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偏序Banach空间上非线性分数阶微分方程的一些存在性结果

摘要

利用锥上的不动点结果,通过给定的边值问题研究了一类非线性分数阶微分方程正解的存在唯一性。为了说明所获得的结果,给出了示例。

1引言

分数阶微分方程领域的理论和应用得到了深入的发展(例如,参见[16]以及其中的参考)。值得注意的是,大多数关于分数阶微积分的论文和书籍都致力于研究线性初值分数阶微分方程的特殊函数可解性。有一些论文利用非线性分析技术,如不动点结果、Leray-Shauder定理、稳定性、,等。(例如,请参见[719]以及其中的参考)。事实上,分数微分方程出现在许多工程和科学学科中,如物理学、化学、生物学、经济学、控制理论、信号和图像处理、生物物理学、血流现象和空气动力学(例如[2023]以及其中的参考)。使用分数阶非线性微分方程的主要优点是,我们可以用记忆来描述复杂非局部系统的动力学。在这门课程中,从理论和应用的角度来看,涉及各种分数阶的方程都很重要。我们需要以下概念。

定义1.1([1,4])

对于连续函数(f):[0,)R(右),分数阶卡普托导数α由定义

D类 α c(c) (f)(t吨)= 1 Γ ( n个 负极 α ) ¦Β 0 t吨 ( t吨 负极 ) n个 负极 α 负极 1 (f) ( n个 ) ()d日,

哪里n个负极1<α<n个,n个=[α]+1[α]表示的整数部分α.

定义1.2([1,4])

Riemann-Liouville分数阶导数α对于连续函数(f)由定义

D类 α (f)(t吨)= 1 Γ ( n个 负极 α ) ( d日 d日 t吨 ) n个 ¦Β 0 t吨 (f) ( ) ( t吨 负极 ) α 负极 n个 负极 1 d日 ( n个 = [ α ] + 1 ) ,

其中右侧是在上逐点定义的(0,).

定义1.3([1,4])

[,b条]是一个间隔α>0函数的Riemann-Liouville分数阶积分(f) L(左) 1 ([,b条],R(右))由定义

α (f)(t吨)= 1 γ ( α ) ¦Β t吨 (f) ( ) ( t吨 负极 ) 1 负极 α d日

只要积分存在。

假设E类是由锥部分排序的Banach空间P(P)E类也就是说,x个当且仅当负极x个P(P)。我们表示的零元素E类通过θ.一个圆锥体P(P)如果存在常量,则称为正常N个>0这样的话θx个暗示x个N个(请参见[24]). 此外,我们还定义了订购间隔[ x个 1 , x个 2 ]={x个E类| x个 1 x个 x个 2 }为所有人 x个 1 , x个 2 E类[24]. 我们说操作员A类:E类E类每次都在增加x个暗示A类x个A类。此外,x个意味着存在λ>0μ>0这样的话λx个μx个(请参见[24]). 最后,把 P(P) 小时 ={x个E类|x个小时}为所有人小时>θ很容易看出 P(P) 小时 P(P)是凸的,并且λ P(P) 小时 = P(P) 小时 为所有人λ>0。我们在结果中回顾了以下内容。E类成为一个真正的巴拿赫空间,让P(P)成为一个圆锥体E类.让(,b条)作为间隔,让τφ是两个正值函数,这样φ(t吨)τ(t吨)为所有人t吨(,b条)τ:(,b条)(0,1)是一个回注。我们说操作员A类:P(P)P(P)τ-φ-在任何时候A类(τ(t吨)x个)φ(t吨)A类x个为所有人t吨(,b条)x个P(P)[13]. 我们这么说A类φ-在任何时候τ(t吨)=t吨为所有人t吨[13]. 我们回顾以下结果。

定理1.1([13])

E类 成为巴拿赫空间, P(P) 成为一个正常的圆锥体 E类,然后让 A类:P(P)P(P) 增加,并且 τ-φ-凹算子.假设存在 θ小时P(P) 这样的话 A类小时 P(P) 小时 .那么就有了 u个 0 , v(v) 0 P(P) 小时 第页(0,1) 这样的话 第页 v(v) 0 u个 0 v(v) 0 u个 0 A类 u个 0 A类 v(v) 0 v(v) 0 ,算符A有唯一的不动点 x个 [ u个 0 , v(v) 0 ],和用于 x个 0 P(P) 小时 和顺序 { x个 n个 } 具有 x个 n个 =A类 x个 n个 负极 1 ,我们有 x个 n个 负极 x个 0.

2主要成果

我们研究了分数阶微分方程解的存在唯一性

D类 α u个(t吨)+(f) ( t吨 , u个 ( t吨 ) ) =0

具有两类边界条件和两类分数导数Riemann-Liouville和Caputo的偏序Banach空间。

2.1具有Riemann-Liouville分数阶导数的分数阶微分方程的存在性结果

首先,我们研究了分数阶微分方程正解的存在唯一性

(2.1)
(2.2)

哪里 D类 α 是Riemann-Liouville分数阶导数α.让E类=C[ε,T型].考虑上连续函数的Banach空间[ε,T型]用超范数和集P(P)={C[ε,T型]: 最小值 t吨 [ ε , T型 ] (t吨)0}。那么P(P)是一个正常的圆锥体。

引理2.1 0<ε<T型,T型1,t吨[ε,T型],η(ε,t吨) 0<α<1.然后是问题 D类 α u个(t吨)+(f)(t吨,u个(t吨))=0 具有边值条件 u个(η)=u个(T型) 有解决方案 u个 0 当且仅当 u个 0 是分数阶积分方程的解

u个(t吨)= ¦Β ε T型 G公司(t吨,)(f) ( , u个 ( ) ) d日,

哪里

G公司(t吨,)= { t吨 α 负极 1 ( η 负极 ) α 负极 1 负极 t吨 α 负极 1 ( T型 负极 ) α 负极 1 ( η α 负极 1 负极 T型 α 负极 1 ) Γ ( α ) 负极 ( t吨 负极 ) α 负极 1 Γ ( α ) , ε η t吨 T型 , 负极 t吨 α 负极 1 ( T型 负极 ) α 负极 1 ( η α 负极 1 负极 T型 α 负极 1 ) Γ ( α ) 负极 ( t吨 负极 ) α 负极 1 Γ ( α ) , ε η t吨 T型 , 负极 t吨 α 负极 1 ( T型 负极 ) α 负极 1 ( η α 负极 1 负极 T型 α 负极 1 ) Γ ( α ) , ε η t吨 T型 .

证明发件人 D类 α u个(t吨)+(f)(t吨,u个(t吨))=0以及边界条件,很容易看出u个(t吨)负极 c(c) 1 t吨 α 负极 1 =负极 ε α (f)(t吨,u个(t吨)).通过分数积分的定义,我们得到

u个(t吨)= c(c) 1 t吨 α 负极 1 负极 ¦Β ε t吨 ( t吨 负极 ) α 负极 1 Γ ( α ) (f) ( , u个 ( ) ) d日.

因此,u个(η)= c(c) 1 η α 负极 1 负极 ¦Β ε η ( η 负极 ) α 负极 1 Γ ( α ) (f)(,u个())d日

u个(T型)= c(c) 1 T型 α 负极 1 负极 ¦Β ε T型 ( T型 负极 ) α 负极 1 Γ ( α ) (f) ( , u个 ( ) ) d日.

u个(η)=u个(T型),我们获得

c(c) 1 = 1 η α 负极 1 负极 T型 α 负极 1 ¦Β ε η ( η 负极 ) α 负极 1 Γ ( α ) (f) ( , u个 ( ) ) d日负极 1 η α 负极 1 负极 T型 α 负极 1 ¦Β ε T型 ( T型 负极 ) α 负极 1 Γ ( α ) (f) ( , u个 ( ) ) d日.

因此,

u个 ( t吨 ) = t吨 α 负极 1 η α 负极 1 负极 T型 α 负极 1 ¦Β ε η ( η 负极 ) α 负极 1 Γ ( α ) (f) ( , u个 ( ) ) d日 负极 t吨 α 负极 1 η α 负极 1 负极 T型 α 负极 1 ¦Β ε T型 ( T型 负极 ) α 负极 1 Γ ( α ) (f) ( , u个 ( ) ) d日 负极 ¦Β ε t吨 ( t吨 负极 ) α 负极 1 Γ ( α ) (f) ( , u个 ( ) ) d日 = ¦Β ε T型 G公司 ( t吨 , ) (f) ( , u个 ( ) ) d日 .

这就完成了证明。□

现在,我们准备陈述并证明我们的第一个主要结果。

定理2.2 0<ε<T型 被给予并出租 τ φ 上有两个函数 (ε,T型) 这样的话 φ(t吨)τ(t吨) 为所有人 t吨(ε,T型).假设 τ:(ε,T型)(0,1) 是一个满射 (f)(t吨,u个(t吨))C([ε,T型]×[0,]) 在中增加 u个 对于每个固定 t吨,(f)(t吨,u个(t吨))0 (f)(t吨,τ(λ)u个(t吨))φ(λ)(f)(t吨,u个(t吨)) 为所有人 t吨,λ(ε,T型) u个P(P).假设存在 M(M) 1 >0, M(M) 2 >0 θ小时P(P) 这样的话

M(M) 1 小时(t吨) ¦Β ε T型 G公司(t吨,)(f) ( , 小时 ( ) ) d日 M(M) 2 小时(t吨)

为所有人 t吨[ε,T型],哪里 G公司(t吨,) 是引理中定义的格林函数吗2.1.然后是问题(2.1)具有边值条件(2.2)有独特的积极解决方案 u个 P(P) 小时 .此外,对于序列 u个 n个 + 1 = ¦Β ε T型 G公司(t吨,)(f)(, u个 n个 ())d日,我们有 u个 n个 负极 u个 0 为所有人 u个 0 P(P) 小时 .

证明通过使用引理2.1,问题等价于积分方程

u个(t吨)= ¦Β ε T型 G公司(t吨,)(f) ( , u个 ( ) ) d日,

哪里

G公司(t吨,)= { t吨 α 负极 1 ( η 负极 ) α 负极 1 负极 t吨 α 负极 1 ( T型 负极 ) α 负极 1 ( η α 负极 1 负极 T型 α 负极 1 ) Γ ( α ) 负极 ( t吨 负极 ) α 负极 1 Γ ( α ) , ε η t吨 T型 , 负极 t吨 α 负极 1 ( T型 负极 ) α 负极 1 ( η α 负极 1 负极 T型 α 负极 1 ) Γ ( α ) 负极 ( t吨 负极 ) α 负极 1 Γ ( α ) , ε η t吨 T型 , 负极 t吨 α 负极 1 ( T型 负极 ) α 负极 1 ( η α 负极 1 负极 T型 α 负极 1 ) Γ ( α ) , ε η t吨 T型 .

定义运算符A类:P(P)E类通过A类u个(t吨)= ¦Β ε T型 G公司(t吨,)(f)(,u个())d日。那么u个是问题的解决方案当且仅当u个=A类u个.很容易检查操作员A类正在上增加P(P)另一方面,

A类 ( τ ( λ ) u个 ) ( t吨 ) = ¦Β ε T型 G公司 ( t吨 , ) (f) ( , τ ( λ ) u个 ( ) ) d日 φ ( λ ) ¦Β ε T型 G公司 ( t吨 , ) (f) ( , u个 ( ) ) d日 = φ ( λ ) A类 u个 ( t吨 )

为所有人λ[ε,T型]u个P(P)因此,操作员A类τ-φ-凹面。

M(M) 1 小时(t吨)A类小时(t吨)= ¦Β ε T型 G公司(t吨,)(f) ( , 小时 ( ) ) d日 M(M) 2 小时(t吨)

为所有人t吨[ε,T型],我们得到A类小时 P(P) 小时 现在,通过使用定理1.1A类有独特的积极解决方案 u个 P(P) 小时 。这就完成了证明。□

这里,我们给出以下示例来说明定理2.2。

示例2.10<ε<1给出。考虑周期边值问题

D类 1 u个 ( t吨 ) + { ( t吨 ) + [ u个 ( t吨 ) ] α } = 0 ( t吨 [ ε , 1 ] ) , u个 ( η ) = u个 ( 1 ) ,

哪里η(ε,t吨),持续打开[ε,1] 最小值 t吨 [ ε , 1 ] (t吨)>0.放置

G公司(t吨,)= { t吨 负极 2 / ( η 负极 ) 负极 2 / 负极 t吨 负极 2 / ( 1 负极 ) 负极 2 / ( η 负极 2 / 负极 1 负极 2 / ) Γ ( 1 / ) 负极 ( t吨 负极 ) 负极 2 / Γ ( 1 / ) , ε η t吨 1 , 负极 t吨 负极 2 / ( 1 负极 ) 负极 2 / ( η 负极 2 / 负极 1 负极 2 / ) Γ ( 1 / ) 负极 ( t吨 负极 ) 负极 2 / Γ ( 1 / ) , ε η t吨 1 , 负极 t吨 负极 2 / ( 1 负极 ) 负极 2 / ( η 负极 2 / 负极 1 负极 2 / ) Γ ( 1 / ) , ε η t吨 1 .

然后 ¦Β ε 1 G公司(t吨,)d日= t吨 负极 2 / ( η 负极 ε ) 1 / 负极 t吨 负极 2 / ( 1 负极 ε ) 1 / 负极 ( t吨 负极 ε ) 1 / ( η 负极 2 / 负极 1 ) Γ ( 4 / ) ( η 负极 2 / 负极 1 ) 现在,定义τ(t吨)=t吨,φ(t吨)= t吨 1 / , γ 1 = 最小值 t吨 [ ε , 1 ] (t吨), γ 2 = 最大值 t吨 [ ε , 1 ] (t吨)还有(f)(t吨,u个)=(t吨)+ u个 1 / 为所有人t吨。那么τ:(0,1)(0,1)是一个满射φ(t吨)>τ(t吨)为所有人t吨(ε,1).对于每个u个0,我们有

(f) ( t吨 , τ ( λ ) u个 ( t吨 ) ) = (f) ( t吨 , λ u个 ( t吨 ) ) = ( t吨 ) + λ 1 / [ u个 ( t吨 ) ] 1 / λ 1 / ( ( t吨 ) + [ u个 ( t吨 ) ] 1 / ) = φ ( λ ) (f) ( t吨 , u个 ( t吨 ) ) .

现在,把小时选择1, M(M) 1 =( γ 1 +1) 最小值 t吨 [ ε , 1 ] , η [ ε , 1 ] 负极 t吨 负极 2 / ( 1 负极 ε ) 1 / 负极 ( t吨 负极 ε ) 1 / ( η 负极 2 / 负极 1 ) Γ ( 4 / ) ( η 负极 2 / 负极 1 ) M(M) 2 =( γ 2 +1) 最大值 η [ ε , 1 ] ε 负极 2 / η 1 / Γ ( 4 / ) ( η 负极 2 / 负极 1 ) .然后我们得到

¦Β ε 1 G公司 ( t吨 , ) { ( ) + [ 小时 ( ) ] 1 / } d日 ¦Β ε 1 G公司 ( t吨 , ) ( γ 2 + 1 ) d日 ( γ 2 + 1 ) 最大值 t吨 [ ε , 1 ] ¦Β ε 1 G公司 ( t吨 , ) d日 ( γ 2 + 1 ) ( 最大值 η [ ε , 1 ] ε 负极 2 / η 1 / Γ ( 4 / ) ( η 负极 2 / 负极 1 ) ) = M(M) 2 小时

¦Β ε 1 G公司 ( t吨 , ) { ( ) + [ 小时 ( ) ] 1 / } d日 ( γ 1 + 1 ) 最小值 t吨 [ ε , 1 ] ¦Β ε 1 G公司 ( t吨 , ) d日 ( γ 1 + 1 ) 最小值 t吨 [ ε , 1 ] , η [ ε , 1 ] 负极 t吨 负极 2 / ( 1 负极 ε ) 1 / 负极 ( t吨 负极 ε ) 1 / ( η 负极 2 / 负极 1 ) Γ ( 4 / ) ( η 负极 2 / 负极 1 ) = M(M) 1 小时 .

因此,通过使用定理2.2,该问题在 P(P) 小时 = P(P) 1 .

2.2具有Caputo分数阶导数的分数阶微分方程的存在性结果

在这里,我们研究了分数阶微分方程正解的存在唯一性

D类 α c(c) u个(t吨)+(f) ( t吨 , u个 ( t吨 ) ) =0 ( t吨 [ 0 , T型 ] , T型 1 , 1 < α < 2 ) ,
(2.3)
u个(0)= β 1 u个(η),u个(T型)= β 2 u个(η) ( η ( 0 , t吨 ) , 0 < β 1 < β 2 < 1 ) ,
(2.4)

哪里 D类 α c(c) 是Caputo分数阶导数α.让E类=C[0,T型]是上连续函数的Banach空间[0,T型]以超标准和

P(P)= { C [ 0 , T型 ] : 最小值 t吨 [ 0 , T型 ] ( t吨 ) 0 } .

众所周知P(P)是一个正常的圆锥体。类似于引理2.1的证明,我们可以证明以下结果。

引理2.3 1<α<2,T型1,t吨[0,T型],η(0,t吨) 0< β 1 < β 2 <1.然后是问题 D类 α c(c) u个(t吨)+(f)(t吨,u个(t吨))=0 具有边值条件 u个(0)= β 1 u个(η) u个(T型)= β 2 u个(η) 有解决方案 u个 0 当且仅当 u个 0 是分数阶积分方程的解 u个(t吨)= ¦Β 0 T型 G公司(t吨,)(f)(,u个())d日,哪里

G公司(t吨,)= { [ β 1 T型 + t吨 ( β 2 负极 β 1 ) ] ( η 负极 ) α 负极 1 + t吨 ( T型 负极 ) α 负极 1 负极 T型 ( t吨 负极 ) α 负极 1 T型 Γ ( α ) , 0 η t吨 T型 , t吨 ( T型 负极 ) α 负极 1 负极 T型 ( t吨 负极 ) α 负极 1 T型 Γ ( α ) , 0 η t吨 T型 , t吨 ( T型 负极 ) α 负极 1 T型 Γ ( α ) , 0 η t吨 T型 .

定理2.4 T型1 被给予并出租 τ φ 两个阳性-上的有值函数 (0,T型) 这样的话 φ(t吨)τ(t吨) 为所有人 t吨(0,T型).假设 τ:(0,T型)(0,1) 是一个满射 (f)(t吨,u个(t吨))C([ε,T型]×[0,]) 在中增加 u个 对于每个固定 t吨,(f)(t吨,u个(t吨))=0 无论何时 0<η<<t吨<T型 (f)(t吨,u个(t吨))0 否则,还有 (f)(t吨,τ(λ)u个(t吨))φ(λ)(f)(t吨,u个(t吨)) 为所有人 t吨,λ(0,T型) u个P(P).假设存在 M(M) 1 >0, M(M) 2 >0 θ小时P(P) 这样的话

M(M) 1 小时(t吨) ¦Β 0 T型 G公司(t吨,)(f) ( , 小时 ( ) ) d日 M(M) 2 小时(t吨)

为所有人 t吨[0,T型],哪里 G公司(t吨,) 是引理中定义的格林函数2.3.然后是问题(2.3)具有边值条件(2.4)有独特的积极解决方案 u个 P(P) 小时 .此外,对于序列 u个 n个 + 1 = ¦Β ε T型 G公司(t吨,)(f)(, u个 n个 ())d日,我们有 u个 n个 负极 u个 0 为所有人 u个 0 P(P) 小时 .

证明定义操作符就足够了A类:P(P)E类通过

A类u个(t吨)= ¦Β 0 T型 G公司(t吨,)(f) ( , u个 ( ) ) d日.

现在,通过使用定理2.2的类似证明,可以证明A类u个(t吨)0为所有人u个P(P)t吨[0,T型],以及操作员A类τ-φ-凹面。通过使用定理1.1A类有独特的积极解决方案 u个 P(P) 小时 .这通过使用引理2.3完成了证明。□

下面我们给出一个例子来说明定理2.4。

例2.2α= 2 .考虑周期边值问题

D类 α c(c) u个 ( t吨 ) + ( t吨 ) + [ u个 ( t吨 ) ] α = 0 ( t吨 [ 0 , 1 ] ) , u个 ( 0 ) = 1 u个 ( 1 2 ) u个 ( 1 ) = 1 2 u个 ( 1 2 ) ,

哪里是上的连续函数[0,1]具有 最小值 t吨 [ 0 , 1 ] (t吨)>0.放置 β 2 =η=1/2, β 1 =1/

G公司(t吨,)= { [ 1 + 1 6 t吨 ] ( 1 2 负极 ) 1 / 2 + t吨 ( 1 负极 ) 1 / 2 负极 ( t吨 负极 ) 1 / 2 Γ ( / 2 ) , 0 η t吨 1 , t吨 ( 1 负极 ) 1 / 2 负极 ( t吨 负极 ) 1 / 2 Γ ( / 2 ) , 0 η t吨 1 , t吨 ( 1 负极 ) 1 / 2 Γ ( / 2 ) , 0 η t吨 1 .

然后 ¦Β 0 1 G公司(t吨,)d日= [ 1 + 1 6 t吨 ] ( 1 2 ) / 2 + t吨 负极 t吨 / 2 Γ ( 5 / 2 ) 现在,定义τ(t吨)=t吨,φ(t吨)= t吨 α , γ 1 = 最小值 t吨 [ 0 , 1 ] (t吨), γ 2 = 最大值 t吨 [ 0 , 1 ] (t吨)(f)(t吨,u个)=(t吨)+ u个 α 那么很容易看出τ:(0,1)(0,1)是一张满射图φ(t吨)>τ(t吨)对于t吨(0,1)。此外,我们还有

(f) ( t吨 , τ ( λ ) u个 ( t吨 ) ) = (f) ( t吨 , λ u个 ( t吨 ) ) = ( t吨 ) + λ α [ u个 ( t吨 ) ] α λ α ( ( t吨 ) + [ u个 ( t吨 ) ] α ) = φ ( λ ) (f) ( t吨 , u个 ( t吨 ) )

为所有人u个0现在,把小时选择1, M(M) 1 =( γ 1 +1) 最小值 t吨 [ 0 , 1 ] 负极 1 t吨 ( 1 2 ) / 2 负极 t吨 / 2 Γ ( 5 / 2 ) 还有 M(M) 2 =( γ 2 +1) 5 6 ( 1 2 ) / 2 + 1 Γ ( 5 / 2 ) .那么我们有

¦Β 0 1 G公司 ( t吨 , ) { ( ) + [ 小时 ( ) ] / 2 } d日 ¦Β 0 1 G公司 ( t吨 , ) ( γ 2 + 1 ) d日 ( γ 2 + 1 ) 最大值 t吨 [ 0 , 1 ] ¦Β 0 1 G公司 ( t吨 , ) d日 ( γ 2 + 1 ) 5 6 ( 1 2 ) / 2 + 1 Γ ( 5 / 2 ) = M(M) 2 小时

¦Β 0 1 G公司 ( t吨 , ) { ( ) + [ 小时 ( ) ] / 2 } d日 ( γ 1 + 1 ) 最小值 t吨 [ 0 , 1 ] ¦Β 0 1 G公司 ( t吨 , ) d日 ( γ 1 + 1 ) 最小值 t吨 [ 0 , 1 ] 负极 1 t吨 ( 1 2 ) / 2 负极 t吨 / 2 Γ ( 5 / 2 ) = M(M) 1 小时 .

因此,通过使用定理2.4,该问题在 P(P) 小时 = P(P) 1 .

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致谢

这项工作得到土耳其科学和技术研究理事会的部分支持。第三和第四作者的研究得到了阿扎尔巴迪詹·沙希德·马达尼大学的支持。此外,作者还对评委提出的有益建议表示感谢,这些建议改进了本文的最终版本。

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与的通信杜米特鲁·巴利亚努.

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竞争性利益

作者声明,他们没有相互竞争的利益。

作者的贡献

作者在写这篇文章时贡献均等。作者阅读并批准了手稿的最终版本。

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开放式访问本文根据Creative Commons Attribution 2.0 International License的条款分发(https://creativecommons.org/licenses/by/2.0)它允许在任何介质中不受限制地使用、分发和复制原始作品,前提是正确引用了原始作品。

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Baleanu,D.,Agarwal,R.P.,Mohammadi,H。等。部分序Banach空间上一类非线性分数阶微分方程解的存在性。边界值问题 2013, 112 (2013). https://doi.org/10.1186/1687-2770-2013-112

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