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Duffing方程是一类重要的平面Hamilton系统,具有非常重要的物理意义。多年以来,Duffing方程解的有界性,无界性,周期解的存在性及多重性是比较活跃的研究课题。
Duffing方程具有如下形式:
x+f(x)=p(t),p(t+2π)=p(t),其中,p(t)是定义在R上的函数,f(x)是R上的连续函数。
著名的数学家J.Moser和L.Markus分别在1962年和1969年建议学者们研究During方程。数学家们运用临界点理论,相平面分析的方法和基于度理论的连续性方法等对Duffing方程周期解的存在性及解的多重性问题进行了大量的研究。英国著名数学家Littlewood研究了Duffing方程是否具有Lagrange稳定性,即:
(1)方程的每个解x(t)在R上存在;
(2)supt∈R(|x(t)|+|x(t)|)<+∞。数学家们通常把这一问题称为Littlewood有界性问题。
当Duffing方程中的连续函数f(x)在无穷远处具有线性增长速度,也就是说极限:
a:=limx→+∞f(x)/x,b:=limx→-∞f(x)/x存在且a≠b,这时我们把这类方程称为非对称方程。最简单的非对称方程具有如下形式
x"+ax+-bx-=p(t),其中x+=max{x,0},x-=max{-x,0),a≠b。著名数学家N.Dancer和S.Fucik分别在1976年和1980年在研究边值问题时就曾考虑过这类方程,他们称这种方程具有“跳跃非线性项”。另外,这种方程具有很强的物理背景,来源于吊桥问题或者源于两个弹簧中间有一个“stop”。所以对这类非对称方程进行研究,具有很强的理论意义和应用价值。数学家们主要考虑了此类非对称方程解的有界性,无界性以及周期解的存在性。
我们熟知的线性方程的一个重要结论是:如果线性方程存在周期解,则它的所有的解是有界的;或者根据Massera第二定理,如果方程不存在周期解,则所有的解是无界的。1998年,R.Ortega通过对非对称方程x"+ax+-bx-=p(t)解的无界性进行研究得出了周期解和无界解共存的条件。这与已知的线性方程的结果截然不同。这就是说,在合理的假设条件下,非对称方程无界解和周期解是可以共存的。而此类非对称方程解的有界性与1/√a+1/√b是否是有理数有着密切的关系。为此,我们需要将非对称方程分为两种情形进行讨论:
(1)当π/√a+π/√b∈Q时,称为resonance case;
(2)当1/√a+1/√b∈Q时,称为nonresonance case。
本论文主要研究了这种具有扰动的跳跃非线性项的方程,研究此类非对称方程在什么条件下所有的解是有界的?什么情况下存在无界解?是否会出现周期解和无界解共存的现象?
本文主要分成三部分:第一部分主要研究Liénard型的非对称方程周期解的存在性及解的无界性问题;第二部分给出了更一般的带有扰动项的Rayleigh方程存在无界解的充分条件;第三部分研究非对称方程
x"+ax+-bx-+g(x)=p(t)解的有界性和无界性问题,其中函数g(x)满足lim|x|→+∞x-1g(x)=0,这是本论文中最主要的部分。在该部分我们的主要结果是:在扰动项g(x)可以是振动的甚至可以是无界的条件下,得出了方程所有的解是有界的充分条件,并且给出了存在无界解的一些条件,即得到的结果几乎是一个充分必要条件。
论文的第一部分由第二章组成。我们研究了方程
x"+f(x)x+ax+-bx-+g(x)=p(t),其中,f(x)是连续函数,p(t)是2π周期的连续函数。主要研究了该方程周期解的存在性及解的无界性问题。对于这种方程,尽管数学家们给出了一些存在有界解和无界解的条件,但是大多数结果都要求非线性扰动项g(x)是有界的并且在无穷远处存在极限这一条件。我们经过研究得出该条件可以减弱为g(x)是有界的并且存在广义极限,即limx→±∞(1/x)∫x0g(s)ds=G±存在且有限。也就是说函数g(x)在无穷远处是可以振动的。对于这类方程我们分别在resonance case和nonresonance case下进行研究,给出了方程存在无界解的充分条件。主要结果是定理2.1,定理2.2和定理2.3。
论文的第二部分是第三章。在第三章,我们考虑了方程
x"+ax+-bx-+φ(x)ψ(x)+f(x)=g(x)=p(t)在resonarice case和nonresonance case下的解的无界性问题。该方程中f(x)是局部Lipschitz连续的有界函数且在无穷远处存在广义极限,φ(x),ψ(x),g(x)是连续函数,p(t)是2π周期的连续函数。对于这种依赖于导数项的方程,解的无界性问题很少有人进行研究,因此我们考虑了此类方程周期解的存在性及存在无界解的条件。主要结果是定理3.1,定理3.2,定理3.3和定理3.4。
第四章是论文的第三部分。在这一章,我们着重研究非对称方程x"+ax+-bx-+g(x)=p(t)解的有界性和无界性问题。首先,我们研究了该方程在扰动项g(x)是无界的条件下所有解有界的充分条件。通过时间映射τ(h)在Poincaré映射中的表示形式,利用马世旺教授和吴建宏教授得出的Moser小扭转定理,以及严格的余项估计后,我们得出了非对称方程在扰动项g(x)可以振动甚至是无界的条件下,方程的所有解是有界的充分条件,主要的结果是定理4.1,定理4.2和定理4.3;其次我们对抽象映射:进行研究,给出了抽象映射存在无界解的条件;最后,利用该结果对上述的非对称方程解的无界性进行研究,在扰动项g(x)是无界的条件下,证明了方程存在无界解,主要结果是定理4.4和定理4.5。