第29卷第4期 徐州师范大学学报(自然科学版) Vol_29,No.4 2011年12月 Journal of Xuzhou Normal University(Natural Science Edition) Dec.,2011 混合单调算子的不动点定理及应用 张春花,徐 星 (徐州师范大学数学科学学院,江苏徐州221116) 摘要:讨论了一类带有正线性项的混合单调算子,借助迭代技巧得到一个新的不动点定理,并运用它证明一类非线 性积分方程正的概周期解的存在性. 关键词:混合单调算子;正线性算子;不动点;概周期解 中图分类号::O175.91 文献标识码:A 文章编号:1007—6573(2011)04—0033 05 A fixed point theorem of mixed monotone operator and its applications Zhang Chunhua,Xu Xing (School of Mathematical Science,Xuzhou Normal University,Xuzhou 221116,Jiangsu,China) Abstract:In this paper,a class of mixed monotone operators with postive linear term is discussed.With the aid of iterative technique,a new fixed point theorem is obtained.Finally,the results are applied tO investigating the exist— ence of posti ve almost periodic solutions for a nonlinear intergral equation. Key words::mixed monotone operator;positive linear operator;fixed point;almost periodic solution 0 引言 H1)对VtER,厂(t,・)在R 上不减,g(t,・) 在R 上不增; 混合单调算子是一类非常重要的算子,很多学 H2)令F(t,z,Y)一f(t,z)十g(t, ),V tE R, 者对此做了大量的研究并获得了许多有意义的结 ∈(0,1),则存在函数 :(0,1)一R ,满足 果口 .它的很多理论被成功应用于非线性微分方 。( )> , 程和非线性积分方程解的存在性方面的研究.受上 F(t,2x, )≥ ( )F( , , ), V , >0. 述文献的启发,本文讨论了一类带有正线性项的混 定义1l_1 设函数fE BC(R,R )(或BC(R× 合单调算子,并把它应用到如下方程中去: n, )),对V s>0,若-厂的£平移集 rt T(f,e)={rffRlll-厂( +r)一厂(£)ll<£,Vt∈R}, z( )一 (£一r(£))+(1~y)lJ 卜r(r) (厂(s,z(5)) (或T(f,e)一{rE RlIl厂(£+r, )一厂(t,-z)ll<£, +g(S,z(s)))ds. (1) V(t,z)∈R×W,VW(二= }) l相关概念与引理 是R上的相对紧集,则称,是概周期函数(或,关 于t E R是概周期函数,且关于zE 是一致的),记 本文中,E为实Banach空间,ll・ll是E中的范 为,∈AP(R,R。)(或AP(R× ,R )). 数,K为E中的一个锥,0是E中的零元.记R 为 假设fEAP(R,R ).令{ ,}为满足 非负实数集, 为Rq上一开子集.BC(R,Rq)(或 1 rT J一lim寺I。。 』J 0 ( )e dt≠0 BC(R× ,R ))表示从R(或R×力)到 上所有有 界连续函数 ( )(或 (£,z))按范数 的所有实数 的集合.显然,集合{A,}是一个可数 / N 、 一s删up[1 ̄( )ll(或 : 。II ̄(t,z)l1) 集.称集合{∑ , }(V N, E N+)为函数厂(£)的 I J=l J 所构成的Banach空问. 模,记作mod(f). 本文赋予函数f,g如下条件: 引理1I1 设-厂和g是概周期函数,则下面两 收稿日期:2011—07—28 基金项目:国家自然科学基金资助项目(10371OlO) 作者简介:张春花,女,硕士研究生,主要从事微分方程领域的研究,E—mail:zhangchunhua115@163.com. 引文格式:张春花,徐星.混合单调算子的不动点定理及应用.徐州师范大学学报:自然科学版,2011, (4):33—37. Zhang Chunhua,Xu Xing.A fixed point theorem of mixed monotone operator and its applications.J Xuzhou Norm Univ:Nat Sci Ed,2011,29 (4):33—37. 34 徐州师范大学学报(自然科学版) 第29卷 种叙述是等价的: 1)rood(f) ̄mod(g): 2)任取序列{t2}c R,如果对V t E R,均有 lim f(t+t2)一,(£),则存在子序列{t ) {£ ),对 Vt∈R,均有 lim g(t+t )一g(£). "—-。。 如果a一{a )CR,则a 一{a }是a的子集,即 口 a.对于函数,:R—R,若lim (t+a )存在,令 "—+( g(£)一lim厂( +口 ),这时便记为 f—g. 引理2 E”,引耻 设z( )E BC(R,R),r(t)E AP(R,R),厂(t, )E AP(R×R ,R).若a为一序 列,使 厂(£, )关于zEW一致存在,其中w为R 中任一紧子集, r( ),Tox(£)在R上一致成立,则 rr rt J } r( j f(s, (s))ds—IJ卜-】 f( ) f(5,丁d (s))ds. 口弓I理3口。 令.JC,r E AP(R,R),贝U (£)= I z(s)ds为概周期函数. J t r(f) 定义2l6] 设E是实Banach空问,K是E的非 空凸闭集,若K满足 i)当zEK, ≥O时,,IxEK; ii)当zEK,一 EK时, 一0, 则称K是E中的一个锥. 锥K在E中可诱导一个偏序≤: z≤ ㈢ —z E K. 若存在常数c>0,使得 ≤z≤ 甘 lj≤cll Il,则称 K为E中的正规锥,其中c称作是K的正规常数. 记K。为K的内部.如果K。≠ ,则称K为体锥. 定义3 设E是实Banach空间,K为E中的 一个锥.一个算子A:K×K—E是混合单调的,若 A(z,.y)关于z非减,且关于 非增. 选择∞∈K\{0},令 Ko一{zEEl >v>O,v∞≤ ≤ ∞). 这里 硭Ko且K: K. 2 主要结果 定理1令K是实Banach空间E中的一个正 规锥, ∈K\{0}.对一类算子A—D+A,假设 h )A:K:×Ko—E是一个混合单调算子, A((tJ,(cJ)∈K:,且存在一个函数西:(O,1)一(O,1),对 V tE(0,1),z, E Ko,有 击(£)>t, A( ,t一 )≥ ( )A( , ); (2) h:)D:E—E是正线性算子,满足 D(K:)CKo U{ }, D:r0≤ 。,rE(0,1). 则A在K 中有唯一的不动点“ .进一步地,如果 构造迭代序列 一A(z 一1,Y 一1),Y 一A( 一l,z 一1), E N+, 则对V(3c。, 。)∈K ×K:,有 l{z 一“ ll,l l一U ll一0, —cxD. (3) 证 首先证明 :K:×K:一K:. 由算子A的混合单调性和算子D的线性性,可 知 是}昆合单调的.事实上,令 , ∈K ,可以选择 充分小的tE(0,1),使得 ≤z≤t~叫, ≤Y≤t- . 根据(2),易得 A(3c,y)≥ (£)A(£ z,ty), 即 A(t ,ty)≤ ( (£))一 A(x, ). (4) 因为A(∞, )EK:,所以存在以> >0,使得 ≤A(∞,(£J)≤ . 由(4)可知 灭 ( )∞≤乒(£)A(叫,叫)≤A(£∞,t一 叫) ≤A(z, )≤A( 一 叫,£叫) ≤A( ( ))~∞, 从而A(Iz, )E K:.又因为A—D+A,D是正线性 算子,所以A(x, )∈K:. 令t。E(O,1)充分小,满足 0<to≤ 。一min{ , 则O< 。≤m。<1,且 £。 ≤A(叫,∞)≤ ; (cJ. (5) 因为 ( )>£,v tE(o,1),所以 >1,即 ( ) -- ̄+oo,忌一+。。. 显然,存在是。EN+,使得( )ko≥丢,从而有 o(£。)≥f o~. (6) 令U。一 o(u, 一to 。山,则U。≤ .构造迭代数列 U :A( 一1, 一1), 一A( 1,“ 1). 显然,“。, o EKo, “l—A(Uo, o)≤A( 0,“o)一 1, 且 U1一A( 0, 0)=Duo+A(Mo, o) ≥A(“o, o)=A(t ̄oo ,to 0 ) ≥ (£o)A(t ̄oO一 cu,to cu) ≥ ( 0)A(ccJ,(U)≥z tom—U0, 1一A( o, o)=Dvo+A(v0,U0) ≤r 0+A(to 0 ,£ co) 第4期 张春花,等:混合单调算子的不动点定理及应用 35 rVo JU南 t-ko+1w,t%-]m) /""6'o Ji- A ) ≤r 十£ ; (U —r 0+(1一r) 。 一 o. 由数学归纳法知 o:≤ul≤u2≤…≤“ , } ≤ ,r1≤…≤ o. 运用(2),(5),(6)和 。===to ∞易归纳得出 ‰≤ 1≤u2≤…≤ ≤… ≤ ≤…≤ 1≤ . (7) 对V x,y∈go且x,y∈Eu。,口。],存在A>0,满足 A( 0, o)≤A(z, )≤A( o,uo) ≤ (“o, o)≤ 4( , ). 令 。一÷, (£)一 堕一1,则对V£∈(o,1),z, ∈ Ko, ,y∈[“o, ],有 A(tx,t一 、)一D(tx)+A(tx,t一 ) ≥fD(z)+£(1+ 一1)A(z, ) ≥tD(x)- ̄-t(1+叩(£))A(z, ) 一以( ,3,)+£叩(£)A(z, ) ≥ (z, )+£ oq(t)A(z,.y) ===£(1+ o叩(£))A( , ). (8) 设t 一sup{t>O: ≥tv ), ∈N+,可知 “ ≥t.v , ∈N+. (9) 从而 “ +1≥“ ≥£ ≥f l, n∈N+. 因此存在£。>0.,满足 0<Eo≤t1≤t2≤…≤t ≤…≤1. 令t 一liar t ,我们断言t 一1. 否则,若£*≠1,即 *∈[£。,1),则有 >1, 即 一1>0.考虑两种情况: a)存在N,满足t 一t .此时,对V n>N,有t 一t , ≥ .通过(8),可以得出 an+l—A(“ , )≥A(£ ,(f )一 u ) ≥t (:【+ 0 r/(t ))A( ,“ ) 一t (1+ 0 77(t ))"un- ̄1. 因此 £抖1≥t (1+ 0刁(£ ))>t , V 72>N. 令n—c×。,可以得到 t ≥t (1+ o (t ))>t , 这是矛盾的. b)t <f ,V n∈N+.通过(8)可以得到 ,斗l—A(“ , )≥A(£ ,£ “ ) 一 ( t*7Jn ̄等・ ) ≥ tn(1+ ( )) )-1 ̄n) ≥ (1+ 。 (£ ))A( , ) 一t (1+ 0刀(£ ))72 +1. 因此 £ 1≥t (1+ 0刁(£ ))>t . 令 —Cx3,可以得到t ≥£ (1+ 。刁(£ ))>£ ,这是 矛盾的. 综合a),b)可知t 一1. 由(7)和(9)易知,对V k∈N,有 ≤“ +女一“ ,72 一72 +女≤ 一“ ≤(1一t )72 ≤(1一t )72l, ∈N+. 因为K是正规锥以及t 一1,故存在“ , ∈[ 。, 72。],满足 I 一“ ll一0,l l72 一 ll—O, —cx3, ≤ 一u ≤72 一u ≤(1一t )721, ∈N+. 令 一C×3,可得 0≤72 一“ ≤(1一t ) 1—0. 因此 一 ∈[ o,720]. 如果算子 有其他的不动点 ∈Ko,则 一 A( ,u ),且存在t∈(O,1],满足 tu ≤“ ≤t一 “ . 令 t 一sup{0<t<1:tu ≤ ≤t “ }. 显然有 0<t ≤1,t ≤“ ≤ “ . (10) 若t <1,则利用(8)和(1O)有 u 一A(“ , )≥A(t u ,£ ) ≥£ (1+ 0 r/(t ))A(u ,u ) 一t (1+A0 (t )) , 一A( ,“ )≤A(t7 “ ,t ) ≤ (1+ 。 (£ ))一 ( , ) 一£ (1+ 0 (£ ))一 . 即 t*(1+ 。 (£ )) ≤ ≤ f (1+ 0叩(£ ))一 “ . 而由定义可以得出 t >t (1+ o刀(t ))>t , 矛盾,因此t 一1,从而 === ,即 在So中存在 唯一不动点. 参照[2,定理1]可证得(3)式成立.从而定理得 证. 36 徐州师范大学学报(自然科学版) 第29卷 需要强调的是,如果K是体锥,记K。为它的内 部,若选择 ∈K。,则Ko—K。. 推论1 令K是实Banach空间E中的一个正 规体锥,对一类算子A=D+A,假设 令 W一{z∈AP(R,R)l z( )≥0,V t E R}. 易知w是一个正规锥.事实上,-厂 ,厂 ∈w,若-厂 ≥ ≥0,则ll厂-ll≥ll-厂 l1,由定义2知w是正规的. 另外,令 hi)A:K。×K。一E是一个混合单调算子, A( , )∈K。,且存在一个函数 :(0,1)一(O,1),对 W。一{ EWl存在 >0满足-z(£)≥ ,VtER}. V t∈(0,1), , ∈K。,有 (£)>t, A(灯,t一 )≥ (£)A( , ); hz)D:E—E是正线性算子,满足 D(K。)(==K。LJ{0}, D3c 0≤阿。, r∈(0,1). 则A在K。中有唯一的不动点 .进一步地,若构 造迭代序列 一A( 一】, 一1), 一A( l,-z 一1), E N+, 贝0对V( 。, 。)E K。×K。,有 l 】一“ ll,I l一 —,0, 3 应用 定理2对方程(1),假设H1)~H )成立,且 厂,g,z-满足下列条件: H。)f,g:R×R。。一R。。关于t是概周期的,且关 于z是一致的,z属于R。。上的任意紧子集; H )r(£)为R上一正概周期函数; H )存在p>0, >0,满足 rt inf f f(s,10)ds≥ . 则(1)存在唯一的定义在R上具有正的下确界的概 周期解 ,满足 mod(3c )(==mod(f。g,r). 进一步地,若任取5C。, 。∈AP(R,R ),满足 infz。( )>o, inf 0(£)>0. f∈R f∈R。 作迭代序列 z (£)一弦一1(t—r( )) rf +(1一),)I (厂(s,z (s)) +g(s, 一1( )))ds, ∈N+, (f)一7y l(t—r(t)) rt +(1一y)I (-厂(s,Y 1(s)) J r(t) +g(S, l(s)))ds, E N+, 则有 ff 一 l【,ff 一 _l一0,n一。。.(11) 证 令x是定义在R上的全体概周期函数按 上确界范数构成的Banach空间,即 Ij—sup I z( )1. 任取z, EW。,考察算子 A(/. )[-z, ]( )一(1一),)I F(s, ( ), (5))ds, 易知 一F(£,lz(£), ( ))是概周期的.再由引理3可 知,A [ , ](z)是概周期的,即 A(, [V ×w。] AP(R,R). 另外,可以推出A( )[w。×w。](==w。.事实上,对 V EW。,存在n>O,满足z(£)>Ⅱ,Vt∈R. 若n≥p,由H ),H )和H5),有 A(, [ , ]( ) rf 一(1一y)I F(s,-z(s), (s))ds rf ≥(1一y)f F(s, (5), .y(5))ds J f(f) f't ≥(1一y)IJ f(f) ( )F(s,z(s), (s))ds rf ≥(1一y)I f(s,z(s))ds ≥(1一y)I 厂(s,口)ds ≥( 一), L㈤ (Jf一 " s,lD)ds ≥(1一y) ; 若a<.0,有 A(,,g)[z,.y]( ) 一(1一y)l F(s, (5), (5))ds rt (1一),)IJt-r(f) F(s,口, (s))ds rt (1一y)j )F( lq0  ̄o la-Iay(5)) ≥(1一y) ‘p- d)l,√卜一f¨) 、F(s,lD,lD ay( ))ds ≥(卜7) ̄(p-Xa j 厂(5,p)d5 ≥(1一),) . 因此A( )[W。×W。](==w。.令 ( )一 , ̄2E(。,1), D(z)( )一 (£一r(£)), ( )[1z, ](£)一D(-z)(£)+A(, [ , ]( ), VtER,V 2C, EW。. 由H )知,算子A(厂,g)是混合单调的,算子D为定 义在W。匕的正线性算子日属于D(Wo)I J{0}。因此 第4期 张春花,等:混合单调算子的不动点定理及应用 37 可得 (,, :W。×W。一W。. 另外,对V z,y∈W。, ∈(O,1),有 A(,,g)[ r, 一 ]( ) =(1一),)I F(s,Ax(s), (s))ds ≥(1一),)lJ t-r(f) ( )F(s, (s), (s))ds ≥(1——y) J’ F(s,z(s), (s))d 一 ( )A(,,g.Ix, ](£). 再由H )的条件,V ∈(O,1), ( )> ,从而有 0< < 一 ( )≤ <1. 最后,选择z。一1,则有Dx。=y≤y・1. 因此,由推论1可知算子 在w。中有唯一 不动点,记为 ,即有 ,墉 [z ,z ]一z .对任意 满足 f:=f, r—r,Tog—g 的实序列a一( ),由推论2可得 Tox (£)=7T。 (t—r(£)) +(1~y)丁0 I (厂( ,z ( )) +g(s,z ( )))ds : 。 (£一f( )) +(1~),)I (厂(s, z (s)) +g(s,Tax (s)))ds =7T z (£一r(t)) +(1~),)I (,(s,Tox ( )) +g(s,T.x (s)))ds. 由不动点的唯一性,可得T0z 一z .再根据引理 1,有mod(x )Cmod(f,g,r). (11)式的证明可以由推论l很容易得出. 注1本文的结论将条件lim 生一。去掉, 以此来弱化[14,定理2]的条件,因此是有意义的. 参考文献: E l i Guo Daj un,Lakshmikantham V.Coupled fixed points of nonlinear operators with applications[J].Nonl A一 nal,1987,11(5):623. [2] Xu Bin,Yuan Rong.On the positive almost periodic type solutions for some nonlinear delay integral equa— tions[J].J Math Anal Appl,2005,304(1):249. [3] Zhao Zengqin.Existence and uniqueness of fixed points for some mixed monotone operators[J].Nonl Anal, 2010,73(10):1481. [4] Zhang Zhitao.New fixed point theorems of mixed mon— otone operators and applications[J].J Math Anal Ap— pl。1996,204(1):307. [5] Xu Bin,Zhang Zhitao.Positive almost periodic solu— tions of some neutral integral equation[J].Nonl Anal, 2009,71(5):141. [6] Ma Y.On a class of mixed monotone operators and a kind of two-point bounded value problem[J].Indian J Math,1999,41(2):211. [7] Liu Yan,Wang Rui.A new fixed point theorem and ap— plications[-J].徐州师范大学学报:自然科学版,2010, 28(4):29. 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