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微分方程解的研究一直以来都是人们最为关注的研究领域,大部分微分方程都是从实际问题中抽象建模而成的,所以我们在研究微分方程问题的时候,讨论其解的存在唯一性有着基础性的意义。其中,关于非线性微分方程有无解,其解是否存在唯一,解的稳定性如何,一直是个难题。微分方程边值问题的弱解。就是其相应泛函的临界点。在线性方程情形,其弱解就是使相应泛函取极小值,而在非线性方程情形,其相应泛函可能既没有上界,也没有下界。范猛,王克[29]清晰地介绍Yoshizawa,Massera利用推广的Brouwer型不动点理论和Liapunov法等理论把微分方程周期解的存在性和解的有界性建立了联系。
对于表征硬弹簧振动和牛顿运动的Duffing方程的周期问题,因涉及的领域广泛,众多学者对其进行了深入研究,得到了一系列重要而深刻的结果[3]-[11]。随着现代数学理论的不断发展,人们提出了许多研究微分方程周期解存在性的方法和工具。如抽象代数引理和傅里叶级数,非线性泛函分析,临界点理论,迭合度理论,最优控制论,大范围反函数理论等。
1973年,Ambeosetti,Rabionowitz和Ekeland提出著名的山路引理,山路引理给出了求证其对应泛函的临界点的方法,从而成为研究非线性微分方程边值问题的重要引理。本文主要运用山路引理的方法,分别尝试证明Duffing方程2π-周期解的存在性和非共振椭圆型方程解的存在性,使得常微分方程中的证明方法和理论得以向椭圆型方程领域扩展。
本文的主要研究成果是:
1.利用变分方法将一类无阻尼Duffing方程的周期边值问题转化为与之等价的非线性泛函的临界点问题,并利用山路引理证明这类Duffing方程2π周期解的存在性。
设条件(I)-(IV)满足:(I)g(u)∈C(R;R)并存在1≤a2),使|g(u)|≤a+b|u|a,a>0,b>0。(II)存在δ∈(0,1/2)及M>0,使G(u)=∫u0g(s)ds≤δug(u),A|u(t)|≥M,t∈[0,2π]。
(III)下面两个极限式成立,lim/u→0g(u,t)/u=0,对(u,t)∈R×[0,2π]一致;lim/u→+∞/g(u,t)=+∞,对(u,t)∈R×[0,2π]一致。(IV)e(t)有界。则Duffing方程u(t)+g(u)=e(t)存在2π-周期解。
2.证明一类具有Dirichlet边界条件的非共振二阶椭圆型方程在(L2(Ω))n空间上弱解的存在性问题。本文考虑Laplace算子的特征值问题,首先在每个有限维的步上,应用山路引理,证明在有限维子空间上,此类非共振椭圆型微分方程弱解的存在性,然后推广到(L2(Ω))n空间上证明其弱解的存在性,并由此推出具有Dirichlet边界条件的非共振二阶椭圆型方程弱解的存在唯一性。