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本文中,我们应用Morse理论研究一类二阶常微分方程周期边值问题的多解的存在性。
考虑周期边值问题{-x=f(t,x),x(0)-x(2π)=x(0)-x(2π)=0其中f:[0,2π]×R→R是连续可微函数,满足k2≤liminf|x|→∞f(t,x/x)≤limsup|x|→∞f(t,x/x)≤(k+1)2,k∈Z+(1.1)由于线性特征值问题{-x=λx,x(0)-x(2π)=x(0)-x(2π)=0的特征值是m2,m=0,1,2,3…,且m2的特征值重数是2(m≥1时)所以(1.1)表明问题(P)在无穷远处在两个连续的特征值之间共振。设f(t,0)=0,则问题(P)有一个平凡解。本文讨论在此情形下问题(P)的非平凡的2π-周期解的存在性。
引入Sobolev空间H:={x∈L2([0,2π],R)x∈L2([0,2π],R),x(0)=x(2π),x(0)=x(2π).}H是一个Hilbert空间,它的内积和范数定义为=∫2π0(xy+xy)dt,‖x‖2=x,y∈H定义泛函J(x)=1/2∫2π0|x|2dt-∫2π0F(t,x)dt,x∈H(1.2)其中F(t,x)=∫x0f(t,s)ds。由于f∈C1,故J∈C2(H,R),且其导数为:=∫2π0xydt-∫2π0f(t,x)ydt,()x,y∈H=∫2π0yzdt-∫2π0f′(t,x)yzdt,()x,y,z∈H因而求(P)的弱解等价于寻求泛函J在H中的临界点。按(P0)的特征值将H分解为Ek⊕Ek+1⊕E+⊕E-,其中Ek=ker(-x-k2x),Ek+1=ker(-x-(k+1)2x),E-=k-1⊕j=0ker(-x-j2x),E+=(Ek⊕Ek+1⊕E-)⊥记f1(t,x)=f(t,x)-k2x,f2(t,x)=f(t,x)-(k+1)2x.我们对函数f(t,x)赋予以下条件
(H1)(1)若v∈Ek,则∫v>0liminfx→+∞[f1(t,x)v]dt+∫v<0limsupx→-∞[f1(t,x)v]dt>0(2)若v∈Ek+1,则∫v>0liminfx→+∞[-f2(t,x)v]dt+∫v<0limsupx→-∞[-f2(t,x)v]dt>0(H2)存在函数0≤H(t)∈L1([0,2π])使得sgn(x)f1(t,x)≥H(t),x∈R,t∈[0,2π],存在函数0≤K(t)∈L1([0,2π])使得sgn(x)[-f2(t,x)]≥K(t),x∈R,t∈[0,2π].(H±0)设f(t,0)=m2,且存在δ>0使得±(F(t,x)-1/2m2x2)≥0,|x|≤δ,t∈[0,2π].本文的主要结果是下面的定理
定理1设f满足(1.1),(H1),(H2),k≥1,假设f(t,0)<0,t∈[0,2π].则问题(P)至少有两个非平凡2π周期解。定理2设f满足(1.1),(H1),(H2)和(H3)m2<f′(t,0)<(m+1)2,t∈[0,2π],m≠k.则问题(P)至少有两个非平凡2π周期解。定理3设f满足(1.1),(H1),(H2)。如果还有下列条件之一成立:(i)(H+0)且m≠k;(ii)(H-0)且m≠k+1;那么问题(P)至少有两个非平凡2π周期解.