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Gronwall积分不等式[1]是最著名的积分不等式,表述为:
其中:u和f是区间[a,b]上的非负连续函数,c≥0是常数,不等式中的未知函数u有估计式
因为Gronwall积分不等式是研究微分方程、积分方程解的存在性、有界性、稳定性和唯一性等定性性质的重要工具,数学工作者不断地对它的形式进行各种推广,使它的应用范围不断扩大[2-15]. 1997年,文献[2]研究了奇异积分不等式
2008年,文献[5]研究了弱奇异积分不等式
2011年,文献[6]研究了Gronwall-ellman-Pachpatte型积分不等式.
本文受文献[2-3, 5-9]的启发研究下面的弱奇异积分不等式
不等式(4) 把文献[2]中的不等式(1) 推广成包含多个奇异积分项的不等式,不等式(4) 把文献[6]中的不等式(3) 推广成奇异不等式.本文利用文献[8-9]中给出的新的分数阶导数与分数阶积分的概念与运算法则研究奇异积分不等式.
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为了研究积分不等式(4),我们需要叙述conformable分数阶导数和积分的概念和有关运算规律.
定义1 [8-9]对于函数
$f:\left[{a, \left. \infty \right)} \right. \to {\mathbb{R} + } $ ,如果极限对所有t>a存在,则称此极限为函数f的从a开始的0<α≤1阶conformable分数阶导数,并称函数f在区间[a,∞)上α可微.
定义2 [8-9]函数
$f:\left[{a, \left. \infty \right)} \right. \to {\mathbb{R} + } $ 的从a开始的0<α≤1阶conformable分数阶积分定义为引理1 [8-9]假设a,b,p,λ,α是实常数,α∈(0,1].假设函数f,g在区间[a,∞)上α可微.令h(t)=f(g(t)).则有下面的运算规律:
如果f在区间[a,∞)上α可微,则有
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约定
${\mathbb{R} + } = \left[{0, \left. \infty \right)} \right. $ .为了定理的叙述和证明简便,我们先用不等式(4) 中的函数w1,w2,w3定义3个新的函数W1,W2,W3:定理1 假设函数f,g,h,e∈C([a,∞),
$ {\mathbb{R} + }$ ),e是正的不减函数.假设${w_i} \in C\left( {{\mathbb{R} + }, {\mathbb{R} + }} \right)\left( {i = 1, 2, 3} \right), {w_1}\left( z \right), {w_2}\left( z \right), {w_3}\left( z \right), \frac{{{w_2}\left( z \right)}}{{{w_1}\left( z \right)}}, \frac{{{w_3}\left( z \right)}}{{z{w_1}\left( z \right)}}, \frac{{{w_3}\left( z \right)}}{{z{w_3}\left( z \right)}} $ 函数都是正的不减函数.如果u(t)满足不等式(4),则有未知函数u(t)的估计其中:
T1是满足下面条件的最大实数
证 因e(t)是增函数,对于任意选定的实数T∈[a,T1],由(4) 式可以推出
用z1(t)表示不等式(19) 的右端,即
显然, z1(t)是区间[a,T]上正的不减函数,并且有
根据文献[8-9]中给出的以a为积分下限的conformable左分数阶积分定义2,(20) 式可以改写成
求函数z1(t)的α阶conformable分数阶导数,利用引理1和关系式(21),得到
其中z2(t)由(25) 式定义
可以看出z2(t)是[a,T]上正的不减函数.由(22) 和(25) 式知
求函数z2(t)的α阶conformable分数阶导数,利用引理1与不等式(24) 和(26),得到
其中z3(t)由下式定义
可以看出z2(t)是[a,T]上正的不减函数.由(27) 和(29) 式知
求函数z3(t)的α阶conformable分数阶导数,利用引理1和不等式(28) 和(30),得到
不等式(32) 两边同除w1(z3(t))z3(t)得到
根据引理1和W1的定义,由(33) 式得到
先把不等式(34) 中的t替换成τ,然后不等式(34) 两边从a到t进行α阶conformable分数阶积分,根据引理1得到
用z4表示不等式(35) 的右端,则z4是[a,T]上正的不减函数,且有
求函数z4(t)的α阶conformable分数阶导数,利用引理1和不等式(36) 得到
不等式(38) 两边同除
$ \frac{{{w_2}\left( {W_1^{ - 1}\left( {{z_4}\left( t \right)} \right)} \right)}}{{{w_1}\left( {W_1^{ - 1}\left( {{z_4}\left( t \right)} \right)} \right)}}$ 得到根据引理1和W2的定义,由(39) 式得到
先把不等式(40) 中的t替换成τ,然后不等式(40) 两边从a到t进行α阶conformable分数阶积分,根据引理1得到
用z5表示不等式(41) 的右端,则z5是[a,T]上正的不减函数,且有
求函数z5(t)的α阶conformable分数阶导数,利用引理1和不等式(42) 得到
类似于对(38) 式的推导,由(44) 式推出
由(46) 式进一步推出
综合(21),(30),(36) 和(42) 式得到
把(37),(43) 和(46) 式代入(47) 式得到
由于T∈[0,T1]的任意性,我们得到(4) 式中未知函数的估计(16).
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我们用定理1的结果研究一类conformable分数阶积分方程解的估计.
例 考虑下面的conformable分数阶积分方程:
其中:k是常数;
$ G, H \in C\left( {\left[{a, } \right.\left. \infty \right) \times {\mathbb{R}^2}, \mathbb{R}} \right), K \in C\left( {\left[{a, } \right.\left. \infty \right) \times \mathbb{R}, \mathbb{R}} \right)$ 满足下面的条件:这里函数f,g,h,w1,w2,w3满足定理1中的条件.
利用条件(50),(51) 和(52),由积分方程(49),可以推出
利用定理1,我们就可以得到不等式(53) 中未知函数|x(t)|的估计,从而得到方程(53) 解的估计为
其中:
W1,W2,W3和定理1中的定义相同.