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The Asymptotic and Oscillatory Behaviour of Difference and Differential Equations

Titre: The Asymptotic and Oscillatory Behaviour of Difference and Differential Equations

Thèse de Doctorat , 2009 , 193 Pages

Autor:in: Shuhui Wu (Auteur)

Mathématiques - Mathématiques appliquées
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Résumé Extrait Résumé des informations

This thesis deals with the asymptotic and oscillatory behaviour of the solutions of certain differential and difference equations.

It mainly consists of three parts. The first part is to study the asymptotic behaviour of certain differential equations. The second part is to look for oscillatory criteria for certain nonlinear neutral differential equations. And the third part is to establish new criteria for a class of nonlinear neutral difference equations of any order with continuous variable and another type of higher even order nonlinear neutral difference equations to be oscillatory.

A functional differential equation is a differential equation involving the values of the unknown functions at present, as well as at past or future time. The word “time” here stands for the independent variable. In the thesis, the concept of a functional differential equation is confined to ordinary differential equations, although it suits partial ones as well. Functional differential equations can be classified into four types according to their deviations: retarded, advanced, neutral and mixed.

A neutral equation is one in which derivative of functionals of the past history and the present state are involved, but no future states occur in the equation. The order of a differential equation is the order of the highest derivative of the unknown function.

A difference equation is a specific type of recurrence relation, which is an equation that defines a sequence recursively: each term of the sequence is defined as a function of the preceding terms. On the other hand, difference equations can be thought of as the discrete analogue of the corresponding differential equations.

By analogy with differential equations, difference equations also can be classified into four types: delay, advanced, neutral, and mixed. The order of a difference equation is the difference between the largest and the smallest values of the integer variable explicitly involved in the difference equation.

Extrait


Table of Contents

1 INTRODUCTION

1.1 TERMINOLOGY

1.2 PRELIMINARIES

1.3 BACKGROUND AND HISTORY REVIEW

1.4 MOTIVATION FOR THE THESIS

1.5 OUTLINE OF THE THESIS

2 STABILITY OF DIFFERENTIAL EQUATIONS

2.1 INTRODUCTION

2.2 MAIN RESULT

2.3 THE PROOF

2.4 CONCLUSION

3 OSCILLATION OF NONLINEAR NEUTRAL DIFFERENTIAL EQUATIONS

3.1 INTRODUCTION

3.2 MAIN RESULTS WHEN δ = +1

3.3 EXAMPLES FOR (3.2.2)

3.4 MAIN RESULTS WHEN δ = −1

3.5 EXAMPLES FOR (3.4.14)

3.6 CONCLUSION

4 EVEN ORDER DIFFERENCE EQUATIONS

4.1 INTRODUCTION

4.2 PRELIMINARIES

4.3 SECOND ORDER EQUATION (4.1.1)

4.3.1 OSCILLATION CRITERIA

4.3.2 EXAMPLES

4.3.3 SOME LEMMAS

4.3.4 PROOF OF THEOREMS

4.4 FOURTH ORDER EQUATION (4.1.1)

4.4.1 RELATED LEMMAS

4.4.2 MAIN RESULTS

4.4.3 EXAMPLES

4.5 HIGHER EVEN ORDER EQUATION (4.1.1)

4.5.1 RELATED LEMMAS

4.5.2 MAIN RESULTS

4.5.3 EXAMPLES

4.6 CONCLUSION

5 ODD ORDER DIFFERENCE EQUATIONS

5.1 INTRODUCTION

5.2 PRELIMINARIES

5.3 THIRD ORDER EQUATION (4.1.1)

5.3.1 RELATED LEMMAS

5.3.2 MAIN RESULTS

5.3.3 EXAMPLES

5.4 HIGHER ODD ORDER EQUATION (4.1.1)

5.4.1 RELATED LEMMAS

5.4.2 MAIN RESULTS

5.4.3 EXAMPLES

5.5 CONCLUSION AND SUMMARY

6 HIGHER ORDER NONLINEAR DIFFERENCE EQUATIONS

6.1 INTRODUCTION

6.2 RELATED LEMMAS

6.3 MAIN RESULTS

6.4 EXAMPLES

6.5 CONCLUSION

7 CONCLUSION

Research Objectives and Core Topics

This thesis aims to investigate the asymptotic and oscillatory behavior of solutions for various classes of differential and difference equations, providing theoretical criteria in higher dimensions where explicit solutions are often unavailable.

  • Stability of non-autonomous Lotka-Volterra systems.
  • Oscillation criteria for second-order nonlinear neutral differential equations.
  • Oscillatory behavior of higher-order nonlinear neutral difference equations with continuous variables.
  • Application of Riccati transformation techniques to establish stability and oscillation results.
  • Comparative study between even and odd order difference equation behaviors.

Excerpt from the Book

3.2 MAIN RESULTS WHEN δ = +1

In this section, we consider equation (3.1.1) with δ = +1. We rewrite equation (3.1.1) as (a(t)(x(t) + p(t)x(t − τ )))' + f(t, x(t − σ)) − g(t, x(t − ρ)) = 0. (3.2.2)

Four oscillatory criteria will be presented here for equation (3.2.2) to be bounded oscillatory, almost oscillatory and bounded almost oscillatory, respectively.

Theorem 3.2.1 Suppose conditions (H1), (H2) and (H4) hold, q(t) > r(t), r(t) is bounded and σ ≥ ρ. Then (3.2.2) is bounded oscillatory.

Proof Let x(t) be a bounded non-oscillatory solution. Suppose x(t) is an eventually positive solution. Then there exists a t2 ≥ t1 such that x(t) > 0 and x(t − λ) > 0 for t ≥ t2. Let z(t) = a(t)(x(t) + p(t)x(t − τ )) − ∫(t-ρ to t-σ) r(s)x(s)ds. (3.2.3)

Summary of Chapters

1 INTRODUCTION: Outlines the fundamental terminology, basic notations, and the motivation for investigating the qualitative behavior of differential and difference equations.

2 STABILITY OF DIFFERENTIAL EQUATIONS: Investigates the nonautonomous Lotka-Volterra population model, establishing conditions for global stability and the extinction of species.

3 OSCILLATION OF NONLINEAR NEUTRAL DIFFERENTIAL EQUATIONS: Derives criteria for bounded, almost, and bounded-almost oscillation for second-order neutral differential equations.

4 EVEN ORDER DIFFERENCE EQUATIONS: Analyzes the oscillatory behavior of even-order nonlinear neutral difference equations using integral transformations and Riccati techniques.

5 ODD ORDER DIFFERENCE EQUATIONS: Investigates odd-order equations, contrasting their oscillatory properties with those of even-order systems.

6 HIGHER ORDER NONLINEAR DIFFERENCE EQUATIONS: Focuses on more general even-order difference equations, utilizing generalized Riccati techniques to achieve oscillation criteria.

7 CONCLUSION: Summarizes the thesis findings and suggests potential future research directions for higher-order and more general nonautonomous equations.

Keywords

Differential Equations, Difference Equations, Asymptotic Behavior, Oscillatory Behavior, Neutral Equations, Stability, Lotka-Volterra Systems, Riccati Transformation, Nonlinear Dynamics, Oscillation Criteria, Nonlinear Neutral Term, Bounded Solutions, Non-autonomous Systems

Frequently Asked Questions

What is the primary focus of this thesis?

The thesis investigates the qualitative properties, specifically the asymptotic and oscillatory behavior, of solutions to various differential and difference equations, often involving neutral terms and time delays.

What types of equations are analyzed?

The work covers first-order non-autonomous differential systems, second-order nonlinear neutral differential equations, and higher-order nonlinear neutral difference equations.

What is the core research goal?

The goal is to establish theoretical criteria for oscillation and stability in mathematical models, particularly where explicit solutions cannot be formulated.

Which mathematical methods are utilized?

The author primarily employs Riccati transformations, integral transformations, and iteration methods to convert complex equations into tractable forms or inequalities.

What is the distinction between Chapter 4 and Chapter 5?

Chapter 4 focuses on even-order nonlinear neutral difference equations, while Chapter 5 addresses odd-order equations, which require different analytical approaches due to varying behaviors.

How is the stability of population models addressed?

Stability is assessed using the nonautonomous Lotka-Volterra system, where conditions are derived for a global attractor to exist, leading to the extinction of specific species.

What significance do the examples play?

The examples provided at the end of each section serve to demonstrate the practical application and validity of the established oscillation criteria in specific, solvable cases.

Why are neutral terms significant?

Neutral terms involve derivatives of functional history, making the oscillation analysis significantly more complex than standard delay differential equations.

Fin de l'extrait de 193 pages  - haut de page

Résumé des informations

Titre
The Asymptotic and Oscillatory Behaviour of Difference and Differential Equations
Université
London Metropolitan University
Auteur
Shuhui Wu (Auteur)
Année de publication
2009
Pages
193
N° de catalogue
V1176159
ISBN (PDF)
9783346600967
ISBN (Livre)
9783346600974
Langue
anglais
mots-clé
asymptotic oscillatory behaviour difference differential equations
Sécurité des produits
GRIN Publishing GmbH
Citation du texte
Shuhui Wu (Auteur), 2009, The Asymptotic and Oscillatory Behaviour of Difference and Differential Equations, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1176159
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Extrait de  193  pages
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