(t)))<0 (5) 由引理2,对0< <1,存在常数M>0,使得 (并应用引理4) z (∞(t))≥M8 (t)z‘ (6(t))≥ M8 一。(t)z‘ 一 ’(t) (6) 由 (t)的定义知 (t)≤z(t),于是由引理4知 (t)≤ (t)+P( ) ( (t))≤ (t)+ P( )z( (t))≤ (t)+ P( )z(t) 即 (t)≥[1一 P(t)]z(t)≥[1一 P(t)] ( )≥0 (7) 定义函数 =p ’ = ‘D,I I∞l£J J J ) , (8) 则V(t)>0(t≥T),注意到(5)、(6)和(7) 式,可以得到 c =p c ) 芝 + ,、[A(t) 1(z ’(t))] p ,— 一 第4期 杨甲山等:具阻尼项的高阶Emden—Fowler型泛函微分方程的振荡性 ) )一 一 ) 等 OM8 ㈤ )一 )一 卢蝴 ㈩ ) = )一 )_p( ㈤一 30M8 ㈤ t) (9) 下面分两种情形来讨论:(i) ≤卢;(ii) > 。 情形(i)当 ≤ 时,由(9)式,得 )≤ ㈤一 )-p( ㈩一 ))] I 【P t A t L  J ㈣] 由引理4知,z(t)>0, (t)>0,故存在常数 叼>0,使得当t≥T时, (∞(t))≥叩。于是由上 式,得 )≤ )一 )_p( ㈤一 叼 ㈣] ㈤+【 一粉 )一 [P(t)A(t)] ’、‘ )]孚(1、 0) A= ,。= l(P t  A t ()J- … , 6=(寿) I 一 I ‘ [P(t)A(t)] ‘ ’ [叼‘口-y)/"lfOM8 ( )6 (£)] ‘ ’ 将其代入引理3中的不等式,得  lP ()t— A (t )l ㈩一、  [P(t)A(t)] 引 ≤ 、 :i ± !: :: : ( 2 ( 2 l ( ) b( )l “ 矿 [卢 啪 (t)8 (t)] l P(t) A( )l 将上式代入(1O)式,得 )+ 。 L 0 O J II  P(t) 一 A(t)l l” 上式两边得分,即得 s 一 。  l一 n 咿) ) (11) 这就与(3)式产生了矛盾。 情形(ii)当y>卢时,由(9)式,得 )≤ )一 )_p( ㈤一 [ ()]‘t 7叩 [(P t)A  ( )] /p’ ) 由引理4知, 一 (t)>0,z (t)≤0,故存在常数 叼>0,使得当t≥TOe,z‘ ( )≤卵。于是由上式, 得 )≤ )一粉 )_p( (f)一 ‘ _卢’/卢[(P t) A t()]  ’ ㈩警 即 ㈩+[ 一 ] ㈤一 ㈣ A= ,口= 器 ,, 6=(南) 一 l 将兵代人引理3中的不等式,得  J一 一 。 ≤ I 一 r 将上式代入(12)式,得 P(t) (t)≤一V (t)+ 丑::![ ( ) ( 2] : l ( ) 6(t)l “ ( +1) [OM8 (f) (t)] l P(t) A(t)l 两边得分,可得 中山大学学报(自然科学版) 第54卷 I 一 r ) ) ) ㈩+ z㈩ 这就与(4)式产生了矛盾。定理证毕。 注1 由定理1的条件(3),(4)式知,当 >/3时和y</3时方程(1)的振荡准则是不一 样的;当y=/3时,若取P(t)=0, “)=u,则可 得方程(2)的振荡准则,这就是文献[5]中的 定理2;同时,当 =/3,P(t)兰0时的结果也为文 献[6]中定理1当Rj(t) 0时的结果。其它相 关结果可参看文献[8-20]及其参考文献。若定理 1中的条件(3)式或(4)式不满足,我们就有 下面的振荡准则。 定理2若y≤ ,且存在函数p(t)∈C ([ 。, +oo),(0,+∞)), 1(t), 2(t)∈L ([t0,+∞), R)使得对任意的“≥T,有 limsupl p(s) (s)ds≥ (u) (13) p』 I 一 1 Ⅱ (14) 并且函数 和 满足 f』 ‘ [ (s)一 :(s)] ” ds:+。。 (15) 其中T≥to = >0为某常数, [ 。(s)一鳝:(s)]+=max{[ (s)一 :(s)],0},函 数中(s)定义如定理1,则方程(1)是振荡的。 证明设方程(1)存在非振荡解 (t),不失 ——般性,设 ( )>0, (r(t))>0, ( (t))>0, £≥T≥£。。定义函数 (£)如(8)式,则由定理1 的证明可得(10)式和(11)式。于是由(11) 式,当t≥M≥T≥t0时,有 ’ lI P—(s) (A n s)l J ‘ 、 ) 上式意味着 li}ms— +∞ up J JJD(s) (s)ds≤V(u)+ ・  I一 注意到(13)、(14)式,由上式进一步可得 (72) 。(u)一 2(“)≤V(u),/Z≥T≥t0(16) 同时,对(1O)式两边积分,可得 f{【  [P(s)a(s)] [ )] 一 l 一粉 ) 咿 f P㈤ 由上式进一步可得 t 一 l 一 ≤ , c (17) 式中C。为某常数。至此,我们能断言 f『 ㈣] <+ 8) 若不然,则存在序列{Tn}: : ∈[ ,+∞), liar =+∞,使得 n +∞ 『. ㈣ …∞ 综合上式和(17)式,可知 一 ~(19) 因此,对充分大的正整数n,有 {fn [P(s)A(s)] 一 一 』1 l(P—s) (A s)l一 y-是,对充分大的正整数n及 ∈(0,1),由上式, 进一步有 =』! : ! 一… f [p(s)A尝 ( )] 一 另一方面,应用引理5,可得 I 一 7.1{【  [ p(s)A(s )] / ’ s)] J 第4期 杨甲山等:具阻尼项的高阶Emden-Fowler型泛函微分方程的振荡性 67 [叼‘脚 /v3/0M]- 1 :18 (s)6 (s)]青 :l 二塑:i [77‘口-7)/ ]寿 f【 "iftI(3/-7r)[P(s)a(s)]/v3/0MS n-2(s )8'(s)_[ ( )]孚d . , , ’ J { 一d 于是,由上式并利用(20)式,得 一 出< 圳 一 ds {【.1f  [P(s)a(s)] ’ 圳 d…J 1  [77 73/0M] [ (s) (s) )一I p(s一  ( ) I利用(14)式,知上式右边是有界的,这就与 (19)式产生了矛盾!所以(18)式成立。 因此,由(18)式(注意到(16)式),可得 f』 ㈤ ㈤ ≤ ㈣] <+∞ 这就与(15)式产生了矛盾!定理证毕。 结合定理1的第二种情形,利用与定理2完全 类似的方法可得: 定理3若 >13,且存在函数P(t)∈C ([t。, +∞),(o,+∞)), 1(t), 2(t)∈L ([t0,+∞), R)使得对任意的U≥T,有 1ifml up Jp( ) ( )ds≥ 1( ), ++∞ J 旆・ { fP(s) A一 (s)I ~ ≤ :( ) 并且函数 和 :满足 一 ・ [ l( )一 (s)]+(13 佃ds=+∞ 其中T≥t , >0为某常数,『 (s)一硭,(S)].: max{l -(s)一 z(s)J,0},函数 (s)定义如定理 1,则方程(1)是振荡的。 注2若方程(1)中 = ,P(t) 0, U) : ,则由定理2得到了当文献[5]中定理2的条 件(C。)不成立时方程(2)的振荡准则。 例1考虑如下4阶泛函微分方程 [ I ( ) )] + 『 (£)J ( )+ ÷)I (÷))= ≥l 这里 (£)= ( )+ ( ( t)),g(u): i , H)= [2 +In (1+ 。)]。 这是方程(1)的特殊情形:n=4,t。=1, =2,卢=—5 A(f): ,6(f):£一手,,7-( ): ( ) =÷,P( ): 1,Q( )=了1。则 <13,且 :/Z 2 2+1n (1+“ )≥2s : (“≠0), 星 :— 二= ̄/1+COS二  (“+3)二= ≤1: ( 一  ≠0),~  [ 唧(一 训 }【exp(一 s一 ds)] dM= e一}』u一}exp(}u一 )d“≥ e—f u-+(・+÷ )d 一+∞( 一+o。) 显然杀仟(H-)一(Hs)是满足的。于是由定理1 (取p(t)=1),得 s 一 ‘ JJ( P—s) (A rs) I 厂 护一 223-3sl/再2【S -5/2')。 『{÷一 2…1o-3{I s  t_15一+∞(_”  一+∞ —一 ,…32……, 因此定理1的条件全部满足,于是由定理1知此时 方程是振荡的。但文献[6.18]中的定理均不能用 于例1中的方;I旱 中山大学学报(自然科学版) 第54卷 参考文献: [1] KAMENEV I V.An integral cirterion for oscillation of linear diferential equations of second order[J].Math Zametki,1978,23:249-251. 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