李永玲++殷華敏++楊芳萍

【摘 要】作為數(shù)學的重要組成部分分數(shù)階微積分已經(jīng)發(fā)展了將近5個世紀，所謂分數(shù)階微積分是指微分的階數(shù)或者積分的階數(shù)不再是傳統(tǒng)的整數(shù)階，而是任意的一個實數(shù)甚至于可以是復數(shù)。之所以現(xiàn)在有關(guān)分數(shù)階微積分的研究內(nèi)容非常之多，是因為分數(shù)階微積分方程在混沌理論、高分子解鏈、非牛頓流體力學等很多領(lǐng)域中得到了廣泛應用，而且經(jīng)過實際檢驗，分數(shù)階微積分方程對于研究結(jié)果的準確性有著很大影響?；诖?，本文將對分數(shù)階微分方程邊值問題解的存在性進行研究。

【關(guān)鍵詞】分數(shù)階微分方程 存在性

分數(shù)階微分方程發(fā)展至今已經(jīng)有300多年的歷史，相較于整數(shù)階微積分而言，也已經(jīng)在很多領(lǐng)域有著較為廣泛的應用。如今，分數(shù)階微積分已經(jīng)成為處理幾何與分數(shù)維動力學的最佳分析工具。

分數(shù)階微分方程研究的重點是正解的存在性、多重性以及正解的分歧與漸進性等。雖然說整數(shù)階微分方程的很多研究成果，如函數(shù)論、積分變換、特殊函數(shù)等等，和分數(shù)階微分方程在一定程度上有些聯(lián)系，而且有些研究成果可以直接用于分析分數(shù)階微分方程。但實際上分數(shù)階微分方程理論體系只能算是剛剛有了雛形，很多研究內(nèi)容均是將整數(shù)階的分析方法照搬到分數(shù)階微分方程上，如算子演變、組合方法、不定點理論等。不同的邊值條件和階數(shù)條件，我們可以使用不同的方法來求解分數(shù)階微分方程，也可用來證明其正解的存在性。就目前的研究情況來看，使用最多的求解方法就是特殊函數(shù)法，這里的特殊函數(shù)以Green函數(shù)使用最多。對于不同的邊值條件和階數(shù)條件，求解Green函數(shù)的方法以及所得到的Green函數(shù)值會有所不同，所以在估計分數(shù)階微分方程正解存在條件以及證明正解存在性的方法上，也會有較大的區(qū)別。

1819年，Lacroix率先提出了1/2導數(shù)的結(jié)果：d1/2y / dx1/2=；之后在1832年，Liouville根據(jù)級數(shù)的概念對分數(shù)階導數(shù)進行了重新定義；1853年，Riemann按照定積分的形式對分數(shù)階微分進行了定義。

在整數(shù)階微積分理論的前提下，分數(shù)級微積分有著更深入的發(fā)展，它對函數(shù)的階數(shù)沒有任何限制，甚至于是復數(shù)都可以進行計算。自然界中很多非線性問題使用整數(shù)階微積分概念來解決有一定的難度，但是分數(shù)階微積分就有著較大的優(yōu)勢。譬如，研究擴散空間理論，假如某一種微利的擴散傳播速度與古典布朗運動不一致，我們就可以用分數(shù)階導數(shù)來取代空間擴散二階導數(shù)，從而更廣泛的解釋分析擴散運動。在1974年的國際分數(shù)階微積分會議上，很多專家都認可了分數(shù)階微積分在很多領(lǐng)域中的應用。1982年，B.B.Mandelbrot首次對分數(shù)維數(shù)在自然界以及很多科技領(lǐng)域中的應用進行了舉例分析。分數(shù)階微分方程之所以能夠受到很多研究人員的注意，主要是因為其在各個領(lǐng)域中的廣泛適用性，相較于整數(shù)階微分方程，它能夠更加細致準確的對自然現(xiàn)象進行描述，而且能夠全面的模擬自然界物理現(xiàn)象及運動?，F(xiàn)在研究人員已經(jīng)對分數(shù)階初值問題解的存在性理論進行了較為深入的研究，而且基本均是將分數(shù)階問題轉(zhuǎn)化為等價的積分方程來進行的，線性以及非線性分數(shù)階微分方程邊值問題解的存在性是當前國內(nèi)數(shù)學界重點研究的課題。

1988年，A.M.A.El-Sayed對分數(shù)階微分方程Dax=f（t，x），a∈（0，1）進行了深入的研究，而且求出了該方程解的存在唯一解定理。之后這一定理就被廣泛應用于其他相關(guān)研究中，2005年，俞成和高國柱根據(jù)Shauder不動點定理分析了這個方程解的一個存在唯一性定理。

2005年，白占兵和呂海深對非線性分數(shù)階微分方程的邊值問題進行了相應研究，從方程Da0+u（t）=f（t，u（t））=0，其中t∈（0，1）。這里定義u（0）=u（1）=0，a∈（0，2]。方程中的Da0+是一個標準的Riemann-Liouville導數(shù)，而且f：[0，1]×[0，+∞]→[0，+∞）。根據(jù)這一類問題Green函數(shù)的性質(zhì)，結(jié)合Guo-Krasnoselskii不動點定理以及Leggett-Williams不動點定理，就可以對該問題正解的存在性以及重數(shù)定義。2009年，蔣達清和苑成軍對這類問題進行了深入研究，并給出了Green函數(shù)的一些新性質(zhì)以及相應的應用范圍。

現(xiàn)在對非線性分數(shù)階微分方程的邊值問題主要分析手段有Laplace變換、上下解法、Adomian分解法、各種不動點理論等。而且應用不動點理論研究邊值問題時，還可以細分為Schauder不動點定理法、Guo-Krasnoselskii不動點定理法、Leggett-Williams不動點定理法等。2007年，M.EI-Shahed分析了分數(shù)階微分方程邊值問題，Da0+u（t）+λa（t）f（u（t））=0，這里的Da0+就是標準Riemann-Liouville分數(shù)階導數(shù)。現(xiàn)在分數(shù)階微分方程的主要結(jié)論之一就是定理：這里定義f在I×R→R上連續(xù)，而且存在非負函數(shù)a（t）、h（t），使得|f（t，x）|≤a（t）+ h（t），a（t）∈L[0，1]，h（t）是R上的連續(xù)函數(shù)。其中，ta-1，ta在[0，1]都一致連續(xù)，所以TU是等度連續(xù)的，又TUU，故一致有界，因此T是全連續(xù)，所以，由Leray-Schaulder不動點定理知，邊值問題（1）至少有一個解。

雖然分數(shù)階微積分至今也研究了數(shù)年，而且取得了很多較為實用的理論研究成果，但是對于經(jīng)典微積分理論體系的構(gòu)建還有一定距離?？v觀當前的研究重點，分數(shù)階微分方程的應用研究要比理論研究更為廣泛深入。所以在今后的工作中，對分數(shù)階微分方程的基本理論和基本性質(zhì)進行分析研究更為重要，這對于該方程在實際應用的推廣有著更深層次的意義。

【參考文獻】

[1]A. Babakhani， V.D. Gejji， Existence of positive solutions of nonlinear fractional differential equations[J]. Math. Anal. Appl.，2003 （278）： 434-442.

[2]田叢叢，張梅. 一類分數(shù)階微分方程邊值問題解的存在性[J]. 科學技術(shù)與工程，2010.endprint