Hindawi Publishing Corporation Abstract and Applied Analysis Volume 2014, Article ID 207547, 12 pages http://dx.doi.org/10.1155/2014/207547
Research Article Existence Theory for đ-Antiperiodic Boundary Value Problems of Sequential đ-Fractional Integrodifferential Equations Ravi P. Agarwal,1,2 Bashir Ahmad,2 Ahmed Alsaedi,2 and Hana Al-Hutami2 1 2
Department of Mathematics, Texas A&M University, Kingsville, TX 78363-8202, USA Nonlinear Analysis and Applied Mathematics Research Group (NAAM), King Abdulaziz University, P.O. Box 80203, Jeddah 21589, Saudi Arabia
Correspondence should be addressed to Bashir Ahmad; bashirahmad
[email protected] Received 21 February 2014; Accepted 3 April 2014; Published 30 April 2014 Academic Editor: Erdal Karapinar Copyright Š 2014 Ravi P. Agarwal et al. This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License, which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. We discuss the existence and uniqueness of solutions for a new class of sequential đ-fractional integrodifferential equations with đ-antiperiodic boundary conditions. Our results rely on the standard tools of fixed-point theory such as Krasnoselskiiâs fixed-point theorem, Leray-Schauder nonlinear alternative, and Banachâs contraction principle. An illustrative example is also presented.
1. Introduction We consider a đ-antiperiodic boundary value problem of sequential đ-fractional integrodifferential equations given by đ
đź
đ
đž
đ
đˇđ ( đˇđ + đ) đĽ (đĄ) = đ´đ (đĄ, đĽ (đĄ)) + đľđźđ đ (đĄ, đĽ (đĄ)) , 0 ⤠đĄ ⤠1, 0 < đ < 1, óľ¨ (đĄ(1âđž) đˇđ đĽ (đĄ))óľ¨óľ¨óľ¨óľ¨đĄ=0 = âđˇđ đĽ (1) ,
đĽ (0) = âđĽ (1) , đź
(1)
đž
where đ đˇđ and đ đˇđ denote the fractional đ-derivative of the Caputo type, 0 < đź, đž ⤠1, đźđđ (â
) denotes Riemann-Liouville integral with 0 < đ < 1, đ, đ being given continuous functions, đ â R and đ´, đľ being real constants. The aim of the present study is to establish some existence and uniqueness results for the problem (1) by means of Krasnoselskiiâs fixed-point theorem, Leray-Schauder nonlinear alternative, and Banachâs contraction principle. Though the tools employed in this work are standard, yet their exposition in the framework of the given problem is new. Fractional calculus has developed into a popular mathematical modelling tool for many real world phenomena occurring in physical and technical sciences, see, for example, [1â4]. A fractional-order differential operator distinguishes itself from an integer-order differential operator in the sense
that it is nonlocal in nature and can describe the memory and hereditary properties of some important and useful materials and processes. This feature has fascinated many researchers and several results ranging from theoretical analysis to asymptotic behavior and numerical methods for fractional differential equations have been established. For some recent work on the topic, see [5â12] and references therein. The mathematical modeling of linear control systems, concerning the controllability of systems consisting of a set of well-defined interconnected objects, is based on the linear systems of divided difference functional equations. The controllability in mathematical control theory studies the concepts such as controllability of the state, controllability of the output, controllability at the origin, and complete controllability. The đ-difference equations play a key role in the control theory as these equations are always completely controllable and appear in the đ-optimal control problem [13]. The variational đ-calculus is known as a generalization of the continuous variational calculus due to the presence of an extra-parameter đ whose nature may be physical or economical. The study of the đ-uniform lattice rely on the đEuler equations. In other words, it suffices to solve the đEuler-Lagrange equation for finding the extremum of the functional involved instead of solving the Euler-Lagrange equation [14]. One can find more details in a series of papers [15â21].
2
Abstract and Applied Analysis
The subject of fractional đ-difference (đ-fractional) equations is regarded as fractional analogue of đ-difference equations and has recently gained a considerable attention. For examples and details, we refer the reader to the works [22â33] and references therein while some earlier work on the subject can be found in [34â36]. The present work is motivated by recent interest in the study of fractional-order differential equations.
Further details of đ-integrals and fractional đ-integrals can be found respectively in Section 1.3 and Section 4.2 of the text [35].
2. Preliminaries on Fractional đ-Calculus
Further, it has been shown in Lemma 6 of [37] that
Remark 2. The semigroup property holds for đ-fractional integration (Proposition 4.3 [35]): đźđđž đźđđ˝ đ (đĄ) = đźđđ˝+đž đ (đĄ) ;
Let us describe the notations and terminology for đfractional calculus [35]. For a real parameter đ â R+ \ {1}, a đ-real number denoted by [đ]đ is defined by [đ]đ =
đ
1âđ , 1âđ
đ â R.
0 < đĽ < đ,
đâ1
(đ; đ)đ = â (1 â đđđ ) ,
đ â N ⪠{â} . (3)
đˇđ đ (đĄ) =
đ
The đ-analogue of the exponent (đĽ â đŚ) is (0)
= 1,
(đĽ â đŚ)
= â (đĽ â đŚđđ ) , (4)
đ=0
đ â N, đĽ, đŚ â R. The đ-gamma function Îđ (đŚ) is defined as (1 â đ)
đŚâ1
(1 â đ)
,
(5)
where đŚ â R \ {0, â1, â2, . . .}. Observe that Îđ (đŚ + 1) = [đŚ]đ Îđ (đŚ). Definition 1 (see [35]). Let đ be a function defined on [0, 1]. The fractional đ-integral of the Riemann-Liouville type of order đ˝ ⼠0 is (đźđ0 đ)(đĄ) = đ(đĄ) and (đ˝â1)
đĄ
(đĄ â đđ ) đźđđ˝ đ (đĄ) := ⍠Îđ (đ˝) 0 đ˝
đ˝
â
= đĄ (1 â đ) â đ đ=0
đ (đ ) đđ đ đ
(đđ˝ ; đ)đ (đ; đ)đ
đ˝âR ,
(9)
đ â (â1, â) .
đ (đĄđđ ) ,
đ (đĄ) â đ (đđĄ) , đĄ â đđĄ
đĄ â đ´ \ {0} .
(6)
đ (đĄđđ ) â đ (0) , đââ đĄđđ
đˇđ đ (0) = lim
đˇđ0 đ = đ,
đˇđđ đ = đˇđ (đˇđđâ1 đ) ,
đĄ â đ´ \ {0} .
đ = 1, 2, 3, . . . . (12)
đ
đˇđđ˝ đ (đĄ) = đźđâđ˝ââđ˝ đˇđâđ˝â đ (đĄ) ,
Next we enlist some properties involving RiemannLiouville đ-fractional integral and Caputo fractional đderivative (Theorem 5.2 [35]): đ˝
âđ˝ââ1 đ=0
Observe that the above đ-integral reduces to the following one for đ˝ = 1. â
0
đ=0
(7)
(13)
where âđ˝â is the smallest integer greater than or equal to đ˝.
đĄđ (đˇđ đ) (0+ ) , Îđ (đ + 1) đ âđĄ â (0, đ] , đ˝ > 0;
đĄ
(11)
Definition 3 (see [35]). The Caputo fractional đ-derivative of order đ˝ > 0 is defined by
đźđđ˝ đ đˇđ đ (đĄ) = đ (đĄ) â â
đ˝ > 0, đĄ â [0, 1] .
đźđ đ (đĄ) := ⍠đ (đ ) đđ đ = đĄ (1 â đ) â đđ đ (đĄđđ ) .
(10)
Provided that the limit exists and does not depend on đĄ. Furthermore,
(đŚâ1)
Îđ (đŚ) =
+
(đĽ)(đ˝+đ) ,
For 0 â đ´, the đ-derivative at zero is defined for |đ| < 1 by
đâ1
(đ)
Îđ (đ˝ + đ + 1)
Before giving the definition of fractional đ-derivative, we recall the concept of đ-derivative. Let đ be a real valued function defined on a đ-geometric set đ´ (|đ| ≠ 1). Then the đ-derivative of a function đ is defined as
đ=0
(đĽ â đŚ)
Îđ (đ + 1)
(8)
(2)
The đ-analogue of the Pochhammer symbol (đ-shifted factorial) is defined as (đ; đ)0 = 1,
đźđđ˝ (đĽ)(đ) =
đž, đ˝ â R+ .
đ
đˇđđ˝ đźđđ˝ đ (đĄ) = đ (đĄ) ,
(14)
âđĄ â (0, đ] , đ˝ > 0.
Now we establish a lemma that plays a key role in the sequel.
Abstract and Applied Analysis
3
Lemma 4. For a given â â đś([0, 1], R), the boundary value problem đ
đź
đ
đž đˇđ ( đˇđ +đ) đĽ (đĄ) = â (đĄ) ,
0 ⤠đĄ ⤠1, 0 < đ < 1,
óľ¨ (đĄ(1âđž) đˇđ đĽ (đĄ))óľ¨óľ¨óľ¨óľ¨đĄ=0 = âđˇđ đĽ (1)
đĽ (0) = âđĽ (1) ,
Using the boundary conditions (15) in (17) and (18) and solving the resulting expressions for đ0 and đ1 , we get
(15)
đ0 =
Îđ (đž + 1) 2[đž]đ
is equivalent to the đ-integral equation
1
ĂâŤ
đĽ (đĄ) =âŤ
0
(đžâ1)
đĄ
(đĄ â đđ˘) Îđ (đž)
0
Ă (âŤ
đ˘
0
+
1
0
(đ˘ â đđ) Ă (⍠Îđ (đź) 0 (đźâ1)
(đ˘ â đđ) Îđ (đź)
đ1 =
1 1 (1 â đđ˘) ⍠2 0 Îđ (đž) Ă (âŤ
0
â (đźâ1)
(đ˘ â đđ) Îđ (đź)
1
â (đ) đđ đ â đđĽ (đ˘)) đđ đ˘
ĂâŤ
0
1 1 (1 â đđ˘) ⍠2 0 Îđ (đž) Ă (âŤ
đ˘
0
(đžâ2)
(đźâ1)
(đ˘ â đđ) Îđ (đź)
(19) â (đ) đđ đ â đđĽ (đ˘)) đđ đ˘.
(đžâ1)
(đźâ1)
đ˘
(đ˘ â đđ) Ă (⍠Îđ (đź) 0
â (đ) đđ đ â đđĽ (đ˘)) đđ đ˘
đĄđž â đ âđ . Îđ (đž + 1) 0 1
Substituting the values of đ0 and đ1 in (17) yields the solution (16). The converse follows in a straightforward manner. This completes the proof. Let C = đś([0, 1], R) denote the Banach space of all continuous functions from [0, 1] into R endowed with the usual norm defined by âđĽâ = sup{|đĽ(đĄ)|, đĄ â [0, 1]}. In view of Lemma 4, we define an operator U : C â C as
(UđĽ) (đĄ) = âŤ
đĄ
0
(đžâ1)
(đĄ â đđ˘) Îđ (đž)
(17) Ă (đ´ âŤ
Differentiating (17), we obtain đˇđ đĽ (đĄ) = âŤ
đĄ
0
(đĄ â đđ˘) Îđ (đž â 1)
Îđ (đž + 1)
(đźâ1)
(đ˘ â đđ) Îđ (đź)
Ă đ (đ, đĽ (đ)) đđ đ (đźâ1)
(đ˘ â đđ) Ă (⍠Îđ (đź) 0 [đž]đ đĄđžâ1
đ˘
0
(đžâ2)
đ˘
â
â (đ) đđ đ â đđĽ (đ˘)) đđ đ˘.
(đźâ1)
(đ˘ â đđ) Îđ (đź)
(đĄ â đđ˘) Îđ (đž)
0
đ˘
0
Proof. It is well known that the solution of đ-fractional equation in (15) can be written as đĄ
â (đ) đđ đ â đđĽ (đ˘)) đđ đ˘
(1 â đđ˘) Îđ (đž â 1) Ă (âŤ
(16)
đĽ (đĄ) = âŤ
(đźâ1)
(đ˘ â đđ) Îđ (đź)
1 4[đž]đ
(đžâ1)
â
đ˘
0
(đžâ2)
đ˘
â (đ) đđ đ â đđĽ (đ˘)) đđ đ˘,
(đžâ1)
â (đ) đđ đ â đđĽ (đ˘)) đđ đ˘
(1 â đđ˘) Îđ (đž â 1)
Ă (âŤ
(đźâ1)
đ˘
(1 â 2đĄđž ) 4[đž]đ
ĂâŤ
(đžâ2)
(1 â đđ˘) Îđ (đž â 1)
â (đ) đđ đ â đđĽ (đ˘)) đđ đ˘
+ đľâŤ
đ˘
0
(đź+đâ1)
(đ˘ â đđ) Îđ (đź + đ)
Ă đ (đ, đĽ (đ)) đđ đ
đ0 . (18)
â đđĽ (đ˘) ) đđ đ˘ +
(1 â 2đĄđž ) 4[đž]đ
4
Abstract and Applied Analysis (đžâ2)
1
(1 â đđ˘) Ă⍠Îđ (đž â 1) 0 Ă (đ´ âŤ
đ˘
0
Î = đż [|đ´| ( (đźâ1)
(đ˘ â đđ) Îđ (đź)
+ |đľ| (
Ă đ (đ, đĽ (đ)) đđ đ + đľâŤ
đ˘
0
+ |đ| [
(đź+đâ1)
(đ˘ â đđ) Îđ (đź + đ)
đ˘
0
(đźâ1)
(đ˘ â đđ) Îđ (đź)
Our first existence result is based on Krasnoselskiiâs fixed point theorem.
Theorem 6. Let đ, đ : [0, 1] Ă R â R be continuous functions satisfying (A1 )-(A2 ). Furthermore Î < 1, where Î is given by (22) and đż = max{đż 1 , đż 2 }. Then the problem (1) has at least one solution on [0, 1].
Ă đ (đ, đĽ (đ)) đđ đ (đź+đâ1)
đ˘
1 1 + ]. 4Îđ (đž + 1) 2Îđ (đž + 1)
Lemma 5 (see, Krasnoselskii [38]). Let đ be a closed, convex, bounded, and nonempty subset of a Banach space đ. Let đ1 , đ2 be the operators such that (i) đ1 đĽ + đ2 đŚ â đ whenever đĽ, đŚ â đ; (ii) đ1 is compact and continuous; and (iii) đ2 is a contraction mapping. Then there exists đ§ â đ such that đ§ = đ1 đ§ + đ2 đ§.
(đžâ1)
1 1 (1 â đđ˘) ⍠2 0 Îđ (đž) Ă (đ´ âŤ
1 1 + )] 4[đž]đ Îđ (đź + đ + đž) 2Îđ (đź + đ + đž + 1)
(22)
Ă đ (đ, đĽ (đ)) đđ đ â đđĽ (đ˘)) đđ đ˘ â
1 1 + ) 4[đž]đ Îđ (đź + đž) 2Îđ (đź + đž + 1)
(đ˘ â đđ) + đľâŤ Îđ (đź + đ) 0
Ă đ (đ, đĽ (đ)) đđ đ
Proof. Consider the set đľđ = {đĽ â C : âđĽâ ⤠đ}, where đ is given by
â đđĽ (đ˘)) đđ đ˘. (20) Observe that the problem (1) has solutions only if the operator equation đĽ = UđĽ has fixed points.
đâĽ
óľŠ óľŠ óľŠ óľŠ |đ´| óľŠóľŠóľŠđ1 óľŠóľŠóľŠ đż1 + |đľ| óľŠóľŠóľŠđ2 óľŠóľŠóľŠ đż2 , 1 â |đ| đż3
Define operators U1 and U2 on đľđ as
3. Main Results For the forthcoming analysis, the following conditions are assumed.
1 â |đ| đż3 > 0.
đĄ
(U1 đĽ) (đĄ) = âŤ
0
(đ´ 1 ) đ, đ : [0, 1] Ă R â R are continuous functions such that |đ(đĄ, đĽ) â đ(đĄ, đŚ)| ⤠đż 1 |đĽ â đŚ| and |đ(đĄ, đĽ) â đ(đĄ, đŚ)| ⤠đż 2 |đĽâđŚ|, for all đĄ â [0, 1], đż 1 , đż 2 > 0, đĽ, đŚ â R.
(đžâ1)
(đĄ â đđ˘) Îđ (đž)
(đźâ1)
đ˘
(đ˘ â đđ) Ă (đ´ ⍠Îđ (đź) 0
(đ´ 2 ) There exist đ1 , đ2 â đś([0, 1], R+ ) with |đ(đĄ, đĽ)| ⤠đ1 (đĄ), |đ(đĄ, đĽ)| ⤠đ2 (đĄ), for all (đĄ, đĽ) â [0, 1] Ă R, where âđđ â = supđĄâ[0,1] |đđ (đĄ)|, đ = 1, 2.
+ đľâŤ
đ˘
0
đ (đ, đĽ (đ)) đđ đ (đź+đâ1)
(đ˘ â đđ) Îđ (đź + đ)
Ă đ (đ, đĽ (đ)) đđ đ
For computational convenience, we set đż1 =
â đđĽ (đ˘)) đđ đ˘,
3 1 + , 2Îđ (đź + đž + 1) 4[đž]đ Îđ (đź + đž)
3 1 đż2 = + , 2Îđ (đź + đ + đž + 1) 4[đž]đ Îđ (đź + đ + đž) đż3 =
3 1 + , 2Îđ (đž + 1) 4Îđ (đž + 1)
(21)
(U2 đĽ) (đĄ) =
(1 â 2đĄđž ) 4[đž]đ ĂâŤ
1
0
(đžâ2)
(1 â đđ˘) Îđ (đž â 1)
đĄ â [0, 1] ,
(23)
Abstract and Applied Analysis
5 (đźâ1)
đ˘
(đ˘ â đđ) Ă (đ´ ⍠Îđ (đź) 0
(đź+đâ1)
đ˘
(đ˘ â đđ) ⍠Îđ (đź + đ) 0
Ă đ (đ, đĽ (đ)) đđ đ (đź+đâ1)
đ˘
(đ˘ â đđ) + đľâŤ Îđ (đź + đ) 0
Consequently, for đĄ1 , đĄ2 â [0, 1], we have óľŠóľŠ óľŠ óľŠóľŠ(U1 đĽ) (đĄ2 ) â (U1 đĽ) (đĄ1 )óľŠóľŠóľŠ â¤âŤ
đĄ1
(đžâ1)
(đĄ2 â đđ˘)
0
Ă đ (đ, đĽ (đ)) đđ đ
Ă [|đ´| đ âŤ
đ˘
0
â đđĽ (đ˘)) đđ đ˘ â
0
đ (đ, đĽ (đ)) đđ đ
đ˘
Ă [|đ´| đ âŤ
0
(đź+đâ1)
(đ˘ â đđ) Îđ (đź + đ)
ĂâŤ
(đźâ1)
(đ˘ â đđ) Îđ (đź)
(24)
For đĽ, đŚ â đľđ , we find that
(đź+đâ1)
(đ˘ â đđ) Îđ (đź + đ)
óľŠóľŠ óľŠ óľŠóľŠU2 đĽ â U2 đŚóľŠóľŠóľŠ (25)
Thus, U1 đĽ + U2 đŚ â đľđ . Continuity of đ and đ imply that the operator U1 is continuous. Also, U1 is uniformly bounded on đľđ as
⤠sup { đĄâ[0,1]
1 4[đž]đ ĂâŤ
0
(đžâ2)
(1 â đđ˘) Îđ (đž â 1) Ă [|đ´| âŤ
(đźâ1)
đ˘
(đ˘ â đđ) Îđ (đź)
0
óľŠ óľŠ óľŠ óľŠ |đ´| óľŠóľŠóľŠđ1 óľŠóľŠóľŠ |đľ| óľŠóľŠóľŠđ2 óľŠóľŠóľŠ |đ| đ óľŠóľŠ óľŠ + + . óľŠóľŠU1 đĽóľŠóľŠóľŠ ⤠Îđ (đź + đž + 1) Îđ (đź + đ + đž + 1) Îđ (đž + 1) (26)
óľ¨ Ă óľ¨óľ¨óľ¨đ (đ, đĽ (đ))
óľ¨ âđ (đ, đŚ (đ))óľ¨óľ¨óľ¨ đđ đ + |đľ| âŤ
Now, we prove the compactness of the operator U1 . In view of (đ´ 1 ), we define
(đĄ,đĽ)â[0,1]Ăđľđ
óľ¨ óľ¨óľ¨ óľ¨óľ¨đ (đĄ, đĽ)óľ¨óľ¨óľ¨ = đ,
sup
(đĄ,đĽ)â[0,1]Ăđľđ
đđ đ + |đ| đ] đđ đ˘,
which is independent of đĽ and tends to zero as đĄ2 â đĄ1 . Thus, U1 is relatively compact on đľđ . Hence, by the Arzel´aAscoli Theorem, U1 is compact on đľđ . Now, we shall show that U2 is a contraction. From (đ´ 1 ) and for đĽ, đŚ â đľđ , we have
1
sup
đđ đ + |đľ| đ
(28)
đĄ â [0, 1] .
óľŠ óľŠ óľŠóľŠ óľŠ óľŠ óľŠ óľŠóľŠU1 đĽ + U2 đŚóľŠóľŠóľŠ ⤠|đ´| óľŠóľŠóľŠđ1 óľŠóľŠóľŠ đż1 + |đľ| óľŠóľŠóľŠđ2 óľŠóľŠóľŠ đż2 + |đ| đđż3 ⤠đ.
đ˘
0
Ă đ (đ, đĽ (đ)) đđ đ â đđĽ (đ˘)) đđ đ˘,
đđ đ + |đ| đ] đđ đ˘
(đĄ2 â đđ˘) Îđ (đž)
đĄ1
(đźâ1)
(đ˘ â đđ) Ă (đ´ ⍠Îđ (đź) 0 + đľâŤ
(đź+đâ1)
(đžâ1)
đĄ2
+âŤ
đ˘
đđ đ + |đľ| đ
(đ˘ â đđ) Ă⍠Îđ (đź + đ) 0
(1 â đđ˘) 1 ⍠2 0 Îđ (đž) đ˘
(đźâ1)
(đ˘ â đđ) Îđ (đź)
đ˘
(đžâ1)
1
(đžâ1)
â (đĄ1 â đđ˘) Îđ (đž)
óľ¨ óľ¨óľ¨ óľ¨óľ¨đ (đĄ, đĽ)óľ¨óľ¨óľ¨ = đ. (27)
đ˘
0
(đź+đâ1)
(đ˘ â đđ) Îđ (đź + đ)
óľ¨ Ă óľ¨óľ¨óľ¨đ (đ, đĽ (đ))
óľ¨ âđ (đ, đŚ (đ))óľ¨óľ¨óľ¨ đđ đ
óľ¨ óľ¨ + |đ| óľ¨óľ¨óľ¨đĽ (đ˘) â đŚ (đ˘)óľ¨óľ¨óľ¨] đđ đ˘
6
Abstract and Applied Analysis (đžâ1)
1 1 (1 â đđ˘) + ⍠2 0 Îđ (đž) Ă [|đ´| âŤ
⤠[đż [|đ´| ( (đźâ1)
đ˘
(đ˘ â đđ) Îđ (đź)
0
+ |đľ| (
óľ¨ Ă óľ¨óľ¨óľ¨đ (đ, đĽ (đ))
óľ¨ âđ (đ, đŚ (đ))óľ¨óľ¨óľ¨ đđ đ (đź+đâ1)
đ˘
(đ˘ â đđ) + |đľ| ⍠Îđ (đź + đ) 0
óľ¨ Ă óľ¨óľ¨óľ¨đ (đ, đĽ (đ))
óľ¨ âđ (đ, đŚ (đ))óľ¨óľ¨óľ¨ đđ đ
óľ¨ óľ¨ + |đ| óľ¨óľ¨óľ¨đĽ (đ˘) â đŚ (đ˘)óľ¨óľ¨óľ¨] đđ đ˘}
1
0
+ |đ| [
1 1 + )] 4[đž]đ Îđ (đź + đ + đž) 2Îđ (đź + đ + đž + 1)
1 1 óľŠ óľŠ + ]] óľŠóľŠóľŠđĽ â đŚóľŠóľŠóľŠ 4[đž]đ Îđ (đž) 2Îđ (đž + 1)
óľŠ óľŠ = Î óľŠóľŠóľŠđĽ â đŚóľŠóľŠóľŠ , (29) where we have used (22). In view of the assumption Î < 1, the operator U2 is a contraction. Thus, all the conditions of Lemma 5 are satisfied. Hence, by the conclusion of Lemma 5, the problem (1) has at least one solution on [0, 1].
Our next result is based on Leray-Schauder nonlinear alternative.
1 ⤠sup { 4[đž] đĄâ[0,1] đ ĂâŤ
1 1 + ) 4[đž]đ Îđ (đź + đž) 2Îđ (đź + đž + 1)
Lemma 7 (nonlinear alternative for single valued maps, see [39]). Let đ¸ be a Banach space, đś a closed, convex subset of đ¸, đ an open subset of đś, and 0 â đ. Suppose that U : đ â đś is a continuous, compact (i.e., U(đ) is a relatively compact subset of đś) map. Then either
(đžâ2)
(1 â đđ˘) Îđ (đž â 1) Ă [|đ´| âŤ
(đźâ1)
đ˘
(đ˘ â đđ) Îđ (đź)
0
đż1
óľ¨ óľ¨ Ă óľ¨óľ¨óľ¨đĽ (đ) â đŚ (đ)óľ¨óľ¨óľ¨ đđ đ đ˘
+ |đľ| âŤ
0
(đź+đâ1)
(đ˘ â đđ) Îđ (đź + đ)
óľ¨ óľ¨ Ă đż 2 óľ¨óľ¨óľ¨đĽ (đ) â đŚ (đ)óľ¨óľ¨óľ¨ đđ đ óľ¨ óľ¨ + |đ| óľ¨óľ¨óľ¨đĽ (đ˘) â đŚ (đ˘)óľ¨óľ¨óľ¨] đđ đ˘
(ii) there is a đĽ â đđ (the boundary of đ in đś) and đ
â (0, 1) with đĽ = đ
U(đĽ). Theorem 8. Let đ, đ : [0, 1] Ă R â R be continuous functions and the following assumptions hold: (đ´ 3 ) there exist functions ]1 , ]2 â đś([0, 1], R+ ), and nondecreasing functions đ1 , đ2 : R+ â R+ such that |đ(đĄ, đĽ)| ⤠]1 (đĄ)đ1 (âđĽâ), |đ(đĄ, đĽ)| ⤠]2 (đĄ)đ2 (âđĽâ), for all (đĄ, đĽ) â [0, 1] Ă R; (đ´ 4 ) there exists a constant đ > 0 such that
(đžâ1)
1 1 (1 â đđ˘) + ⍠2 0 Îđ (đž) Ă [|đ´| âŤ
(i) U has a fixed point in đ, or
đ> (đźâ1)
đ˘
(đ˘ â đđ) Îđ (đź)
0
óľ¨ óľ¨ Ă đż 1 óľ¨óľ¨óľ¨đĽ (đ) â đŚ (đ)óľ¨óľ¨óľ¨ đđ đ đ˘
+ |đľ| âŤ
0
(đź+đâ1)
(đ˘ â đđ) Îđ (đź + đ)
óľ¨ óľ¨ Ă đż 2 óľ¨óľ¨óľ¨đĽ (đ) â đŚ (đ)óľ¨óľ¨óľ¨ đđ đ óľ¨ óľ¨ + |đ| óľ¨óľ¨óľ¨đĽ (đ˘) â đŚ (đ˘)óľ¨óľ¨óľ¨] đđ đ˘}
óľŠ óľŠ óľŠ óľŠ |đ´| óľŠóľŠóľŠ]1 óľŠóľŠóľŠ đ1 (đ) đż1 + |đľ| óľŠóľŠóľŠ]2 óľŠóľŠóľŠ đ2 (đ) đż2 , 1 â |đ| đż3
1 â |đ| đż3 > 0. (30)
Then the boundary value problem (1) has at least one solution on [0, 1]. Proof. Consider the operator U : C â C defined by (20). The proof consists of several steps. (i) It is easy to show that U is continuous. (ii) U maps bounded sets into bounded sets in đś([0, 1] Ă R).
Abstract and Applied Analysis
7
For a positive number đ, let đľđ = {đĽ â C : âđĽâ ⤠đ} be a bounded set in đś([0, 1] Ă R) and đĽ â đľđ . Then, we have
(đź+đâ1)
đ˘
(đ˘ â đđ) + |đľ| ⍠Îđ (đź + đ) 0
â(UđĽ)â
Ă ]2 (đ) đ2 (âđĽâ) đđ đ
⤠sup {âŤ
đĄ
0
đĄâ[0,1]
(đžâ1)
(đĄ â đđ˘) Îđ (đž) Ă [|đ´| âŤ
đ˘
0
+ |đ| |đĽ (đ˘)|] đđ đ˘ (đźâ1)
(đ˘ â đđ) Îđ (đź)
óľ¨ óľ¨óľ¨ óľ¨óľ¨đ (đ, đĽ (đ))óľ¨óľ¨óľ¨ đđ đ
(đžâ2)
1 (1 â đđ˘) 1 + ⍠4[đž]đ 0 Îđ (đž â 1)
(đź+đâ1)
đ˘
(đ˘ â đđ) + |đľ| ⍠Îđ (đź + đ) 0
óľ¨ óľ¨ Ă óľ¨óľ¨óľ¨đ (đ, đĽ (đ))óľ¨óľ¨óľ¨ đđ đ
Ă ]1 (đ) đ1 (âđĽâ) đđ đ
1
0
(đ˘ â đđ) + |đľ| ⍠Îđ (đź + đ) 0
Ă ]2 (đ) đ2 (âđĽâ) đđ đ (đžâ2)
(1 â đđ˘) Îđ (đž â 1) Ă [|đ´| âŤ
đ˘
0
+ |đľ| âŤ
đ˘
0
+ |đ| |đĽ (đ˘)|] đđ đ˘ (đźâ1)
(đ˘ â đđ) Îđ (đź)
óľ¨ óľ¨óľ¨ óľ¨óľ¨đ (đ, đĽ (đ))óľ¨óľ¨óľ¨ đđ đ
(đžâ1)
+
(đź+đâ1)
(đ˘ â đđ) Îđ (đź + đ)
1 1 (1 â đđ˘) ⍠2 0 Îđ (đž)
(đźâ1)
đ˘
(đ˘ â đđ) Ă [|đ´| ⍠Îđ (đź) 0
óľ¨ óľ¨ Ă óľ¨óľ¨óľ¨đ (đ, đĽ (đ))óľ¨óľ¨óľ¨ đđ đ
Ă ]1 (đ) đ1 (âđĽâ) đđ đ
+ |đ| |đĽ (đ˘)|] đđ đ˘
+ |đľ| âŤ
đ˘
0
(đžâ1)
+
1 1 (1 â đđ˘) ⍠2 0 Îđ (đž)
(đźâ1)
(đ˘ â đđ) Ă [|đ´| ⍠Îđ (đź) 0 + |đľ| âŤ
đ˘
0
óľ¨ óľ¨óľ¨ óľ¨óľ¨đ (đ, đĽ (đ))óľ¨óľ¨óľ¨ đđ đ
(đź+đâ1)
(đ˘ â đđ) Îđ (đź + đ)
óľ¨ óľ¨ Ă óľ¨óľ¨óľ¨đ (đ, đĽ (đ))óľ¨óľ¨óľ¨ đđ đ + |đ| |đĽ (đ˘)|] đđ đ˘}
+ |đ| |đĽ (đ˘)|] đđ đ˘} óľŠ óľŠ â¤ |đ´| óľŠóľŠóľŠ]1 óľŠóľŠóľŠ đ1 (âđĽâ) Ă {âŤ
1
0
(đžâ1)
(1 â đđ˘) Îđ (đž)
đ˘
[âŤ
0
Ă [âŤ
đ˘
0
]1 (đ) đ1 (âđĽâ) đđ đ
+
1 1 (1 â đđ˘) ⍠2 0 Îđ (đž)
(đźâ1)
(đ˘ â đđ) Îđ (đź)
(đžâ1)
(đźâ1)
đđ đ] đđ đ˘
(đžâ2)
(đžâ1)
(đ˘ â đđ) Ă [|đ´| ⍠Îđ (đź) 0
(đźâ1)
(đ˘ â đđ) Îđ (đź)
1 (1 â đđ˘) 1 + ⍠4[đž]đ 0 Îđ (đž â 1)
(đĄ â đđ˘) ⤠sup {⍠Îđ (đž) 0 đĄâ[0,1]
đ˘
(đź+đâ1)
(đ˘ â đđ) Îđ (đź + đ)
Ă ]2 (đ) đ2 (âđĽâ) đđ đ
đ˘
đĄ
(đź+đâ1)
đ˘
1 4[đž]đ
ĂâŤ
(đ˘ â đđ) Îđ (đź)
0
+ |đ| |đĽ (đ˘)|] đđ đ˘ +
(đźâ1)
đ˘
Ă [|đ´| âŤ
đđ đ] đđ đ˘
8
Abstract and Applied Analysis (đźâ1)
đ˘
(đ˘ â đđ) Ă [⍠Îđ (đź) 0
(đĄ2 â đđ˘) +⍠Îđ (đž) đĄ1
đđ đ] đđ đ˘}
óľŠ óľŠ + |đľ| óľŠóľŠóľŠ]2 óľŠóľŠóľŠ đ2 (âđĽâ) Ă {âŤ
1
0
(đžâ1)
(1 â đđ˘) Îđ (đž)
[âŤ
đ˘
0
Ă [|đ´| âŤ
(đźâ1)
(đ˘ â đđ) Îđ (đź)
(đžâ1)
đĄ2
đđ đ] đđ đ˘
+ |đľ| âŤ
đđ đ] đđ đ˘ đž
(đžâ1)
+ (đźâ1)
(đ˘ â đđ) Ă [⍠Îđ (đź) 0 1
0
đđ đ˘ +
1
0
1 4[đž]đ
đ˘
0
(đźâ1)
(đ˘ â đđ) Îđ (đź)
]1 (đ) đ1 (đ) đđ đ (đź+đâ1)
đ˘
(đ˘ â đđ) + |đľ| ⍠Îđ (đź + đ) 0
(1 â đđ˘) Ă⍠đđ˘ Îđ (đž â 1) đ 0
Ă ]2 (đ) đ2 (đ) đđ đ
(đžâ1)
1 1 (1 â đđ˘) + ⍠2 0 Îđ (đž)
(đžâ2)
(1 â đđ˘) Îđ (đž â 1)
Ă [|đ´| âŤ
(đžâ2)
1
đž
(đĄ2 â đĄ1 ) 2[đž]đ
ĂâŤ
đđ đ] đđ đ˘}
(đžâ1)
(1 â đđ˘) Îđ (đž)
(đź+đâ1)
(đ˘ â đđ) Îđ (đź + đ)
óľ¨óľ¨ óľ¨óľ¨ + |đ| đ] đđ đ˘óľ¨óľ¨óľ¨ óľ¨óľ¨ óľ¨
(đźâ1)
1 1 (1 â đđ˘) ⍠2 0 Îđ (đž)
+ |đ| âđĽâ {âŤ
]1 (đ) đ1 (đ) đđ đ
Ă ]2 (đ) đ2 (đ) đđ đ
(đ˘ â đđ) Ă [⍠Îđ (đź) 0
đ˘
đ˘
0
1 (1 â đđ˘) 1 ⍠4[đž]đ 0 Îđ (đž â 1) đ˘
+
(đ˘ â đđ) Îđ (đź)
0
(đžâ2)
+
(đźâ1)
đ˘
đđ đ˘}
+ |đ| đ] đđ đ˘.
óľŠ óľŠ óľŠ óľŠ â¤ |đ´| óľŠóľŠóľŠ]1 óľŠóľŠóľŠ đ1 (đ) đż1 + |đľ| óľŠóľŠóľŠ]2 óľŠóľŠóľŠ đ2 (đ) đż2 + |đ| đđż3 ⤠đ.
(32)
(31) This shows that UđĽ â đľđ . (iii) U maps bounded sets into equicontinuous sets of đś([0, 1] Ă R). Let đĄ1 , đĄ2 â [0, 1] with đĄ1 < đĄ2 and đĽ â đľđ , where đľđ is a bounded set of đś([0, 1], R). Then, we obtain óľŠ óľŠóľŠ óľŠóľŠ(UđĽ) (đĄ2 ) â (UđĽ) (đĄ1 )óľŠóľŠóľŠ óľ¨óľ¨óľ¨ đĄ1 (đĄ â đđ˘)(đžâ1) â (đĄ â đđ˘)(đžâ1) óľ¨ 2 1 ⤠óľ¨óľ¨óľ¨âŤ óľ¨óľ¨ 0 Î (đž) đ óľ¨ (đźâ1)
đ˘
(đ˘ â đđ) Ă [|đ´| ⍠Îđ (đź) 0 đ˘
]1 (đ) đ1 (đ) đđ đ (đź+đâ1)
(đ˘ â đđ) + |đľ| ⍠Îđ (đź + đ) 0
Ă ]2 (đ) đ2 (đ) đđ đ + |đ| đ] đđ đ˘
Obviously the right-hand side of the above inequality tends to zero independently of đĽ â đľđ as đĄ2 â đĄ1 â 0. Therefore, it follows by the Arzel´a-Ascoli theorem that U : C â C is completely continuous. (iv) Let đĽ be a solution of the given problem such that đĽ = đ
UđĽ for đ
â (0, 1). Then, for đĄ â [0, 1], it follows by the procedure used to establish (ii) that |đĽ (đĄ)| = |đ
(UđĽ) (đĄ)| óľŠ óľŠ óľŠ óľŠ â¤ |đ´| óľŠóľŠóľŠ]1 óľŠóľŠóľŠ đ1 (âđĽâ) đż1 + |đľ| óľŠóľŠóľŠ]2 óľŠóľŠóľŠ đ2 (âđĽâ) đż2
(33)
+ |đ| âđĽâ đż3 . Consequently, we have âđĽâ â¤
óľŠ óľŠ óľŠ óľŠ |đ´| óľŠóľŠóľŠ]1 óľŠóľŠóľŠ đ1 (âđĽâ) đż1 + |đľ| óľŠóľŠóľŠ]2 óľŠóľŠóľŠ đ2 (âđĽâ) đż2 . 1 â |đ| đż3
(34)
In view of (đ´ 4 ), there exists đ such that âđĽâ ≠ đ. Let us set đ = {đĽ â C : âđĽâ < đ} .
(35)
Abstract and Applied Analysis
9 (đžâ1)
Note that the operator U : đ â đś([0, 1], R) is continuous and completely continuous. From the choice of đ, there is no đĽ â đđ such that đĽ = đ
U(đĽ) for some đ
â (0, 1). In consequence, by the nonlinear alternative of Leray-Schauder type (Lemma 7), we deduce that Uhas a fixed point đĽ â đ which is a solution of the problem (1). This completes the proof.
1 1 (1 â đđ˘) + ⍠2 0 Îđ (đž)
đ˘
Ă [|đ´| âŤ
0
óľ¨ óľ¨ Ă óľ¨óľ¨óľ¨đ (đ, đĽ (đ))óľ¨óľ¨óľ¨ đđ đ (đź+đâ1)
đ˘
(đ˘ â đđ) + |đľ| ⍠Îđ (đź + đ) 0
Finally we show the existence of a unique solution of the given problem by applying Banachâs contraction mapping principle (Banach fixed-point theorem).
óľ¨ óľ¨ Ă óľ¨óľ¨óľ¨đ (đ, đĽ (đ))óľ¨óľ¨óľ¨ đđ đ
Theorem 9. Suppose that the assumption (A1 ) holds and Î = (đżÎ 1 + |đ| đż3 ) < 1,
Î 1 = |đ´| đż1 + |đľ| đż2 ,
(36) + |đ| |đĽ (đ˘)| ] đđ đ˘}
where đż1 , đż2 , and đż3 are given by (21) and đż = max{đż 1 , đż 2 }. Then the boundary value problem (1) has a unique solution. Proof. Fix đ = max{đ1 , đ2 }, where đ1 , đ2 are finite = supđĄâ[0,1] |đ(đĄ, 0)|, đ2 = numbers given by đ1 supđĄâ[0,1] |đ(đĄ, 0)|. Selecting đ ⼠đÎ 1 /(1 â Î), we show that Uđľđ â đľđ , where đľđ = {đĽ â C : âđĽâ ⤠đ}. For đĽ â đľđ , we have â(UđĽ)â ⤠sup {⍠đĄâ[0,1]
đĄ
0
⤠sup {⍠đĄâ[0,1]
đĄ
0
(đžâ1)
(đĄ â đđ˘) Îđ (đž)
Ă [|đ´| âŤ
(đźâ1)
đ˘
(đ˘ â đđ) Îđ (đź)
0
óľ¨ óľ¨ Ă (óľ¨óľ¨óľ¨đ (đ, đĽ (đ)) â đ (đ, 0)óľ¨óľ¨óľ¨
(đžâ1)
(đĄ â đđ˘) Îđ (đž)
óľ¨ óľ¨ + óľ¨óľ¨óľ¨đ (đ, 0)óľ¨óľ¨óľ¨) đđ đ
(đźâ1)
đ˘
(đ˘ â đđ) Ă [|đ´| ⍠Îđ (đź) 0
đ˘
óľ¨ óľ¨óľ¨ óľ¨óľ¨đ (đ, đĽ (đ))óľ¨óľ¨óľ¨ đđ đ
+ |đľ| âŤ
0
(đź+đâ1)
(đ˘ â đđ) Îđ (đź + đ)
óľ¨ óľ¨ Ă (óľ¨óľ¨óľ¨đ (đ, đĽ (đ)) â đ (đ, 0)óľ¨óľ¨óľ¨
(đź+đâ1)
đ˘
(đ˘ â đđ) + |đľ| ⍠Îđ (đź + đ) 0
óľ¨ óľ¨ + óľ¨óľ¨óľ¨đ (đ, 0)óľ¨óľ¨óľ¨) đđ đ
óľ¨ óľ¨ Ă óľ¨óľ¨óľ¨đ (đ, đĽ (đ))óľ¨óľ¨óľ¨ đđ đ
+ |đ| |đĽ (đ˘)|] đđ đ˘
+ |đ| |đĽ (đ˘)|] đđ đ˘
(đžâ2)
+
(đžâ2)
+
(đźâ1)
(đ˘ â đđ) Îđ (đź)
1 (1 â đđ˘) 1 ⍠4[đž]đ 0 Îđ (đž â 1)
Ă [|đ´| âŤ
đ˘
(đźâ1)
đ˘
(đ˘ â đđ) Îđ (đź)
0
1 (1 â đđ˘) 1 ⍠4[đž]đ 0 Îđ (đž â 1)
Ă [|đ´| âŤ
0
óľ¨ óľ¨ Ă (óľ¨óľ¨óľ¨đ (đ, đĽ (đ)) â đ (đ, 0)óľ¨óľ¨óľ¨
óľ¨ óľ¨ Ă óľ¨óľ¨óľ¨đ (đ, đĽ (đ))óľ¨óľ¨óľ¨ đđ đ + |đľ| âŤ
đ˘
0
óľ¨ óľ¨ + óľ¨óľ¨óľ¨đ (đ, 0)óľ¨óľ¨óľ¨) đđ đ
(đź+đâ1)
(đ˘ â đđ) Îđ (đź + đ)
óľ¨ óľ¨ Ă óľ¨óľ¨óľ¨đ (đ, đĽ (đ))óľ¨óľ¨óľ¨ đđ đ + |đ| |đĽ (đ˘)|] đđ đ˘
(đźâ1)
(đ˘ â đđ) Îđ (đź)
đ˘
(đź+đâ1)
(đ˘ â đđ) + |đľ| ⍠Îđ (đź + đ) 0
óľ¨ óľ¨ Ă (óľ¨óľ¨óľ¨đ (đ, đĽ (đ)) â đ (đ, 0)óľ¨óľ¨óľ¨ óľ¨ óľ¨ + óľ¨óľ¨óľ¨đ (đ, 0)óľ¨óľ¨óľ¨) đđ đ
10
Abstract and Applied Analysis (đ˘ â đđ) Ă [⍠Îđ (đź + đ) 0
+ |đ| |đĽ (đ˘)|] đđ đ˘ (đžâ1)
+
+
1 1 (1 â đđ˘) ⍠2 0 Îđ (đž)
(đźâ1)
đ˘
(đ˘ â đđ) Îđ (đź)
0
đđ đ] đđ đ˘
(đžâ1)
1 1 (1 â đđ˘) ⍠2 0 Îđ (đž) Ă [|đ´| âŤ
(đź+đâ1)
đ˘
Ă [âŤ
0
óľ¨ óľ¨ Ă (óľ¨óľ¨óľ¨đ (đ, đĽ (đ)) â đ (đ, 0)óľ¨óľ¨óľ¨ óľ¨ óľ¨ + óľ¨óľ¨óľ¨đ (đ, 0)óľ¨óľ¨óľ¨) đđ đ
(đĄ â đđ˘) Îđ (đž)
0
đĄâ[0,1]
(đź+đâ1)
(đ˘ â đđ) Îđ (đź + đ)
(đžâ1)
đĄ
+ |đ| đ sup {âŤ
(đź+đâ1)
đ˘
đ˘
(đ˘ â đđ) + |đľ| ⍠Îđ (đź + đ) 0
ĂâŤ
1
0
óľ¨ óľ¨ Ă (óľ¨óľ¨óľ¨đ (đ, đĽ (đ)) â đ (đ, 0)óľ¨óľ¨óľ¨
đđ đ˘ +
đđ đ] đđ đ˘}
1 4[đž]đ
(đžâ2)
(1 â đđ˘) đđ˘ Îđ (đž â 1) đ (đžâ1)
1 1 (1 â đđ˘) + ⍠2 0 Îđ (đž)
óľ¨ óľ¨ + óľ¨óľ¨óľ¨đ (đ, 0)óľ¨óľ¨óľ¨) đđ đ
đđ đ˘}
⤠đÎ 1 + Îđ ⤠đ + |đ| |đĽ (đ˘)|] đđ đ˘}
(37)
⤠|đ´| (đż 1 đ + đ1 ) Ă sup {âŤ
đĄ
0
đĄâ[0,1]
(đžâ1)
This shows that Uđľđ â đľđ . For đĽ, đŚ â R, we obtain
(đĄ â đđ˘) Îđ (đž)
Ă [âŤ
đ˘
0
(đźâ1)
(đ˘ â đđ) Îđ (đź)
đđ đ] đđ đ˘ (đžâ2)
⤠sup {âŤ
1 (1 â đđ˘) 1 + ⍠4[đž]đ 0 Îđ (đž â 1)
Ă [âŤ
đ˘
0
óľŠ óľŠóľŠ óľŠóľŠUđĽ â UđŚóľŠóľŠóľŠ
đĄâ[0,1]
(đźâ1)
(đ˘ â đđ) Îđ (đź)
đđ đ] đđ đ˘
đĄ
0
(đžâ1)
(đĄ â đđ˘) Îđ (đž)
Ă [|đ´| âŤ
1 1 (1 â đđ˘) ⍠2 0 Îđ (đž) Ă [âŤ
đ˘
0
óľ¨ óľ¨ Ă óľ¨óľ¨óľ¨đ (đ, đĽ (đ)) â đ (đ, đŚ (đ))óľ¨óľ¨óľ¨ đđ đ đ˘
+ |đľ| âŤ
0
(đźâ1)
(đ˘ â đđ) Îđ (đź)
óľ¨ óľ¨ + |đ| óľ¨óľ¨óľ¨đĽ (đ˘) â đŚ (đ˘)óľ¨óľ¨óľ¨] đđ đ˘ + (đžâ1)
(đĄ â đđ˘) Ă sup {⍠Îđ (đž) 0 đĄâ[0,1] Ă [âŤ
đ˘
0
(đź+đâ1)
(đ˘ â đđ) Îđ (đź + đ)
óľ¨ óľ¨ Ă óľ¨óľ¨óľ¨đ (đ, đĽ (đ)) â đ (đ, đŚ (đ))óľ¨óľ¨óľ¨ đđ đ
đđ đ] đđ đ˘}
+ |đľ| (đż 2 đ + đ2 ) đĄ
(đ˘ â đđ) Îđ (đź)
0
(đžâ1)
+
(đźâ1)
đ˘
ĂâŤ
1
0
(đžâ2)
(1 â đđ˘) Îđ (đž â 1)
(đź+đâ1)
(đ˘ â đđ) Îđ (đź + đ)
đđ đ] đđ đ˘ (đžâ2)
1 (1 â đđ˘) 1 + ⍠4[đž]đ 0 Îđ (đž â 1)
1 4[đž]đ
Ă [|đ´| âŤ
đ˘
0
(đźâ1)
(đ˘ â đđ) Îđ (đź)
óľ¨ Ă óľ¨óľ¨óľ¨đ (đ, đĽ (đ))
óľ¨ âđ (đ, đŚ (đ))óľ¨óľ¨óľ¨ đđ đ
Abstract and Applied Analysis
11 (đź+đâ1)
đ˘
Clearly, ]1 (đĄ) = đĄ + 1, đ1 (âđĽâ) = âđĽâ/10 + 1, ]2 (đĄ) = 1/8, đ1 (âđĽâ) = 1, and the condition (A4 ) implies that đ > 1.00176. Thus all the assumptions of Theorem 8 are satisfied. Hence, the conclusion of Theorem 8 applies to the problem (39).
(đ˘ â đđ) + |đľ| ⍠Îđ (đź + đ) 0
óľ¨ Ă óľ¨óľ¨óľ¨đ (đ, đĽ (đ))
óľ¨ âđ (đ, đŚ (đ))óľ¨óľ¨óľ¨ đđ đ
Example 11. Consider the following đ-fractional đantiperiodic boundary value problem:
óľ¨ óľ¨ + |đ| óľ¨óľ¨óľ¨đĽ (đ˘) â đŚ (đ˘)óľ¨óľ¨óľ¨] đđ đ˘
đ
(đžâ1)
+
1 1 (1 â đđ˘) ⍠2 0 Îđ (đž)
đź đ đž 1 đˇđ ( đˇđ + ) đĽ (đĄ) 8
1 1 = đ (đĄ, đĽ (đĄ)) + đźđđ đ (đĄ, đĽ (đĄ)) , 2 4 (đźâ1)
đ˘
(đ˘ â đđ) Îđ (đź)
Ă [|đ´| âŤ
0
0 < đĄ < 1, 0 < đ < 1, đĽ (0) = âđĽ (1) ,
óľ¨ Ă óľ¨óľ¨óľ¨đ (đ, đĽ (đ))
đ˘
0
óľ¨ (đĄ(1âđž) đˇđ đĽ (đĄ))óľ¨óľ¨óľ¨óľ¨đĄ=0 = âđˇđ đĽ (1) ,
where đź = đž = đ = đ = đ´ = 1/2, đ = 1/8, đľ = 1/4, đ(đĄ, đĽ) = (1/(đĄ2 +2))(|đĽ|/(1+|đĽ|))+sin2 đĄ, đ(đĄ, đĽ) = (1/4)tanâ1 đĽ+cos2 đĄ+ đĄ3 + 5. With the given data, it is found that đż 1 = 1/2, đż 2 = 1/4 as |đ(đĄ, đĽ) â đ(đĄ, đŚ)| ⤠(1/2)|đĽ â đŚ|, |đ(đĄ, đĽ) â đ(đĄ, đŚ)| ⤠(1/4)|đĽ â đŚ|. Clearly đż = max{đż 1 , đż 2 } = 1/2. Moreover, đż1 â 1.92678, đż2 â 1.72332, and đż3 â 1.90037. Using the given values, it is found that Î â 0.934655 < 1. Thus all the assumptions of Theorem 9 are satisfied. Hence, by the conclusion of Theorem 9, there exists a unique solution for the problem (41).
óľ¨ âđ (đ, đŚ (đ))óľ¨óľ¨óľ¨ đđ đ
+ |đľ| âŤ
(41)
(đź+đâ1)
(đ˘ â đđ) Îđ (đź + đ)
óľ¨ Ă óľ¨óľ¨óľ¨đ (đ, đĽ (đ))
óľ¨ âđ (đ, đŚ (đ))óľ¨óľ¨óľ¨ đđ đ
óľ¨ óľ¨ + |đ| óľ¨óľ¨óľ¨đĽ (đ˘) â đŚ (đ˘)óľ¨óľ¨óľ¨] đđ đ˘}
Conflict of Interests
óľŠ óľŠ â¤ Î óľŠóľŠóľŠđĽ â đŚóľŠóľŠóľŠ . (38) Since Î â (0, 1) by the given assumption, therefore U is a contraction. Hence, it follows by Banachâs contraction principle that the problem (1) has a unique solution. Example 10. Consider a đ-fractional integrodifferential equation with đ-antiperiodic boundary conditions given by
The authors declare that there is no conflict of interests regarding the publication of this paper.
Acknowledgment This work was partially supported by Deanship of Scientific Research (DSR), King Abdulaziz University, Jeddah, Saudi Arabia.
References đ đź đˇđ
1 ( đˇđđž + ) đĽ (đĄ) 15 đ
1 1 = đ (đĄ, đĽ (đĄ)) + đźđđ đ (đĄ, đĽ (đĄ)) , 5 8
(39)
0 < đĄ < 1, 0 < đ < 1, đĽ (0) = âđĽ (1) ,
óľ¨ (đĄ(1âđž) đˇđ đĽ (đĄ))óľ¨óľ¨óľ¨óľ¨đĄ=0 = âđˇđ đĽ (1) ,
where đź = đž = đ = đ = 1/2, đ = 1/15, đ´ = 1/5, đľ = 1/8, đ(đĄ, đĽ) = (đĄ/20đ) sin 2đđĽ + (đĄ + 1)(1 + đĽ)4 /(1 + (1 + đĽ)4 ), đ(đĄ, đĽ) = (1/8đ)tanâ1 đĽ + 1/16. With the given data, đż1 â 1.92678, đż2 â 1.72332, đż3 â 1.90037, and âđĽâ óľ¨ óľ¨óľ¨ + 1) , óľ¨óľ¨đ (đĄ, đĽ)óľ¨óľ¨óľ¨ ⤠(đĄ + 1) ( 10
óľ¨ 1 óľ¨óľ¨ óľ¨óľ¨đ (đĄ, đĽ)óľ¨óľ¨óľ¨ ⤠. 8
(40)
[1] S. G. Samko, A. A. Kilbas, and O. I. Marichev, Fractional Integrals and Derivatives, Gordon and Breach Science, Yverdon, Switzerland, 1993. [2] I. Podlubny, Fractional Differential Equations, vol. 198 of Mathematics in Science and Engineering, Academic Press, San Diego, Calif, USA, 1999. [3] A. A. Kilbas, H. M. Srivastava, and J. J. Trujillo, Theory and Applications of Fractional Differential Equations, vol. 204 of North-Holland Mathematics Studies, Elsevier Science B.V., Amsterdam, The Netherlands, 2006. [4] D. Baleanu, K. Diethelm, E. Scalas, and J. J. Trujillo, Fractional Calculus, vol. 3 of Series on Complexity, Nonlinearity and Chaos, World Scientific, Boston, Mass, USA, 2012. [5] D. BËaleanu, O. G. Mustafa, and R. P. Agarwal, âOn đżđ -solutions for a class of sequential fractional differential equations,â Applied Mathematics and Computation, vol. 218, no. 5, pp. 2074â 2081, 2011.
12 [6] X. Liu, M. Jia, and W. Ge, âMultiple solutions of a đ-Laplacian model involving a fractional derivative,â Advances in Difference Equations, vol. 2013, article 126, 2013. [7] R. P. Agarwal and B. Ahmad, âExistence theory for anti-periodic boundary value problems of fractional differential equations and inclusions,â Computers & Mathematics with Applications, vol. 62, no. 3, pp. 1200â1214, 2011. [8] N. J. Ford and M. L. Morgado, âFractional boundary value problems: analysis and numerical methods,â Fractional Calculus and Applied Analysis, vol. 14, no. 4, pp. 554â567, 2011. [9] A. Aghajani, Y. Jalilian, and J. J. Trujillo, âOn the existence of solutions of fractional integro-differential equations,â Fractional Calculus and Applied Analysis, vol. 15, no. 1, pp. 44â69, 2012. [10] D. OâRegan and S. StanËek, âFractional boundary value problems with singularities in space variables,â Nonlinear Dynamics, vol. 71, no. 4, pp. 641â652, 2013. [11] B. Ahmad and J. J. Nieto, âBoundary value problems for a class of sequential integrodifferential equations of fractional order,â Journal of Function Spaces and Applications, vol. 2013, Article ID 149659, 8 pages, 2013. [12] L. Zhang, B. Ahmad, G. Wang, and R. P. Agarwal, âNonlinear fractional integro-differential equations on unbounded domains in a Banach space,â Journal of Computational and Applied Mathematics, vol. 249, pp. 51â56, 2013. [13] G. Bangerezako, âđ-difference linear control systems,â Journal of Difference Equations and Applications, vol. 17, no. 9, pp. 1229â 1249, 2011. [14] G. Bangerezako, âVariational đ-calculus,â Journal of Mathematical Analysis and Applications, vol. 289, no. 2, pp. 650â665, 2004. [15] J. D. Logan, âFirst integrals in the discrete variational calculus,â Aequationes Mathematicae, vol. 9, pp. 210â220, 1973. [16] O. P. Agrawal, âSome generalized fractional calculus operators and their applications in integral equations,â Fractional Calculus and Applied Analysis, vol. 15, no. 4, pp. 700â711, 2012. [17] S. Guermah, S. Djennoune, and M. Bettayeb, âControllability and observability of linear discrete-time fractional-order systems,â International Journal of Applied Mathematics and Computer Science, vol. 18, no. 2, pp. 213â222, 2008. [18] Z. Bartosiewicz and E. PawĹuszewicz, âRealizations of linear control systems on time scales,â Control and Cybernetics, vol. 35, no. 4, pp. 769â786, 2006. [19] D. Mozyrska and Z. Bartosiewicz, âOn observability concepts for nonlinear discrete-time fractional order control systems,â New Trends in Nanotechnology and Fractional Calculus Applications, vol. 4, pp. 305â312, 2010. [20] T. Abdeljawad, F. Jarad, and D. Baleanu, âVariational optimalcontrol problems with delayed arguments on time scales,â Advances in Difference Equations, vol. 2009, Article ID 840386, 2009. [21] F. Mainardi, âFractional calculus: some basic problems in continuum and statistical mechanics,â in Fractals and Fractional Calculus in Continuum Mechanics, A. Carpinteri and F. Mainardi, Eds., pp. 291â348, Springer, New York, NY, USA, 1997. [22] R. A. C. Ferreira, âNontrivial solutions for fractional đdifference boundary value problems,â Electronic Journal of Qualitative Theory of Differential Equations, vol. 70, pp. 1â10, 2010. [23] B. Ahmad, J. J. Nieto, A. Alsaedi, and H. Al-Hutami, âExistence of solutions for nonlinear fractional q-difference integral equations with two fractional orders and nonlocal four-point boundary conditions,â Journal of the Franklin Institute, vol. 351, no. 5, pp. 2890-2909, 2014.
Abstract and Applied Analysis [24] C. S. Goodrich, âExistence and uniqueness of solutions to a fractional difference equation with nonlocal conditions,â Computers & Mathematics with Applications, vol. 61, no. 2, pp. 191â202, 2011. [25] J. Ma and J. Yang, âExistence of solutions for multi-point boundary value problem of fractional đ-difference equation,â Electronic Journal of Qualitative Theory of Differential Equations, vol. 92, pp. 1â10, 2011. [26] J. R. Graef and L. Kong, âPositive solutions for a class of higher order boundary value problems with fractional đ-derivatives,â Applied Mathematics and Computation, vol. 218, no. 19, pp. 9682â9689, 2012. [27] B. Ahmad and S. K. Ntouyas, âExistence of solutions for nonlinear fractional đ-difference inclusions with nonlocal Robin (separated) conditions,â Mediterranean Journal of Mathematics, vol. 10, no. 3, pp. 1333â1351, 2013. [28] X. Li, Z. Han, and S. Sun, âExistence of positive solutions of nonlinear fractional đ-difference equation with parameter,â Advances in Difference Equations, vol. 2013, article 260, 2013. [29] A. Alsaedi, B. Ahmad, and H. Al-Hutami, âA study of nonlinear fractional đ-difference equations with nonlocal integral boundary conditions,â Abstract and Applied Analysis, vol. 2013, Article ID 410505, 8 pages, 2013. [30] F. Jarad, T. Abdeljawad, and D. Baleanu, âStability of đ-fractional non-autonomous systems,â Nonlinear Analysis: Real World Applications, vol. 14, no. 1, pp. 780â784, 2013. [31] T. Abdeljawad, D. Baleanu, F. Jarad, and R. P. Agarwal, âFractional sums and differences with binomial coefficients,â Discrete Dynamics in Nature and Society, vol. 2013, Article ID 104173, 6 pages, 2013. [32] R. A. C. Ferreira, âPositive solutions for a class of boundary value problems with fractional đ-differences,â Computers & Mathematics with Applications, vol. 61, no. 2, pp. 367â373, 2011. [33] A. Ashyralyev, N. Nalbant, and Y. Szen, âStructure of fractional spaces generated by second order difference operators,â Journal of the Franklin Institute, vol. 351, no. 2, pp. 713â731, 2014. [34] W. A. Al-Salam, âSome fractional đ-integrals and đ-derivatives,â Proceedings of the Edinburgh Mathematical Society. Series II, vol. 15, pp. 135â140, 1967. [35] M. H. Annaby and Z. S. Mansour, q-Fractional Calculus and Equations, vol. 2056 of Lecture Notes in Mathematics, Springer, Berlin, Germany, 2012. [36] R. P. Agarwal, âCertain fractional đ-integrals and đ-derivatives,â vol. 66, pp. 365â370, 1969. [37] P. M. Rajkovi´c, S. D. Marinkovi´c, and M. S. Stankovi´c, âOn đ-analogues of Caputo derivative and Mittag-Leffler function,â Fractional Calculus & Applied Analysis, vol. 10, no. 4, pp. 359â 373, 2007. [38] D. R. Smart, Fixed Point Theorems, Cambridge University Press, 1974. [39] A. Granas and J. Dugundji, Fixed Point Theory, Springer Monographs in Mathematics, Springer, New York, NY, USA, 2003.
Advances in
Operations Research Hindawi Publishing Corporation http://www.hindawi.com
Volume 2014
Advances in
Decision Sciences Hindawi Publishing Corporation http://www.hindawi.com
Volume 2014
Mathematical Problems in Engineering Hindawi Publishing Corporation http://www.hindawi.com
Volume 2014
Journal of
Algebra Hindawi Publishing Corporation http://www.hindawi.com
Probability and Statistics Volume 2014
The Scientific World Journal Hindawi Publishing Corporation http://www.hindawi.com
Hindawi Publishing Corporation http://www.hindawi.com
Volume 2014
International Journal of
Differential Equations Hindawi Publishing Corporation http://www.hindawi.com
Volume 2014
Volume 2014
Submit your manuscripts at http://www.hindawi.com International Journal of
Advances in
Combinatorics Hindawi Publishing Corporation http://www.hindawi.com
Mathematical Physics Hindawi Publishing Corporation http://www.hindawi.com
Volume 2014
Journal of
Complex Analysis Hindawi Publishing Corporation http://www.hindawi.com
Volume 2014
International Journal of Mathematics and Mathematical Sciences
Journal of
Hindawi Publishing Corporation http://www.hindawi.com
Stochastic Analysis
Abstract and Applied Analysis
Hindawi Publishing Corporation http://www.hindawi.com
Hindawi Publishing Corporation http://www.hindawi.com
International Journal of
Mathematics Volume 2014
Volume 2014
Discrete Dynamics in Nature and Society Volume 2014
Volume 2014
Journal of
Journal of
Discrete Mathematics
Journal of
Volume 2014
Hindawi Publishing Corporation http://www.hindawi.com
Applied Mathematics
Journal of
Function Spaces Hindawi Publishing Corporation http://www.hindawi.com
Volume 2014
Hindawi Publishing Corporation http://www.hindawi.com
Volume 2014
Hindawi Publishing Corporation http://www.hindawi.com
Volume 2014
Optimization Hindawi Publishing Corporation http://www.hindawi.com
Volume 2014
Hindawi Publishing Corporation http://www.hindawi.com
Volume 2014