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一類具有初邊值條件的非線性分數階微分方程組解的存在性與唯一性

2015-08-16 09:20:35李雪梅李輝來
吉林大學學報(理學版) 2015年3期

李雪梅,代 群,李輝來

(1.吉林大學 數學學院,長春 130012;2.長春理工大學 理學院,長春 130022)

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一類具有初邊值條件的非線性分數階微分方程組解的存在性與唯一性

李雪梅1,代 群2,李輝來1

(1.吉林大學 數學學院,長春 130012;2.長春理工大學 理學院,長春 130022)

考慮一類具有初邊值條件的耦合非線性分數階微分方程組解的存在性與唯一性問題,應用Schauder和Banach不動點定理得到了此類方程組解的存在性與唯一性條件.

耦合方程組;分數階微分方程;存在性;唯一性;Schauder不動點定理;Banach不動點定理

分數階微分方程在工程技術以及各種材料和工藝的遺傳特性描述中應用廣泛[1-6].文獻[7]討論了一個具有邊值條件的耦合分數階微分方程;文獻[8]分析了一種分數階微分方程系統.本文考慮具有兩點邊值條件的分數階微分方程組:

(1)

其中:0<αi≤1;01;Dαi表示Riemann-Liouville分數階微分.

定義2[10]令n-1<α≤n,n∈,則稱為α階Riemann-Liouville微分.

由分數階積分和微分的定義可知IαIβf(t)=Iα+βf(t),DαIαf(t)=f(t).

引理1初邊值問題(1)等價于如下方程組:

證明:對式(1)兩邊分別進行α1和α2次積分,得

由于u(0)=0,v(0)=0,從而C1=C2=0,證畢.

定理1(存在性) 若fi:Wi→(i=1,2)連續,則初邊值條件(1)有解(u(t),v(t)):[0,a*]→2.其中:

Wi=[0,a]×[Dmiu(0)-l1i,Dmiu(0)+l1i]×[Dniv(0)-l2i,Dniv(0)+l2i];

證明:令F(u(t),v(t))=(F1(u(t),v(t)),F2(u(t),v(t))),其中

由于函數Dm1u(s),Dn1v(s),(t-s)αi-m1-1在[0,a*]上連續,則DmiF1(t)在[0,a*]連續.同理DniF2(t)在[0,a*]上連續.于是,有

同理|DniF2(t)-DniF2(0)|

從而F(u(t),v(t))是有界且逐點定義的.

因此,如果|t2-t1|<δ,則

同理,有

從而得F(U)是一個等度連續集,于是F是一個全連續算子,再由Schauder不動點定理知,F有一個不動點(u(t),v(t)):[0,a*]→為方程(1)的解.

定理2(唯一性)w=[0,a*]×[Dmiu(0)-l,Dmiu(0)+l]×[Dniu(0)-l,Dniu(0)+l],若fi(s,Dmiu(s),Dniv(s))(i=1,2)在w上連續,并存在兩個正函數m(t),n(t)滿足:

且如果

成立,則方程(1)有唯一正解.其中:

證明:由定理1可知F(U)?U,

類似地,有

‖(Dm1u1(t),Dn1v1(t))-(Dm1u2(t),Dn1v2(t))‖∞≤k1‖(u1(t),v1(t))-(u2(t),v2(t))‖∞,

從而

同理有

|F2(u1(t),v1(t))-F2(u2(t),v2(t))|≤θ‖(u1(t),v1(t))-(u2(t),v2(t))‖∞,

|F(u1(t),v1(t))-F(u2(t),v2(t))|≤max{ρ,θ}‖(u1(t),v1(t))-(u2(t),v2(t))‖∞,

由定理1知F是全連續算子,又由Banach不動點定理可知,算子F在U中有唯一不動點,其即為方程組(1)的唯一正解.

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(責任編輯:趙立芹)

ExistenceandUniquenessforaCoupledSystemofNonlinearFractionalDifferentialEquationswithInitialValueConditions

LI Xuemei1,DAI Qun2,LI Huilai1

(1.CollegeofMathematics,JilinUniversity,Changchun130012,China;2.CollegeofScience,ChangchunUniversityofScienceandTechnology,Changchun130022,China)

We studied a coupled system of nonlinear fractional equations with initial value condition and got the existence and uniqueness of it by means of the Schauder fixed point theorem and Banach fixed point theorem.

coupled system;fractional differential equations;existence;uniqueness;Schauder fixed point theorem;Banach fixed point theorem

10.13413/j.cnki.jdxblxb.2015.03.03

2014-10-24.

李雪梅(1989—),女,漢族,碩士,從事偏微分方程的研究,E-mail:1304833191@qq.com.通信作者:李輝來(1962—),男,漢族,博士,教授,博士生導師,從事偏微分方程的研究,E-mail:lihuilai@mail.jlu.edu.cn.

國家自然科學基金(批準號:11271154).

O175.08

:A

:1671-5489(2015)03-0363-04

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