维普资讯 http://www.cqvip.com 高校应用数学学报A辑 2007,22(1):35—42 App1.Math.J.Chinese UnivSer.A .高阶非线性阻尼脉冲微分方程解的振动性 潘立军 (嘉应学院数学系,广东梅州514015) 摘 要:研究了一类高阶非线性阻尼脉冲微分方程振动状态,得到振动解的充 分条件. 关键词:高阶;非线性;阻尼;脉冲微分方程;振动 中图分类号:O175.1 文献标识码:A 文章编号:1000—4424(2007)01—0035—08 关于二阶脉冲微分方程的振动性已有一些较好的结果 ,但对一般高阶脉冲微分方程 振动性的研究成果还是不多 引.本文研究高阶非线性阻尼脉冲微分方程,得到了解振动的充 分判据. 考虑高阶非线性阻尼脉冲微分方程 z 。一”(f)) +p(t)x 。一 (f)+f(t,z(f))一0,t≥to,t≠t , )一 (z“ (f )),i一0,1,…,2,z一1,k一1,2… (1) )一z , 这里,z为正整数,0<fo<f1<f2<…< <…,k一1,2,….1imt 一+∞,z(。 (f)一z(f). 下面四个条件是经常用到的 (A)r(f),P(f)在[f。,+。。)上连续,r(f)>O,f(t,z(f))在It。,+。。)×(一CxD,+。。)上连 续,xf(t,z)>0( ≠O),f(t,z)/ (z)≥q(f),q(f)在[f。,+。。)上连续,q(f)≥0,且在任何区 间[f,+。。)上不恒为零, (z)>O(z≠O), (z)≥O. (B)露 (z)在(一。。,+。。)上连续,且存在正常数日 , ,i=0,1,…,2n一1,使得 ≤ c ≤ a(i)ja =+。。; c liar……it a( 2n-1)唧 一~ 收稿日期:2005—05—08 基金项目:广东省自然科学基金(011471);广东省高校自然科学研究项目(0120) 维普资讯 http://www.cqvip.com 36 高校应用数学学报 第22卷第1期 记 ‘ 一 (t^+h)一 ‘ 一 (tk) ,.( ),。、 (一 1:~ ,.( ),。+、 1:. ‘ 一 (f^+^)一 ‘ 一 (f ) — , “ (f )一 ^—・一 0 ,‘ ^—・+ 0 nz一1,2,…,2 一1, k=1,2,…. 定义1函数 :It。,to+口)一R,to>O,a>O,称为(1)的解,若它满足: (i) “ (fjI)一 ,i一0,1,…,2 一1; (ii)当t∈It0,to+口),f≠ 时, (f)满足(r(f) ‘。一 (f)) +P(f) ‘。一 (f)+厂(f, (f))一0; (iii) “ (f)在t∈It。,t。+口)处左连续,且满足 “ (f )一 ( “ ( )). 定义2方程(1)的解称为非振动的,如果这个解最终为正或最终为负,否则称该解为 振动的,如果(1)式的所有解为振动的,则称(1)式为振动的. 由于高阶非线性脉冲微分方程可化为脉冲微分方程组,而对脉冲微分方程组的整体解 存在性可参看文[6].在下文中,总假定(1)的解在[f。,+∞)上是存在的. 引理1([6],Theorem 1.4.1).设 (A。)m∈PC (R+,R)且m(f)在t ,k一1,2,…处左连续, (A1)对k一1,2,…,f≥f0, m (f)≤P(f) (f)+g(f),t≠t^, (2) m(f )≤d m( )+b , (3) 这里P,q∈PC (R+,R),d ≥O,b 是实常数,则 砷)≤础o,f, <Ⅱ/fL<f , xp( (。 0 )+∑ (Ⅱ d p ’ + IⅡ exp(1 p(a)da)q(s)ds,f≥靠 (4) 0 s<tk<t 注1如果不等式(2)和(3)不等号相反,则不等式(4)的不等号相反. 引理2设 (f)为(1)的解,且条件(A)一(C)成立,又设对某一i∈{1,2,…,2 一1),存 在T≥f。,使当f≥ 时, ‘ (f)>O(<O), ‘… (f)≥O(≤O),则存在 ≥ ,使当f≥T1时, 有 ‘ D(f)>O(<O). 证 仅就括号外情形作证明(括号内情形类似可证).不妨设T--t。,当f∈[ ,+∞)时, 由 ( (f)>O, ‘… (f)≥0,下面证明,存在某个 ,tj>T时,有 “-1 (fJ)>O.若不然,对一切 t > 时,有 (H ( )≤0,因为 ‘ (f)>O,f≥T,知 ‘卜 (f)在( , + ]上单调增加,所以 (i-1)(f)≤0,f≥T.又因 ‘… (f)≥O,知 ‘ (f)>O且在( , + ]上单调不减,从而当t∈(f , to]时,有 ‘ (f)≥ ‘。(f ),特别地,有 “ (f2)≥ “ (f )>O, 同理,当∈(f。,ta]时, ‘。(f)≥ “ (f )≥口 x(t。)≥口;。 “ (f ),用归纳法可得 ‘ (f)≥ l I口{。 “ (f ), “一D(f )≥6{i-1)x“一D( ). (5) f1<tk<t 由引理1,得 x(i-1)(f)≥ c l (f}I)Ⅱ6£1<tk<t {H + ∽(f )l:Ⅱ6‘ls<tk<t { Ⅱnfl<tk< ds一 t [x(i-1)(t+ t . 1<f-<f l‘、‘ 、 1 ’ ds]一 . ㈤维普资讯 http://www.cqvip.com 潘立军:高阶非线性阻尼脉冲微分方程解的振动性 37 注意到口 >O,6li-1)>O由条件(C)知当t充分大时, “ (£)>O,与 “ (£)≤0矛盾.所以 存在某个 ,£,>T时,有 “ (£,)>o.则 “ (£ )≥口 i-1)x‘ (£,)>o,因为 ‘ (£)>o,所 以 “ (£)在(£,,tj+1]上单调增加,从而当t∈(£,,t川]时,有 “ (£)> “ (£ )>O特别 地,有 “ (£,+1)> “ (£ )>0,类似地有t∈(£,+l,t,+2]时,z“ (£)> “ (£ 1)≥ 口川(i-” “ (£川)>0.用归纳法可知t∈(£,+ ,t,+ +1]时, “ (£)>0,所以当t≥t,时, “ (£)>O.因此,存在T ≥ ,当£≥T 时,有 “ (£)>O. 引理3设 (£)为(1)的解,且条件(A)一(c)成立,又设对某一 ∈{1,2,…,2,2},存在 ≥£。,当£≥T时,有 (£)>O, “ (£)≤0,且 “ (£)在任何区间[£,+Cx3)上不恒为零,则当t 充分大时,有 “ ’(£)>O. 证 不妨设T一£。.下证对一切tk≥T,有 “ ( )>O.若不然,则存在某个tj≥T,使 c (£,)≤0.由 c (£)≤O知当愚≥ 时, “ (£)在任何一个(£ ,tk+1]上单调不增,又由条件 知 ∞(£)在任一区间[£,+Cx3)上不恒为零.故存在某个£r≥£,,使 “ (£)在(£r,£…]上不恒为 零,为方便起见,不妨设l=j,即 “ 在(£,,£ ]上不恒为零,从而有 ( D(£川)<z“ (£ )≤口 i-1) “ (£,)≤0, 又当tE( + ,tj+a]时,有 “一¨(£)≤ “一D(£++1)≤ 口,(i+-】¨ “一¨(£,+1)<:0, 由归纳法可得当tE(£ + ,tj+m+1]时,有 ‘ (£)<O.故在(£ +l,+Cx3)上有 “ (£)<O, “ ( )≤O.由引理2可得当t充分大时,有 “ (£)<O.依此类推,反复应用引理2,可得当t充 分大时,有 (£)<O.这与 (£)>O(£≥T)矛盾.故对一切的tk,有 “ (£ )>O,再由 “ (£) 在( ,tk+i]上单调不增,知当t充分大时,有z“ (£)>O。 引理4设 (£)为(1)的解,且条件(A)一(D)成立.又设存在T≥£o,当£≥T时,有 ( )>O。则存在丁 ≥丁及16{1,3,…,2 一1),使当£≥丁 时,有 j “ (£)>o, —o,1,…, j(一1) “ (£)>0, 一 +1,…,2n一1. (7) 证 不妨设T=t。.因 (£)>O(£≥£。),首先证明对一切 ≥T时 一”(£ )>O.若不然, 则存在某一自然数J使得 ,≥丁, ‘ (£,)≤O,由(1)及g(£)≥O,且在区间I-t。,+Cx3)上不恒 为零,知当(£ 一 ,ti+i], 一1,2,…时有 rczn,(£)+!: — r(2 r L J t—o, 即,  ̄x(2"-n(t)exp(f, (f .唧ds)] 一一 exp(』:, ds)≤。. ds)’ ds)≤ ㈣ 令 则s,(£)≤O,s(£)在区间( 一 ,tj+i]上单调不增.所以当t6(£,,£,+ ]时,s(£)≤s(£ )≤O,特别 维普资讯 http://www.cqvip.com 38 高校应用数学学报 第22卷第1期 地有s( + )≤s(f )≤0.当tE(f川,tj+z]时,s(f)≤s(f , /“川(2n-"s(t川)≤0,由归纳法知当 tE(f,+ ,tj+ + ]时,s(f)≤0,又由s(f)≤0及S (f)≤0,且在任何区间Et,+∞)上不恒为零, 可得t充分大时s(f)<0,从而t充分大时z 一 ’(f)<0.不妨设f≥ 时z‘ -”(f)<0.由此知 z(2一”(f )一 -1’(z‘ 一 ’( ))≤nj 一 ’z‘ 一 ’(f )<0.记z‘ 一 ’(f )一--a(a ̄O),又因s(f) 在区间( + ,tj+i]上单调不增.所以 于是 z(2H一¨(tj+l exp( ds)≤X(2n-1)c 一一口<。. z( 一1’(tj+l ≤一aexp(一 ds)<。. zc 一”(tj+z ≤一n (2+n -”口exp(一j. 。 _, ds)<0. (9) 同理有 由数学归纳法,得到当t∈(f,+ ,tj+m+1]时.有 一1)( )≤一口Ⅱ,t<f <f矿1 )exp(’ _ ’3 芸 ds)<0. 于z 一 (f )≤6{ ’z 一 ( ),k一 +1, +2,…,由引理1知 又由引理3知,当t充分大时z 一 (f)>0.为了方便起见,不妨设f≥ 时z 一 (f)>0.由 X(2n-2)(f)≤z (f )Ⅱ fJ一 <f^<f a“f:Ⅱ )U ll_a{z.-Dexp(一 .J5<f^<f <f^<5 f,\“J dv 一 / 、 ~J 、 t z,j<t^<f [ L 一 Ⅱ 唧(~, —jt<tk<s ,dv)ds]. 因为z 一 (f)>0(f≥f,),当f一∞时,(10)与条件(D)矛盾.因此z 一”( )>0,( ≥丁),又 因s(f)在区间( , + ]上单调不增,得s(f)>0,所以z‘ -1’(f)>0,tE( , + ].故f≥T时, 有z 一”(f)>0,从而有z 一 (f)在( , + ]上单调增加.若对一切t ,有z 一 ( )<0,这 时显然有z 一 (f)<0(f≥f。).若有某个t ,使z 一 ( )≥0,则由z 一 (f)的单调性及 n{ ’>0,6{ ’>0知当t>t 时,有z 一 (f)>0由此知存在丁 ≥丁,使下面两情形之一成 立: (A1)z‘ -1’(f)>0,z 一 ’(f)>0,t≥T1; (B1)z‘ 一 (f)>0,z‘ ’(f)<0,t≥T1; 当(A )成立时,利用引理2可知当t充分大时,有z 一 (f)>0.反复利用引理2,最终可得 当t充分大时,有 z‘ 一 ’(f)>0,z‘ 一 ’(f)>0,…,z (f)>0,z(f)>0. 当(B )成立时,类似前面的讨论,利用引理2可知当t充分大时,有z 一 (f)>0,且进一步 可推知存在丁 ≥丁 ,当f≥丁 时,有以下两种情形之一成立: (Az)z 一。’(f)>0,z 一 ’(f)>0,t≥Tz; (Bz)z‘ 一。’(f)>0,z‘ 一 ’(f)<0,t≥T2; 维普资讯 http://www.cqvip.com 潘立军:高阶非线性阻尼脉冲微分方程解的振动性 39 重复上述讨论,最终可得结论:存在丁 ≥丁及z∈{1,3,…,2n--1),使当£≥丁 时,有 f “’(£)>0,i一0,1,…,Z, 【(一1,-1 “’(£)>0, —z+1,z+2,…,2n一1. 注2 (£)为(1)的最终负解的情形,也有类似引理3、引理4的结论. 定理1 设条件(A)一(D)成立,且存在一个正整数点。使得口l∞≥1,志≥志。.如果 % 南q(s)exp ds=-q'-。。, … 则方程(1)的一切解振动. 证不失一般性,假设志。一1.如果(1)有一个非振动解 (£),不妨设 (£)>0(£≥£。).由 引理4及方程(1)知存在T ≥£。,当£≥丁 时,有 ‘ 一 ’(£)>0, (£)>0, (£)>0. (12) 不妨设T 一£。,令 一 , L L£J J 则“(£ )>0(志一1,2,…),“(£)>0(£≥£。).由条件(A),方程(1),得 “ (£)一一 p(t)x‘ 一 (£)一f(t( (£)) , (£)) r(t)x‘ ’(£) ( (£)) (£) ( (£)) ≤ 一 )一 ), (14) 又由条件(B)和口;o)≥1, ( )≥0,有 “( )一 ! ≤6l 月一1) ; ≤ ( (£ )) ≤6{ :二 : 一( (£ )) 6l 一”“(£ ). (15) ≤ 2n-l ̄exp(;:。 — x删一 ds一 唧\㈣ot—P (s )I s k ds].(16 由(11)(16)且“(£)>0,当£一。。时,矛盾.故方程(1)的一切解振动. 定理2设条件(A)--(D)成立,qg(ab) ̄qg(a)qg(b),口6>0,如果 lim……r' p(f0 +。。, (17) 证 如果(1)有一个非振动解 (£),不妨设 (£)>0(£≥£。).由引理4及方程(1)知存在 T ≥£。,当£≥丁 时,有 ‘ 一 (£)>0, (£)>0, (£)>0. 维普资讯 http://www.cqvip.com 40 高校应用数学学报 第22卷第1期 不妨设 一 令 ( )= (£)>0(£≥ ).容易得到 础 ,= 则 ( )≤一簧筹 ( )一g( ), ( )>o( 一1,2,…), ≤ ≤ (口{o)) (z( )) : (口lo))竹 。 、… 由引理1,得 Ⅱ< 唧If』一 p 一— P (v )I b ̄2.-1)唧 一 k 筹 x d =+o。, ]・㈣ ㈣ 由(17)(19)且 (£)>O,当t--}oofl ̄-,矛盾.故方程(1)的一切解振动. 推论1设条件(A)一(D)成立,且存在一个正整数k。使得口{o)≥1,6{2n--1)≤1,愚≥志o,如 果 则方程(1)的一切解振动. 证不失一般性,假设ko一1.由口lo)≥1,6{ D≤1,知 1 【,‘ ≥1.所以 p p ≥ 。 当£一o。时,由(20),(21)知(11)成立.由定理1,方程(1)的一切解振动. 推论2设条件(A)一(D)成立,且存在一个正整数ko和一个正常数a>O,使得 ≥1,南≥( ) ,(志≥ . 如果 lim…(22) …f' ∽exp(』=0 d 一+o。, (23) 则方程(1)的一切解振动. 证不失一般性,假设志。一1.由 ≥( ) ,得 k xpp(f0 d 一 +...+ (f0 d + q(s ̄exp(;。 d + 维普资讯 http://www.cqvip.com 潘立军:高阶非线性阻尼脉冲微分方程解的振动性 41 呀 .x 。 q(s)exp(fI d +南p d ≥ q(s'exp(I:。 d +...+ ≥ 沁 x ¨t3 t s d )¨…+ +lq(s'expt ll d M≥  ̄l If,ls"q(s)exp(fl。 ¨ s ̄q(s'exp(Ii。 ¨…+ -㈤唧 d —l…['s"q(s)exp( f:。 。。一南,+ 一 一 (24 志一+ ≥ —l : (25)f∈( , + ].当f一。。时,由(23),(24)知(11)成立.根据定理1,方程(1)的一切解振动・ — 推论3设条件(A)一(D)成立, (口6)≥ (口) (6),口6>0,存在一个正整数k。和一个正 凿狮d 0.傅得 ≥(tk +1] ≥ , 如果 lim一。。 s"q(s)exp 小:+∞, I1 一则方程(1)的一切解振动・ 推论3可由定理2推出,其证明类似推论2,这里省略・ 例1考虑方程 )一 z(2n 1 (f) 1z(2 ( t (k <z(志十 —z(志),z‘lI zlf 1 …’z I 2』 , f \ 其中 l。 :6l。,一1, :。一6{ 一 ki=l,2,'",2n-1,r(£)一1, (£):一÷,q(£)一去, (z) 一z.易见条件(A)一(D)成立,令矗。一1,a一1.则 1 一 一等且 21m f*j"q(s)exp(f'。袋舅 )ds一+∞・由推论2,方程(26)的一切解振动’ 例2考虑方程 维普资讯 http://www.cqvip.com 42 高校应用数学学报 第22卷第1期 f(tx(Z.-1)(£)) 一z(2一”(£)+ 1 z。(£)一0,£≥£。,£≠ , { )一 ) 一 【z( 1)一 1)一 , 这里nl0)一6{∞一 = ” 一1, (27) ,n 一6{。一1, 一1,2,…,2,z一1,r(£)一£,户(£)一一1,g(£)一 击, )一z3,易见条件(A)一(。)成立.令 。一 ,a一3,则喾 一( )。一(警)。 且 。g( )exp( 舅d )d 一+。。.由推论3,方程(27)的一切解振动. 。 参考文献: llation of a class of second order nonlinear ODE with impulses [1] Wu X L,Chen S Y,Tang H J.Osci[J].Appl Math Comput,2003,138:181—188. zhen.Oscillations of second order nonlinear ODE with impulses[J].J [2] Chen Yongshao,Feng WeiMath Anal Appl,1997,210:15O一169. aowan。Lokenath Debnath.0scillations of second—order nonlinear ordinary differential [3] Luo Jiequations with impulsesD].J Math Anal Appl,1999,240:1O5一n4. 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