中立型Emden-Fowler微分方程的振动性
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数学物理学报 2017,37A(6):1062—1069 http://actams.wipm.ac.cn 中立型Emden.Fowler微分方程的振动性 ,。李文娟 ,。汤获 。俞元洪 ( 赤峰学院数学与统计学院 内蒙古赤峰024000;。赤峰学院应用数学研究所 内蒙古赤峰024000 。中国科学学院数学与系统科学研究院 北京100190) 摘要:该文主要研究了二阶中立型Emden-Fowler微分方程 (r(t)1 (t)i 一 (t)) +p(t)lz ( )l 一 (t)+g( )1z( (£))1 一 z( (t))=0 的振动性,其中z(t)=x(t)+9(t)z(7_(t)).利用广义Riccati变换和积分平均技巧建立新的振 动准则,推广和改进了一些文献中的结果. 关键词:Emden-Fowler方程;中立型微分方程;振动性. MR(2010)主题分类:34C10;34C15 中图分类号:O175.27 文献标识码:A 文章编号:1003—3998(2017)06—1062—08 1 引言 本文考虑中立型Emden-Fowler微分方程 (r( )1 (£)la--iz ( )) +p( )j名 (£)lo ̄-1z ( )+g( )Iz( (t))f ~ ( ( ))=0, (E) 其中z(t):x(t)+9( ) (7-(t)),r(t)∈C ([to,。。), ),p( ),q(t)∈c([t0,oo), ), 和 是两个常 数,并且满足如下条件 (口1) >0, >0; (H2)0 g(t) 1,p@) 0,q(t) 0; (风)r(t)>0,rt( )>0,R(t):. r一吉(s)ds; (月_4)r( )∈C ([to,。。), ),7_( ) t,.1ari T(t)=。。, (t)∈C ([to,。。), ), ( )>0, 盯( ) t, ( )>0,.1im ( )=。。. 设Tx=min{T(T), ( )),T to.我们称x(t)为方程(E)的一个解,是指函数x(t)∈ c ([ ,。。), )使得r( )fz )l一 Z/( )∈C ([ ,∞), )且在[ ,。。)上满足方程(E).本文仅 考虑方程(E)的非平凡解,即方程(E)在 ,。。)上的解满足sup{Ix(t)l:t T)>0对一 收稿日期:2016—06—22;修订日期;2017—02—03 E.mail:liwenjuan19821015@163.corn 基金项目:国家自然科学基金(11561001)、内蒙古自然科学基金(2014MS0101,2017MS0113)和内蒙古高等学 校科研基金(NJZY173O1) Supported by the NSFC(11561001),the Natural Science Foundation of Inner Mongolia (2014MS01O1,2017MS0113)and the Higher School Foundation of Inner Mongolia(NJZY17301) No.6 李文娟等:中立型Emden.Fowler微分方程的振动性 1063 切T 成立.方程(E)的解称为振动的,如果它有任意大的零点,否则,称它为非振动 的.方程(E)的一切解均振动,则称方程(E)为振动的. 近年来,中立型Emden.Fowler微分方程的振动性理论及其应用受到很大的关注,出现 了大量的研究成果(参见文献[1-10]).下面是几个重要的特例.文献[2]考虑的微分方程 (r( ) )) +q(t)x(t)=0 文献f3J考虑的二阶时滞微分方程 (x(t)+p(t)x(t一7_)) +q(t)x(t一 )=0. (1.2) 文献[4】考虑的二阶时滞微分方程 (r(£)l (t)l 一 ( )) +q@)I ( ( ))I卢一 ( ( ))=0. (1.3) 1 d 。。, 一 则方程(1.1)振动. 定理B【3]设0 p(t) 1,q(t) 0,且 ,C,O / g(s)[1一p(s一 )]ds=。。, I,to 则方程(1.2)振动. 文献[1】和[4]利用Riccati方法和积分平均技巧建立方程(1.3)新的振动准则,推广和 改进了一些文献中的结果.本文研究的方程(E)形式上更为广泛,所得结果将推广和改进已 有文献的结果. 令 ( )=oxp(f:o _pi  ̄ d ).用 ( )乘以方程(E)的两端,则( )变为 ( @)r@)f )fo ̄-1z @)) + @)g@)I (盯@))I 一 ( @))=0,t≥t0 令R(t)= (£)r(t),Q(t)= (t)q( ),可得 (R(t)Jz ( )l 一 z (t)) +Q(t)I ( (£))J卢~ (仃( ))=0,t t0 -ViNCtN种情况讨论方程(E)的解的振动性,即 ( )上dt=∞, ( ) (南)吉 。。. ( ) 1064 数学物理学报 、,o1.37A 2主要结果及证明 引理1设x(t)是方程(E)的最终正解且条件( 1)成立,则z )>0. 证因为x(t)是方程(E)在【to,。。)上的最终正解,则存在t1 t0,使得当t t1时有 x(t)>0, (7-( ))>0, ( ( ))>0.由方程(E)和( ),我们得到 z(t) x(t)>0,( ( )r( )I @)lc ̄-1 @)) 0,t t1 (2.1) 因此 (£)r(£)1 )I一 )是非增函数且 )最终保号,于是 )仅有两种可能. 我们断 言Z/( )>0,t 2 t1.否则,假设 )<0,t t1,由(2.1)式知,存在常数h使得 一R( )(一Z ( )) 一R( 1)(一 (£1)) =一h<0,t tl, 即 ( ) 一 吉(R( ))一 1,t t1. 从t1到t积分上式,我们得到 ) 一 吉 R (s)dsj£ . (2.2) 上式中令t一。。,由条件(c1)得z(£)一一∞.此式与(2.1)式矛盾,故假设不成立. I 引理2设x(t)是方程(E)的最终正解且条件( 1)成立,令 )= 则有不等式 )+ 半㈤<01 t (2.3) 其中 =min{oL, ),0<m 1,O(t)=Q( )【1—9( ( ))] . 证因为 ( )是方程(E)在[to,。。)上的最终正解,则存在T to使得当t T时,有 x(t)>0, (7.( ))>0, ( (t))>0.由引理1知z )>0.方程(E)变为等价方程 (R(£)( ))。) +Q(t)x卢( ( ))=0,t T. (Eo) 由于z(t)=x(t)+g( ) (丁( )) 故由(Eo)可得 (R( )(z ( ))“) +Q( ) ( ( ))一9( ( )) (丁( (t)))】 =0. 注意到(2.1)式,上式变为 (R@)( @)) ) +Q(t)zZ(a(t)) o,t T, ( ) 其中 ( )=Q( )[1一夕( ( )) 由( )和W(t)的定义可知 ( ) 一虿( )一R( )(z (t))。 , . (2.4) 当OL 时,由方程(Eo),我们得到R( )( )) 为减函数,即 R( )(z )) R(cr( ))( (t))) , No.6 也即 李文娟等:中立型Emden-Fowler微分方程的振动性 1065 ㈤) ( 由上式和(2.4)式,可得 )丢 . ( , 州 一 一 )吉 其中m :min{z if ̄-c ̄( ( )),1).又 譬( (t)) (盯( )) m ,故有 a+l㈤. (2.5) 当 > 时,由方程( ),我们得到 (R(t)( )) ) =( (t)r(t)( )) ) 0, 尽|J )r@)( )) + (£)r )(z )) + )r(£)(z )) 一 @) 0. 而由上式可得 ) 0.易得 ) ( ( ))和( ))卜号 ( ( ))卜号 m ,其中 m =min{(z )) 一号,1).再由上式和(2.4)式,可得 ㈤一 一 蒜 R 百f亡1 ㈤, 。㈤ ._( 综上所述,有 ). (2.6) _.( 其中m=min{m ,m ), =min{a, ).证毕. A丁+I㈤,t I 定理1设(Hi-(Ha)和条件(C1)成立,存在p(t)∈C ([to,。。), +)使得条件 卜 。。 c 成立,其中入:min{a, },0<?Tt l, (£):Q(t)[1一g(盯(t)) 则方程(E)振动. 证设x(t)是方程(E)的非振动解.不失一般性,设x(t)为【to,。。)上的最终正解 (x(t)<0的情况类似的分析成立),则由引理2,有 )+ )<0, (2.7) 1066 数学物理学报 Vr0j.37A 上式两边同时乘以p(£)并从 到t积分,可得 ) (s)ds<_it ) )(1s一 ) p(T)W(T)一p(t) (t) +(s)ds 肌(s) ㈦ 和(2.8)式,可得 ) ㈤)A十 , . 8) ds 由不等式Bu~ ds%p( ( 则 卜 ]ds<。。. 上式与条件( )矛盾,故z( )是方程(E)的振动解.证毕. 推论1当p(t)=0时,方程(E)可化为Emden-Fowler型微分方程 (r( )) ( )『。一 ( )) +g( )『 ( ( ))l 一 ( ( ))=0 此时,方程的振动条件(C2)变为 一 。。, 其中A:min{c ̄, ),0<m 1,Q(t):q(t)[1—9(仃(t))] . 注1文献[4】中的定理2.1和定理3.1是我们定理1的特例.推论1也包含且统一了 文献[4]中的定理2.1和定理3.1的结果.推论1推广并改进了文献…中定理2。1的结果. 文献【1]中的定理2.1仅得到当 >0时方程的解振动或渐近趋向于零的结果,而我们 得到对任意OL>0, >0时方程的一切解振动的条件. 推论2当p(t):1时,方程的振动条件( )变为 。。, 其中 ( )=0(011— ( ( )) 注2推论2推广了文献[2]中的定理A和文献[3】中的定理B.定理1推广、改进并统 了著名的Leighton振动准则和Grammatikopoulos振动准则. 定理2设(H1)一(凰)和条件(C1)成立,且 一iminr丽1 。。 …, c 其中Ql( )= Q(s)ds,A=min{ ̄, },0<m 1,则方程(E)振动. No.6 李文娟等:中立型Emden-Fowler微分方程的振动性 1067 证设 ( )是方程(E)的非振动解.不失一般性,设z( )为[ 0,。。)上的最终正解 ( (t)<0的情况类似的分析成立).令 哪 = , )+ 从t到。。积分上式,可得 半㈤<0.t ).m(t)+ Q()ds+厂。。 (。。)一)+/ s+/ J t Jt 』 I J (s)cls 0,t( , T. . 由卜式.得 哪) s+ 。。 ATJ-I(_ s). (2.9) 令Ql(t)= Q(s)ds,则上式两边同时除以Ql(t),可得 丽1 。。 今 inf : [ ] as- . . (2.10) 由条件( ),可得 i…minr丽1 。。 , 则由(2.10)式,得 ( >1+( . 即 一 与} >10>l- . 又根据不等式 BA+IBu一 u , >。,B 。 司得 -a¨-6< =lj 这与 一 >1矛盾.假设不成立.证毕. I 注3文献[1]中的定理2和文献[4]中的定理3.2是我们定理2的特例.它们分别得 到当 >0和0< 时方程的解振动或渐近趋向于零的结果,而我们得到对任意 >0, >0时方程的一切解振动的条件. 1068 数学物理学报 V01.37A 定理3设(研)一( )和条件( )成立,丁 )>0,9 ) 0且存在如同定理1中 p(t)∈C ( 。。), +)使得条件(c2)成立,还存在正数M及函数 ( )∈cl([to,。。), +)满 足 ) 0,使得 r。。r 1 ft 1吉 l 成立,则方程(E)振动或 ( )=0. (s)Q(s 叫 。。 ( ) 证设x(t)是方程(E)的非振动解.不失一般性,设 ( )为【t。,。。)上的最终正解 (x(t)<0的情况类似的分析成立),则z(t)>0.由(2.1)式知,z )最终保号且仅有两种可 能. 情况1 )>0.我们又回到定理l的情况.由定理1的证明得出矛盾知方程(E)在 [to,。。)上无最终正解. 情况2 )<0.因为7- )>0,9 ) 0, )= )+g ) (7_( ))+ ( ) (7_(t))丁 )< 0,所以Xt( )<0.又z(t)>0, )<0,故有1im z(t)=0 0.我们可判断n:0.否则 .( ):最>0,即存在正数M使得 卢( ( ))>M.由上式,可得 (R(t)(一名 )) ) :Q(t)z ( (t)) MQ(t). 定义 (£): (£)兄( )(一 ))。,显然有v(t) 0, V (£)=咖 ( )R( )(一 ( )) +咖(£)(R( )(一 (≠)) ) 从T到t积分(2.11)式,可得 ( ) Q( ). ) 即 )+M )Q(s)ds M )Q(s)ds_ ) )( ㈤) )Q(s) /, /, 由(2・12)式,可得 2 1、J 2 1、J l 2 ) M吉( 从T到t积分上式,可得 )Q(8)ds) . c M去 [ c—+。。 。卜 C—— )。 由上式可得条件( )与 (t)>0矛盾.故有lim (t)=0和.1im z( )=0.证毕. 推论3在定理3中取p(t)=1时,方程的振动条件( )变为 t一 其中 (t)=Q(£)f1—9( (t)) 取 (t)=1时,方程的振动条件( )变为 [ 删s卜。。. 注4文献【1]中的定理3和文献【4】中的定理2.3是我们定理3的特例.但本文定理3 中的p(t), (t)可以不取1. No.6 李文娟等:中立型Emden—Fowler微分方程的振动性 1069 参考文献 [1]Liu H D,Meng F W,Liu P C.Oscillation and asymptotic analysis on a new generalized Emden—Fowler equation.Appl Math Comput,2012,219:2739-2748 f21 Leighton W.The detection of the oscillations of solutions of a second order linear difierential equation. Duke Math J 1950.17:57—62 f3]Grammatikopoulos M K,Ladas G,Meimaridou A.Oscillations of second order neutral delay diiferential equations.Rad Math.1985.1:267 74 f41曾云辉,罗李平,俞元洪.中立型Emden-Fowler时滞微分方程的振动性.数学物理学报,2015,35A(4):803—814 Zeng Y H.Lou L P.Yu Y H.Oscillation for Emden—F0wler delay diiferential equations of neutral type. Mathematica Scientia 2015、35A(4):803__814 f51 Erbe L,Hassan T S,Peterson A.Oscillation of second.order neutral differentia1 equations.Adv Dynam Syst Appl,2008,3(1):53-71 f61 Xu R,Meng F W.Oscillation criteria for second order quasi.1inear neutral delay diferentia1 equations. 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Key words:Emden—Fowler equation;Neutral differential equation;Oscillation. MR(2010)Subject Classiifcation:34C10;34C15