陽(yáng)廣志,謝 峰
(東華大學(xué) 應(yīng)用數(shù)學(xué)系,上海 201620)
含不連續(xù)系數(shù)的時(shí)滯微分方程奇攝動(dòng)邊值問(wèn)題
陽(yáng)廣志,謝 峰
(東華大學(xué) 應(yīng)用數(shù)學(xué)系,上海 201620)
研究一類含不連續(xù)系數(shù)的二階時(shí)滯微分方程的奇攝動(dòng)問(wèn)題.原問(wèn)題可看作左問(wèn)題與右問(wèn)題的藕合,利用邊界層函數(shù)法分別構(gòu)造左右問(wèn)題的漸近解從而得到其解的零階近似, 再利用縫接法得到整個(gè)區(qū)間上的解,最后運(yùn)用上下解引理證明解的存在性.
時(shí)滯;不連續(xù)系數(shù);奇攝動(dòng);上下解;縫接法
關(guān)于時(shí)滯微分方程的邊值問(wèn)題已受到廣泛而深入的討論[1-5], 但主要都集中在連續(xù)情形下的奇異攝動(dòng)時(shí)滯問(wèn)題[6-10], 對(duì)一些含不連續(xù)系數(shù)或不連續(xù)源項(xiàng)的奇攝動(dòng)時(shí)滯問(wèn)題研究相對(duì)較少. 近幾十年來(lái), 在物理、 化學(xué)、 生物以及環(huán)境學(xué)等許多領(lǐng)域的數(shù)學(xué)模型都可歸結(jié)為帶有不連續(xù)系數(shù)或不連續(xù)源項(xiàng)的奇攝動(dòng)時(shí)滯問(wèn)題,并備受研究者重視,但研究主要集中在數(shù)值方法方面[11-12].2015年,Subburayan[12]研究了一類具有不連續(xù)對(duì)流系數(shù)的二階線性奇攝動(dòng)時(shí)滯問(wèn)題,并結(jié)合文獻(xiàn)[13]給出了分段線性插值Shishkin網(wǎng)格的數(shù)值方法.
本文主要研究下述含不連續(xù)源項(xiàng)的時(shí)滯微分方程的奇攝動(dòng)邊值問(wèn)題
εx″(t)+f(t,x(t))x′(t)=g(t,x(t),x(t-τ)),t∈(0,τ)∪(τ,1),
(1)
x(t)=φ(t),t∈[-τ,0];x(1)=A.
(2)
其中
考慮如下非線性邊值問(wèn)題
x″(t)=f(t,x(t),x(t-τ),x′(t)),t∈(0,τ)∪(τ,1),
(3)
x(t)=φ(t),t∈[-τ,0];x(1)=A.
(4)
其中
引理1 假設(shè)(H1)f(t,x,y,z)于[0,τ)∪(τ,1]×R3上連續(xù),且對(duì)?r>0,存在[0,+∞)上的正值連續(xù)函數(shù)h(s)滿足
且當(dāng)t∈[0,1],|x|≤r,|y|≤r,|z|<∞時(shí)有
|f(t,x,y,z)|≤h(|z|).
(H2)f(t,x,y,z)關(guān)于y單調(diào)不增.
(H3)存在函數(shù)α(t),β(t)∈C[-τ,1]∩C2[0,τ)∪(τ,1],滿足
α(t)≤β(t),t∈[-τ,1];α′(τ-)≤α′(τ+),β′(τ-)≥β′(τ+),
α″(t)≥f(t,α(t),x(t-τ),α′(t)),t∈(0,τ)∪(τ,1),
β″(t)≤f(t,β(t),x(t-τ),β′(t)),t∈(0,τ)∪(τ,1)
則?φ(t)∈C[-τ,0],當(dāng)α(t)≤φ(t)≤β(t),t∈[-τ,0],α(1)≤A≤β(1)時(shí),邊值問(wèn)題(3)~(4)有解x(t)∈C1[-τ,1]∩C2([0,τ)∪(τ,1]), 滿足
α(t)≤x(t)≤β(t),t∈[0,1].
(5)
其中
yβ(τ)=β(t-τ),yα(τ)=α(t-τ).
又令
有解.
下面先證明解x(t)滿足不等式(5).以下只證明x(t)≤β(t)(因?yàn)棣?t)≤x(t)可類似處理). 用反證法, 設(shè)存在一點(diǎn)t0∈[0,1]使得x(t0)>β(t0), 則由于x(0)=φ(0)≤β(0), x(1)=A≤β(1), 函數(shù)x(t)-β(t)必在(0,1)內(nèi)的某點(diǎn)ξ處取正的極大值, 從而x(ξ)>β(ξ), x′(ξ)=β′(ξ), x″(ξ)≤β″(ξ). 但依據(jù)(H2)和(H3), 當(dāng)ξ∈(0,τ)時(shí),有
這與x″(ξ)-β″(ξ)≤0矛盾.
同理當(dāng)ξ∈(τ,1)時(shí)也推出矛盾.
當(dāng)ξ=τ時(shí),x(t)-β(t)在τ處取得正的極大值,從而有
類似可得x″(τ+)-β″(τ+)>0,這與x″(τ±)≤β″(τ±)矛盾.
再證|x′(t)|≤M(0≤t≤1),若此不等式不成立,即存在一點(diǎn)t1∈[0,1],使得|x′(t1)|>M.由中值定理,必存在ξ∈(0,1)使得x′(ξ)=x(1)-x(0),故|x′(ξ)|≤2r.又從x′(t)的連續(xù)性知,存在τ1,τ2∈[0,1],使得
|x′(τ1)|=2r,|x′(τ2)|=M,
且當(dāng)τ1 這與M的取法矛盾, 故|x′(t)|≤M(0≤t≤1). 即有|x(t)|≤M(0≤t≤1), 從而x(t)就是原問(wèn)題的解. 由于原問(wèn)題在t=τ處間斷, 所以會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部層, 因此可以把問(wèn)題(1)~(2)看成是以下兩個(gè)問(wèn)題的光滑連接. 左問(wèn)題PL: εx″(t)+f1(t,x(t))x′(t)=g1(t,x(t),φ(t-τ)),t∈(0,τ), (6) x(0)=φ(0),xL(τ)=γ(ε). (7) 右問(wèn)題PR: εx″(t)+f2(t,x(t))x′(t)=g2(t,x(t),x(t-τ)),t∈(τ,1), (8) xR(τ)=γ(ε),x(1)=A. (9) 其中γ(ε)是與ε有關(guān)的待定參數(shù). 現(xiàn)作如下假設(shè): (ⅰ) 函數(shù)f1(t,x), g1(t,x,y)在[0,τ]×R3上連續(xù), f2(t,x), g2(t,x,y)在[τ,1]×R3上連續(xù), 且gi(i=1,2)關(guān)于y單調(diào)不增; (ⅱ) 初值問(wèn)題f1(t,x(t))x′(t)=g1(t,x(t),φ(t-τ)), x(0)=φ(0)有解φ1(t)∈[0,τ]; (ⅲ) 初值問(wèn)題f2(t,x(t))x′(t)=g2(t,x(t),x(t-τ)), x(1)=A有解φ2(t)∈C2[0,1]; (ⅳ) f1(t,x)≤-σ1<0,(t,x)∈[0,τ]×R; f2(t,x)≥σ2>0,(t,x)∈[τ,1]×R. 首先考慮左問(wèn)題的漸近解構(gòu)造, 假設(shè)左問(wèn)題PL的形式漸近解表達(dá)式為 (10) 其中 (11) VL(η)=V0L(η)+εV1L(η)+ε2V2L(η)+…, (12) γ(ε)=γ0+εγ1+ε2γ2+…. (13) 將式(10)代入式(6)并分離變量,再根據(jù)ε同次冪系數(shù)相等, 可得到一系列遞推等式. 為了簡(jiǎn)單起見(jiàn), 以下只考慮零階近似. (14) 同時(shí)可得邊界層項(xiàng)V0L(η)滿足如下邊值問(wèn)題 (15) (16) 由文獻(xiàn)[16]中引理1以及條件(ⅰ),(ⅱ),(ⅳ)可知, 邊值問(wèn)題(15)~(16)存在解V0L(η)且滿足指數(shù)估計(jì), 即存在正常數(shù)K1, 使得 |V0L(η)|≤K1exp(σ1η). 因此, 可得左問(wèn)題的零階近似漸近解形式為 xL(t)=φ1(t)+V0L(η),t∈[0,τ]. (17) 同左問(wèn)題, 可得右問(wèn)題的零階近似漸近解形式為 (18) (19) 邊界層項(xiàng)V0R(η)滿足邊值問(wèn)題 (20) (21) 由文獻(xiàn)[16]中引理2以及條件(ⅰ),(ⅲ),(ⅳ)可知, 邊值問(wèn)題(20)~(21)存在解V0R(η)且滿足指數(shù)估計(jì), 即存在正常數(shù)K2, 使得 |V0R(η)|≤K2exp(-σ2η). 為了使左問(wèn)題的解與右問(wèn)題的解在t=τ處光滑連接,須有 (22) (17),(18)代入代(22)得 (23) (24) 同理, 由式(20)和(21)可推出 (25) 將式(24), (25)代入式(23)得 (26) 易知式(26)的右邊是負(fù)值, 則γ0可以由式(26)決定.同理γi(i≥1)也可由此遞推得到. 因此, 可得問(wèn)題(1)~(2)的形式漸近解. 定理1 假設(shè)條件(ⅰ)~(ⅳ)成立, 則對(duì)于充分小的ε>0, 邊值問(wèn)題(1)~(3)有一個(gè)C1光滑解x(t)滿足 其中 現(xiàn)證明定理1,首先構(gòu)造合適的上下解.記 根據(jù)近似解的構(gòu)造過(guò)程和假設(shè)(ⅰ)知, 存在正常數(shù)M使得 |εx″(t)+f(t,x(t)x′(t)-g(t,x(t),x(t-τ)))|≤Mε2,t∈[0,1], (27) (29) 令 其中 容易驗(yàn)證, λ(t)是一個(gè)正值連續(xù)函數(shù)且具有如下性質(zhì) (30) (31) 再依據(jù)式(29)~(30), 有 α(t),β(t)∈C([0,1]),α(t)<β(t),t∈[0,1],2 漸近解的構(gòu)造
3 定理的證明