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Banach空间中线性斜积三参数半流的指数渐近行为

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岳田, 宋晓秋. Banach空间中线性斜积三参数半流的指数渐近行为[J]. 西南大学学报(自然科学版), 2021, 43(9): 47-53. doi: 10.13718/j.cnki.xdzk.2021.09.006
引用本文: 岳田, 宋晓秋. Banach空间中线性斜积三参数半流的指数渐近行为[J]. 西南大学学报(自然科学版), 2021, 43(9): 47-53. doi: 10.13718/j.cnki.xdzk.2021.09.006
YUE Tian, SONG Xiaoqiu. Exponential Asymptotic Behaviors of Linear Skew-Product Three-Parameter Semiflows in Banach Spaces[J]. Journal of Southwest University Natural Science Edition, 2021, 43(9): 47-53. doi: 10.13718/j.cnki.xdzk.2021.09.006
Citation: YUE Tian, SONG Xiaoqiu. Exponential Asymptotic Behaviors of Linear Skew-Product Three-Parameter Semiflows in Banach Spaces[J]. Journal of Southwest University Natural Science Edition, 2021, 43(9): 47-53. doi: 10.13718/j.cnki.xdzk.2021.09.006

Banach空间中线性斜积三参数半流的指数渐近行为

  • 基金项目: 国家自然科学基金项目(11502075);教育部产学合作协同育人项目(202002177010,202101301022);湖北汽车工业学院博士科研启动基金(BK201805)
详细信息
    作者简介:

    岳田,讲师,主要从事微分系统定性理论研究 .

  • 中图分类号: O175.24

Exponential Asymptotic Behaviors of Linear Skew-Product Three-Parameter Semiflows in Banach Spaces

  • 摘要: 主要研究Banach空间中线性斜积三参数半流一致指数稳定性与一致指数不稳定性的Datko型定理. 借助Datko-Pazy方法得到了若干新的刻画线性斜积三参数半流一致指数渐近行为的充要条件. 所得结果推广和完善了指数稳定性理论中一些已有结果.
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  • [1] DATKO R. Extending a Theorem of A. M. Liapunov to Hilbert Space[J]. Journal of Mathematical Analysis and Applications, 1970, 32(3): 610-616. doi: 10.1016/0022-247X(70)90283-0
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-10-31
  • 刊出日期:  2021-09-20

Banach空间中线性斜积三参数半流的指数渐近行为

    作者简介: 岳田,讲师,主要从事微分系统定性理论研究
  • 1. 湖北汽车工业学院 理学院,湖北 十堰 442002
  • 2. 中国矿业大学 数学学院,江苏 徐州 221116
基金项目:  国家自然科学基金项目(11502075);教育部产学合作协同育人项目(202002177010,202101301022);湖北汽车工业学院博士科研启动基金(BK201805)

摘要: 主要研究Banach空间中线性斜积三参数半流一致指数稳定性与一致指数不稳定性的Datko型定理. 借助Datko-Pazy方法得到了若干新的刻画线性斜积三参数半流一致指数渐近行为的充要条件. 所得结果推广和完善了指数稳定性理论中一些已有结果.

English Abstract

  • 近年来关于微分系统定性理论的研究取得了突破性的进展,尤其是在指数渐近行为(指数稳定、指数不稳定等)方面. 大量公开问题的解决,使得相关理论不断拓展和完善[1-14]. 在讨论无限维空间中由自治微分方程所生成的动力系统的不变流形的线性化问题时,将会经常使用斜积(半)流这个概念,如经典的Navier-Stokes,Taylor-Couette,Bubnov-Galerkin方程都可用半流上的斜积(半)流作为渐近化模型. 故作为单参数算子半群[1-2]、演化族(又称演化过程或演化算子)[3-5]、线性斜积(双参数)半流[7-10]的推广,由Preda等学者于2011年引入的线性斜积三参数半流[11-13]成为了刻画微分系统渐近行为的一类重要工具. 文献[11]基于一致的视角,借助“输入-输出”方法(又称Perron方法或测试函数方法)得到了线性斜积三参数半流一致指数稳定的Perron型结论;文献[12]借助Datko-Pazy方法,讨论了线性斜积三参数半流一致指数稳定的Datko型条件,所得结果将经典的双参数演化族一致指数稳定的Datko型定理推广到了线性斜积三参数半流情形,同时该文还给出了所得结论在一致指数不稳定下的变形;文献[13]基于Perron技术,借助离散时间方法,通过讨论线性斜积三参数半流关于序列空间对(lp(X),lq(X))的容许性,得到了连续时间斜积三参数半流一致指数稳定的若干充要条件.

    受到文献[12]的启发,本文将借助Datko-Pazy方法分别建立若干新的刻画Banach空间中线性斜积三参数半流一致指数稳定与一致指数不稳定的Datko型定理,所得结果将一些双参数演化族或斜积半流的指数稳定性结果推广到了线性斜积三参数半流[5-8, 10].

  • 设(Θd)为一度量空间,X是一个Banach空间,将空间X上的范数及作用其上面的有界线性算子全体$ \mathscr{B}\left( X \right) $上的范数记作‖·‖. 记$ \mathit{\Delta}=\left\{\left(t, t_{0}\right) \in \mathbb{R}^{2}: t \geqslant t_{0} \geqslant 0\right\} $,I为恒等算子.

    定义1[11-13]  称$ \sigma: \mathit{\Theta} \times \mathit{\Delta} \longrightarrow \mathit{\Theta} $为三参数(非)线性半流,如果满足如下2条性质:

    (ⅰ) $ \sigma(\theta, t, t)=\theta, \forall(t, \theta) \in \mathbb{R}_{+} \times \mathit{\Theta} $

    (ⅱ) $ \sigma\left(\sigma\left(\theta, s, t_{0}\right), t, s\right)=\sigma\left(\theta, t, t_{0}\right), \forall(t, s), \left(s, t_{0}\right) \in \mathit{\Delta}, \forall \theta \in \mathit{\Theta} $

    此外,若$ \left(\theta, t, t_{0}\right) \longmapsto \sigma\left(\theta, t, t_{0}\right) $连续,则称σΘ上的连续三参数(非)线性半流.

    定义2[11-13]  称π=(ϕσ)为X上的线性斜积三参数半流,如果$ \phi :\mathit{\Theta} \times \mathit{\Delta} \to \mathscr{B}\left( X \right) $满足如下4条性质:

    (ⅰ) $ \phi (\theta , t, t)=I, \forall (t, \theta )\in {{\mathbb{R}}_{+}}\times \mathit{\Theta} $

    (ⅱ) $ \phi \left( \sigma \left( \theta , s, {{t}_{0}} \right), t, s \right)\phi \left( \theta , s, {{t}_{0}} \right)=\phi \left( \theta , t, {{t}_{0}} \right), \forall (t, s), \left( s, {{t}_{0}} \right)\in \mathit{\Delta} , \forall \theta \in \mathit{\Theta} $

    (ⅲ) $ t \longmapsto \phi\left(\theta, t, t_{0}\right) x:\left[t_{0}, \infty\right) \longrightarrow X $$ \tau \longmapsto \phi(\theta, t, \tau) x:[0, t] \longrightarrow X $均连续;

    (ⅳ) 存在常数$ M, \omega \in \mathbb{R}, M\ge 1 $,使得对$ \forall \left( \theta , t, {{t}_{0}} \right)\in \mathit{\Theta} \times \mathit{\Delta} $,有$ \left\| \phi \left( \theta , t, {{t}_{0}} \right) \right\|\le M{{e}^{\omega \left( t-{{t}_{0}} \right)}} $.

    定义3[11-13]  称线性斜积三参数半流π=(ϕσ)为一致指数稳定的,如果存在常数N≥1,v>0使得对∀(tt0θx)∈Δ×Θ×X,有

    定义4[12]  称线性斜积三参数半流π=(ϕσ)为一致指数不稳定的,如果存在常数N≥1,v>0使得对∀(t,t0θx)∈Δ×Θ×X,有

    引理1[12]  线性斜积三参数半流π=(ϕσ)是一致指数稳定的,当且仅当存在c∈(0,1)和h>0,使得对每个t0≥0,θΘ以及xX存在u∈(0,h](u依赖于t0θx),满足

    引理2[12]  线性斜积三参数半流π=(ϕσ)是一致指数不稳定的,当且仅当存在c≥1和h>0,使得对每个t0≥0,θΘ以及xX存在u∈(0,h](u依赖于t0θx),满足

  • 定理1  若$ \varphi :\psi \to {{\mathbb{R}}_{+}}\to {{\mathbb{R}}_{+}} $是两个非减函数满足

    且对所有的θΘ以及xX,有

    则线性斜积三参数半流π=(Φσ)是一致指数稳定的.

      采用反证法. 若线性斜积三参数半流π=(ϕσ)不是一致指数稳定的,则引理1中式(3)不成立. 这意味着对任意c∈(0,1)和h>0,存在t0≥0,θ0Θ以及x0X,‖x0‖=1使得对所有的u∈(0,h]有

    从而结合式(5)可得,对所有的h>0有

    故由洛必达法则可得

    该矛盾说明式(3)成立,从而借助引理1可得π=(ϕσ)是一致指数稳定的.

    推论1  若非减函数$ \varphi :{{\mathbb{R}}_{+}}\to {{\mathbb{R}}_{+}} $满足

    则线性斜积三参数半流π=(ϕσ)是一致指数稳定的,当且仅当存在αβ>0,使得对所有θΘ以及xX,有

      由定理1可知充分性显然,下证必要性. 由于π=(ϕσ)是一致指数稳定的,故存在常数N≥1,v>0使得

    对所有的t0≥0,u≥0,θΘ成立. 现任意固定α∈(0,v]及βN,则对所有的t>0,t0≥0,θΘ以及xX

    推论2  线性斜积三参数半流π=(ϕσ)是一致指数稳定的,当且仅当存在常数αβ>0,使得对所有的θΘ以及xX,有

    定理2  线性斜积三参数半流π=(ϕσ)是一致指数稳定的,当且仅当存在常数Kp>0,以及函数$ \varphi :{{\mathbb{R}}_{+}}\to {{\mathbb{R}}_{+}} $满足

    使得对所有的θΘxX,有

      必要性  显然. 令φ(t)=t即可.

    充分性  若π=(ϕσ)不是一致指数稳定的,由引理1可知对任意c∈(0,1)和h>0,存在t0≥0,θ0Θ以及x0X使得对所有的u∈(0,h]有

    结合式(8)有

    这意味着cpφ(h) < K对∀c∈(0,1)和∀h>0成立. 现将c固定,并令h→∞,则有$ \frac{K}{{{c^p}}} \ge \infty $,从而矛盾,故π=(ϕσ)是一致指数稳定的.

    定理3  线性斜积三参数半流π=(ϕσ)是一致指数稳定的,当且仅当存在常数K>0以及非减函数φ(t)>0(t>0)满足φ(ts)≤φ(t)φ(s),(ts)∈Δ,使得对所有的t0≥0,θΘxX,有

      必要性  令φ(t)=t即可.

    充分性  若π=(ϕσ)不是一致指数稳定的,由引理1可知对任意c∈(0,1)和h>0,存在t0≥0,θ0Θ以及x0X使得对所有的u∈(0,h]有式(9)成立. 特别地,取$ c=\frac{1}{2}, h=K\varphi \left( 2 \right) $,由函数φ的性质以及式(9)可得

    这与式(10)矛盾,故π=(ϕσ)是一致指数稳定的.

    定理4  线性斜积三参数半流π=(ϕσ)是一致指数稳定的,当且仅当存在常数K>0以及非减函数φ(t)>0(t>0)满足φ(ts)≥φ(t)φ(s),(ts)∈Δ,使得对所有的t0≥0,θΘxX,有式(10)成立.

      必要性  令φ(t)=t即可.

    充分性  类似定理3,借助式(9)可得,对c∈(0,1)与$ h=\frac{K}{\varphi \left( c \right)} $

    这与式(10)矛盾,故π=(ϕσ)是一致指数稳定的.

    推论3  线性斜积三参数半流π=(ϕσ)是一致指数稳定的,当且仅当存在常数K′>0以及非减函数φ(t)满足定理3或4的条件,使得对所有的t0≥0,θΘxX,有

    在定理3或4中,取φ(t)=tp(p>0),可得推论4.

    推论4[12]  线性斜积三参数半流π=(ϕσ)是一致指数稳定的,当且仅当存在常数Kp>0使得对所有的t0≥0,θΘ以及xX,有

    接下来按照前面关于线性斜积三参数半流一致指数稳定性的讨论方式,给出相关结论在一致指数不稳定情形下的若干变形.

    定理5  若对任一(θtt0)∈Θ×Δϕ(θtt0)为一一映射. $ \varphi :\psi \to {{\mathbb{R}}_{+}}\to {{\mathbb{R}}_{+}} $是两个非减函数满足

    且对所有的θΘ以及xX\{0},有

    则线性斜积三参数半流π=(ϕσ)是一致指数不稳定的.

      反证法. 若π=(ϕσ)不是一致指数不稳定的,由引理2可知对任意c>1和h>0,存在t0≥0,θ0Θ以及x0X,‖x0‖=1,使得对所有的u∈(0,h],有

    从而结合式(13)可得,对所有的h>0有

    故由洛必达法则可得

    从而矛盾. 故π=(ϕσ)是一致指数不稳定的.

    推论5若对任一(θtt0)∈Θ×Δϕ(θtt0)为一一映射. 非减函数$ \varphi :{{\mathbb{R}}_{+}}\to {{\mathbb{R}}_{+}} $满足

    则线性斜积三参数半流π=(ϕσ)是一致指数不稳定的,当且仅当存在αβ>0,使得对所有θΘ以及xX\{0},有

    推论6  若对任一(θtt0)∈Θ×Δϕ(θtt0)为一一映射. 则线性斜积三参数半流π=(ϕσ)是一致指数不稳定的,当且仅当存在常数αβ>0,使得对所有的θΘ以及xX\{0},有

    定理6  若对任一(θtt0)∈Θ×Δϕ(θtt0)为一一映射. 则线性斜积三参数半流π=(ϕσ)是一致指数不稳定的,当且仅当存在常数Kp>0,以及函数$ \varphi :{{\mathbb{R}}_{+}}\to {{\mathbb{R}}_{+}} $满足

    使得对所有的θΘxX\{0},有

      必要性  显然,令φ(t)=t即可.

    充分性  若π=(ϕσ)不是一致指数不稳定的,由引理2可知对任意c>1和h>0,存在t0≥0,θ0Θ以及x0X\{0},使得对所有的u∈(0,h]有

    结合式(16),有

    这意味着φ(h) < Kcp对∀c>1和∀h>0成立. 现将c固定,并令h→∞,则有Kcp≥∞,从而矛盾,故π=(ϕσ)是一致指数不稳定的.

    定理7  若对任一(θtt0)∈Θ×Δϕ(θtt0)为一一映射. 则线性斜积三参数半流π=(ϕσ)是一致指数不稳定的,当且仅当存在常数K>0以及非减函数φ(t)>0(t>0)满足φ(ts)≤φ(t)φ(s),(ts)∈Δ,使得对所有的t0≥0,θΘxX\{0},有

      必要性  令φ(t)=t$ K=\frac{1}{Nv} $即可,其中Nv详见定义4.

    充分性  若π=(ϕσ)不是一致指数不稳定的,由引理2可知对任意c>1和h>0,存在t0≥0,θ0Θ以及x0X\{0},使得对所有的u∈(0,h]有式(17)成立. 特别地,取c=2,h=(2),由函数φ的性质以及式(17)可得

    这与式(18)矛盾,故π=(ϕσ)是一致指数不稳定的.

    定理8  若对任一(θtt0)∈Θ×Δϕ(θtt0)为一一映射. 则线性斜积三参数半流π=(ϕσ)是一致指数不稳定的,当且仅当存在常数K>0以及非减函数φ(t)>0(t>0)满足φ(ts)≥φ(t)φ(s),(ts)∈Δ,使得对所有的t0≥0,θΘxX\{0},有式(18)成立.

      类似定理7的证明.

    推论7  若对任一(θtt0)∈Θ×Δϕ(θtt0)为一一映射. 则线性斜积三参数半流π=(ϕσ)是一致指数不稳定的,当且仅当存在常数K′>0以及非减函数φ(t)满足定理7或8的条件,使得对所有的t0≥0,θΘxX\{0},有

    在定理7或8中取φ(t)=tp(p>0),可得推论8.

    推论8[12]  若对任一(θtt0)∈Θ×Δϕ(θtt0)为一一映射. 则线性斜积三参数半流π=(ϕσ)是一致指数不稳定的,当且仅当存在常数Kp>0,使得对所有的t0≥0,θΘxX\{0},有

参考文献 (14)

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