Hindawi Publishing Corporation Abstract and Applied Analysis Volume 2013, Article ID 869837, 17 pages http://dx.doi.org/10.1155/2013/869837 Research Article Existence Results for Langevin Fractional Differential Inclusions Involving Two Fractional Orders with Four-Point Multiterm Fractional Integral Boundary Conditions Ahmed Alsaedi,1 Sotiris K. Ntouyas,2 and Bashir Ahmad1 1 2 Department of Mathematics, Faculty of Science, King Abdulaziz University, P.O. Box 80203, Jeddah 21589, Saudi Arabia Department of Mathematics, University of Ioannina, 451 10 Ioannina, Greece Correspondence should be addressed to Ahmed Alsaedi; aalsaedi@hotmail.com Received 2 January 2013; Accepted 22 March 2013 Academic Editor: Juan J. Nieto Copyright © 2013 Ahmed Alsaedi 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 of solutions for Langevin fractional differential inclusions involving two fractional orders with four-point multiterm fractional integral boundary conditions. Our study relies on standard fixed point theorems for multivalued maps and covers the cases when the right-hand side of the inclusion has convex as well as nonconvex values. Illustrative examples are also presented. 1. Introduction We consider a boundary value problem of nonlinear Langevin fractional differential inclusions involving two fractional orders with four-point multiterm fractional integral boundary conditions given by đ đˇđ (đ đˇđ + đ) đĽ (đĄ) ∈ đš (đĄ, đĽ (đĄ)) , 0 < đĄ < 1, đ đĽ (0) = ∑đ˝đ (đźđđ đĽ) (đ) , đ=1 đ đĽ (1) = ∑đźđ (đź]đ đĽ) (đ) , (1) 0 < đ < đ < 1, đ=1 where 0 < đ, đ ≤ 1, đ đˇđ denotes the Caputo fractional derivative of order đ, đ is a real number, đźđ is the RiemannLiouville fractional integral of order đ > 0 (đ = ]đ , đđ ; đ = 1, 2, . . . , đ, đ ∈ N = {1, 2, . . .}), and đźđ , đ˝đ ∈ R are suitably chosen constants. In recent years, the boundary value problems of fractional order differential equations have emerged as an important area of research, since these problems have applications in various disciplines of science and engineering such as mechanics, electricity, chemistry, biology, economics, control theory, signal and image processing, polymer rheology, regular variation in thermodynamics, biophysics, aerodynamics, viscoelasticity and damping, electrodynamics of complex medium, wave propagation, and blood flow phenomena [1–5]. Many researchers have studied the existence theory for nonlinear fractional differential equations with a variety of boundary conditions; for instance, see the papers [6–17] and the references therein. The Langevin equation (first formulated by Langevin in 1908) is found to be an effective tool to describe the evolution of physical phenomena in fluctuating environments [18]. For some new developments on the fractional Langevin equation, see, for example, [19–26]. The main objective of this paper is to develop the existence theory for a class of problems of the type (1), when the right-hand side is convex as well as nonconvex valued. We establish three existence results: the first result is obtained by means of the nonlinear alternative of Leray-Schauder type; the second one relies on the nonlinear alternative of Leray-Schauder type for single-valued maps together with a selection theorem due to Bressan and Colombo for lower semicontinuous multivalued maps with nonempty closed and decomposable values; and a fixed point theorem due to Covitz and Nadler for contraction multivalued maps is applied to get 2 Abstract and Applied Analysis the third result. The methods used are well known; however their exposition in the framework of problem (1) is new. The paper is organized as follows: in Section 2, we recall some preliminary facts that we need in the sequel, and Section 3 contains our main results. has a unique solution đĄ đĽ (đĄ) = ∫ 0 (đĄ − đ )đ−1 Γ (đ) × (∫ 0 2. Preliminaries − Definition 1. For at least đ-times differentiable function đ : [0, ∞) → R, the Caputo derivative of fractional order đ is defined as × [∫ đˇđ đ (đĄ) = đĄ 1 ∫ (đĄ − đ )đ−đ−1 đ(đ) (đ ) đđ , Γ (đ − đ) 0 (đ − đ)đ−1 â (đ) đđ − đđĽ (đ )) đđ Γ (đ) đ 1 đĄ Δ 3 + Δ 1 Γ (đ + 1) ) ( Δ Γ (đ + 1) 2.1. Fractional Calculus. Let us recall some basic definitions of fractional calculus [1–3]. đ đ 1 0 (1 − đ )đ−1 Γ (đ) × (∫ đ 0 (2) đ (đ − đ)đ−1 â (đ) đđ − đđĽ (đ )) đđ Γ (đ) − ∑đźđ ∫ đ − 1 < đ < đ, đ = [đ] + 1, đ 0 đ=1 ] −1 (đ − đ˘) đ Γ (]đ ) where [đ] denotes the integer part of the real number đ. × (∫ 0 Definition 2. The Riemann-Liouville fractional integral of order đ is defined as đźđ đ (đĄ) = đĄ đ (đ ) 1 đđ , ∫ Γ (đ) 0 (đĄ − đ )1−đ đ > 0, (đ˘ − đ )đ−1 Γ (đ) đ˘ × {∫ 0 (3) Lemma 3. For đ > 0, the general solution of the fractional differential equation đˇđ đĽ(đĄ) = 0 is given by − (4) In view of Lemma 3, it follows that Definition 4. A function đĽ ∈ đ´đś ([0, đ], R) is called a solution of problem (1) if there exists a function V ∈ đż1 ([0, đ], R) with V(đĄ) ∈ đš(đĄ, đĽ(đĄ)), a.e. [0, đ] such that đ đˇđ (đ đˇđ + đ)đĽ(đĄ) = V(đĄ), a.e. [0, đ], and đĽ(0) = ∑đđ=1 đ˝đ (đźđđ đĽ)(đ), đĽ(1) = ∑đđ=1 đźđ (đź]đ đĽ)(đ). Lemma 5. Let â ∈ đś[0, 1]. Then the boundary value problem đ đ=1 0 đ˘ 0 (đ˘ − đ )đ−1 Γ (đ) × {∫ đ 0 (đ − đ)đ−1 â (đ) đđ − đđĽ (đ )} đđ ) đđ˘, Γ (đ) (7) where Δ = Δ 1 Δ 2 − Δ 3 Δ 4 ≠ 0, đ đ˝đ đđđ +đ , đ=1 Γ (đđ + đ + 1) Δ1 = ∑ đ đźđ đ]đ ), đ=1 Γ (]đ + 1) Δ 2 = (1 − ∑ đ đđ đ=1 đ đ=1 đ −1 (đ − đ˘) đ Γ (đđ ) 0 < đĄ < 1, đĽ (0) = ∑đ˝đ (đź đĽ) (đ) , đĽ (1) = ∑đźđ (đź]đ đĽ) (đ) , đ (5) 1 đˇđ (đ đˇđ + đ) đĽ (đĄ) = â (đĄ) , đ × (∫ for some đđ ∈ R, đ = 1, 2, . . . , đ − 1 (đ = [đ] + 1). In the following, đ´đś1 ([0, đ], R) will denote the space of functions đĽ : [0, đ] → R that are absolutely continuous and whose first derivative is absolutely continuous. đ đ 1 đĄ Δ 2 + Δ 4 Γ (đ + 1) ) ( Δ Γ (đ + 1) × ∑đ˝đ ∫ where đđ ∈ R, đ = 1, 2, . . . , đ − 1 (đ = [đ] + 1). đźđ đˇđ đĽ (đĄ) = đĽ (đĄ) + đ0 + đ1 đĄ + ⋅ ⋅ ⋅ + đđ−1 đĄđ−1 , (đ − đ)đ−1 â (đ) đđ Γ (đ) −đđĽ (đ ) } đđ ) đđ˘] provided the integral exists. đĽ (đĄ) = đ0 + đ1 đĄ + ⋅ ⋅ ⋅ + đđ−1 đĄđ−1 , đ 0 < đ < đ < 1, (6) đ˝đ đđđ ), đ=1 Γ (đđ + 1) Δ 3 = (1 − ∑ đ đźđ đ]đ +đ 1 − ). Γ (đ + 1) đ=1 Γ (]đ + đ + 1) Δ 4 = (∑ (8) Abstract and Applied Analysis 3 Proof. As argued in [23], the solution of đ đˇđ (đ đˇđ + đ)đĽ(đĄ) = â(đĄ) can be written as Lemma 6. One has đ đđđ +đ+đ âââ óľ¨ óľ¨ óľ¨óľ¨ óľ¨óľ¨ óľ¨óľ¨J1 óľ¨óľ¨ ≤ ∑ óľ¨óľ¨óľ¨đ˝đ óľ¨óľ¨óľ¨ Γ (đ + đ + đ + 1) (đĄ − đ )đ−1 đĽ (đĄ) = ∫ Γ (đ) 0 đĄ (đ − đ)đ−1 × (∫ â (đ) đđ − đđĽ (đ )) đđ Γ (đ) 0 đ − đ đ=1 đ đ +đ óľ¨ óľ¨ đ đ |đ| âđĽâ + ∑ óľ¨óľ¨óľ¨đ˝đ óľ¨óľ¨óľ¨ , Γ (đđ + đ + 1) đ=1 (9) âââ |đ| âđĽâ óľ¨óľ¨ óľ¨óľ¨ + óľ¨óľ¨J2 óľ¨óľ¨ ≤ Γ (đ + đ + 1) Γ (đ + 1) đ0 đĄđ − đ1 . Γ (đ + 1) đ óľ¨ óľ¨ + ∑ óľ¨óľ¨óľ¨đźđ óľ¨óľ¨óľ¨ Using the given conditions in (9) together with (8), we find that Δ 3 đ1 − Δ 1 đ0 = −J1 , Δ 2 đ1 − Δ 4 đ0 = J2 , đ=1 đ]đ +đ+đ âââ Γ (]đ + đ + đ + 1) đ ] +đ óľ¨ óľ¨ đ đ |đ| âđĽâ + ∑ óľ¨óľ¨óľ¨đźđ óľ¨óľ¨óľ¨ . Γ (]đ + đ + 1) đ=1 (10) where (13) Proof. By using the following property of beta function đ đ đ=1 0 J1 = ∑đ˝đ ∫ đ −1 (đ − đ˘) đ Γ (đđ ) đ˘ × (∫ 0 1 đľ (đ + 1, đ) = ∫ (1 − đ )đ−1 đ đ đđ 0 (đ˘ − đ )đ−1 Γ (đ) (đ − đ)đ−1 â (đ) đđ − đđĽ (đ )} đđ ) đđ˘, Γ (đ) đ × {∫ 0 đ 0 đ đ đ=1 0 − ∑đźđ ∫ (14) we have (1 − đ )đ−1 J2 = ∫ Γ (đ) 0 1 × (∫ Γ (đ) Γ (đ + 1) , = Γ (đ + đ + 1) đ óľ¨óľ¨ óľ¨óľ¨ óľ¨ óľ¨ óľ¨óľ¨J1 óľ¨óľ¨ ≤ ∑ óľ¨óľ¨óľ¨đ˝đ óľ¨óľ¨óľ¨ (đ − đ)đ−1 â (đ) đđ − đđĽ (đ )) đđ Γ (đ) đ=1 đ ×∫ ] −1 (đ − đ˘) đ Γ (]đ ) đ˘ × (∫ 0 0 × (∫ đ 0 (đ − đ)đ−1 â (đ) đđ − đđĽ (đ )} đđ ) đđ˘. Γ (đ) (11) Solving (10) for đ0 and đ1 , we find that đ0 = đ1 = 1 (Δ J + Δ 3 J2 ) , Δ 2 1 1 (Δ J + Δ 1 J2 ) . Δ 4 1 đ˘ 0 (đ˘ − đ )đ−1 Γ (đ) × {∫ đ −1 (đ − đ˘) đ Γ (đđ ) (đ˘ − đ )đ−1 Γ (đ) × {∫ đ 0 đ đ đđ −1 (đ − đ˘) óľ¨ óľ¨ ≤ ∑ óľ¨óľ¨óľ¨đ˝đ óľ¨óľ¨óľ¨ ∫ Γ (đđ ) 0 đ=1 × (∫ đ˘ 0 đ đ âââ + |đ| âđĽâ} đđ ) đđ˘ Γ (đ + 1) đ −1 đ đ (đ − đ˘) đ óľ¨ óľ¨ ≤ ∑ óľ¨óľ¨óľ¨đ˝đ óľ¨óľ¨óľ¨ ∫ Γ (đđ ) 0 đ=1 × (∫ In order to simplify the computations in the main results, we present a technical lemma, concerning the bounds of the operators J1 and J2 defined in the proof of the above lemma. (đ˘ − đ )đ−1 Γ (đ) ×{ (12) Substituting these values in (9), we find the desired solution. (đ − đ)đ−1 |â (đ)| đđ + |đ| |đĽ (đ )|} đđ ) đđ˘ Γ (đ) đ˘ 0 (đ˘ − đ )đ−1 đ đ âââ đđ Γ (đ) Γ (đ + 1) +∫ đ˘ 0 (đ˘ − đ )đ−1 |đ| âđĽâ đđ ) đđ˘ Γ (đ) 4 Abstract and Applied Analysis đ −1 đ đ (đ − đ˘) đ óľ¨ óľ¨ ≤ ∑ óľ¨óľ¨óľ¨đ˝đ óľ¨óľ¨óľ¨ ∫ Γ (đđ ) 0 đ=1 đ˘đ+đ âââ Γ (đ) Γ (đ + 1) Ψ= đ × đľ (đ + 1, đ) đđ˘ đ −1 đ đ (đ − đ˘) đ óľ¨ óľ¨ + ∑ óľ¨óľ¨óľ¨đ˝đ óľ¨óľ¨óľ¨ ∫ Γ (đđ ) 0 đ=1 đ óľ¨ óľ¨ ≤ ∑ óľ¨óľ¨óľ¨đ˝đ óľ¨óľ¨óľ¨ đ=1 óľ¨ óľ¨ + |đ| đ´ 1 ∑ óľ¨óľ¨óľ¨đźđ óľ¨óľ¨óľ¨ đ=1 đ˘đ |đ| âđĽâ đđ˘ Γ (đ + 1) đ óľ¨ óľ¨ + đ´ 2 ∑ óľ¨óľ¨óľ¨đ˝đ óľ¨óľ¨óľ¨ đ=1 đđđ +đ+đ âââ Γ (đđ ) Γ (đ) Γ (đ + 1) đ đ=1 đ]đ +đ Γ (]đ + đ + 1) đđđ +đ . Γ (đđ + đ + 1) (17) × đľ (đ + 1, đ) đľ (đ + đ + 1, đđ ) óľ¨ óľ¨ + ∑ óľ¨óľ¨óľ¨đ˝đ óľ¨óľ¨óľ¨ |đ| (1 + đ´ 1 ) Γ (đ + 1) 2.2. Background Material for Multivalued Analysis. Now we recall some basic definitions on multivalued maps [27–29]. Let đś([0, 1]) denote a Banach space of continuous functions from [0, 1] into R with the norm â đĽ â= supđĄ∈[0,1] |đĽ(đĄ)|. Let đż1 ([0, 1], R) be the Banach space of measurable functions đĽ : [0, 1] → R which are Lebesgue integrable and normed 1 by â đĽ âđż1 = ∫0 |đĽ(đĄ)|đđĄ. For a normed space (đ, â ⋅ â), let đđđ +đ đľ (đ + 1, đđ ) |đ| âđĽâ Γ (đđ ) Γ (đ + 1) đ đđđ +đ+đ âââ óľ¨ óľ¨ = ∑ óľ¨óľ¨óľ¨đ˝đ óľ¨óľ¨óľ¨ Γ (đđ + đ + đ + 1) đ=1 đ đ +đ óľ¨ óľ¨ đ đ |đ| âđĽâ . + ∑ óľ¨óľ¨óľ¨đ˝đ óľ¨óľ¨óľ¨ Γ (đđ + đ + 1) đ=1 (15) Pcl (đ) = {đ ∈ P (đ) : đ is closed} , Pđ (đ) = {đ ∈ P (đ) : đ is bounded} , By a similar way, we have Pđđ (đ) = {đ ∈ P (đ) : đ is compact} , Pđđ,đ (đ) = {đ ∈ P (đ) : đ is compact and convex} . |V (đ˘)| |đ| |đĽ (đ˘)| óľ¨óľ¨ óľ¨óľ¨ + óľ¨óľ¨J2 óľ¨óľ¨ ≤ Γ (đ + đ + 1) Γ (đ + 1) đ óľ¨ óľ¨ + ∑ óľ¨óľ¨óľ¨đźđ óľ¨óľ¨óľ¨ đ=1 đ]đ +đ+đ |V (đ˘)| Γ (]đ + đ + đ + 1) đ ] +đ óľ¨ óľ¨ đ đ |đ| |đĽ (đ˘)| + ∑ óľ¨óľ¨óľ¨đźđ óľ¨óľ¨óľ¨ , Γ (]đ + đ + 1) đ=1 which completes the proof. In the following, for convenience, we put óľ¨óľ¨ óľ¨óľ¨ óľ¨óľ¨ óľ¨óľ¨ óľ¨Δ óľ¨ + óľ¨Δ óľ¨ Γ (đ + 1) đ´ 1 = óľ¨ 3óľ¨ óľ¨ 1óľ¨ , |Δ| Γ (đ + 1) óľ¨óľ¨ óľ¨óľ¨ óľ¨óľ¨ óľ¨óľ¨ óľ¨Δ óľ¨ + óľ¨Δ óľ¨ Γ (đ + 1) , đ´ 2 = óľ¨ 2óľ¨ óľ¨ 4óľ¨ |Δ| Γ (đ + 1) 1 + đ´1 Ω= Γ (đ + đ + 1) đ óľ¨ óľ¨ + đ´ 1 ∑ óľ¨óľ¨óľ¨đźđ óľ¨óľ¨óľ¨ đ=1 đ óľ¨ óľ¨ + đ´ 2 ∑ óľ¨óľ¨óľ¨đ˝đ óľ¨óľ¨óľ¨ đ=1 đ]đ +đ+đ Γ (]đ + đ + đ + 1) đđ +đ+đ đ , Γ (đđ + đ + đ + 1) (18) A multivalued map đş : đ → P(đ) (16) (i) is convex (closed) valued if đş(đĽ) is convex (closed) for all đĽ ∈ đ; (ii) is bounded on bounded sets if đş(B) = ∪đĽ∈B đş(đĽ) is bounded in đ for all B ∈ Pđ (đ) (i.e., supđĽ∈B {sup{|đŚ| : đŚ ∈ đş(đĽ)}} < ∞); (iii) is called upper semicontinuous (u.s.c.) on đ if, for each đĽ0 ∈ đ, the set đş(đĽ0 ) is a nonempty closed subset of đ and if, for each open set đ of đ containing đş(đĽ0 ), there exists an open neighborhood N0 of đĽ0 such that đş(N0 ) ⊆ đ; (iv) đş is lower semicontinuous (l.s.c.) if the set {đŚ ∈ đ : đş(đŚ) ∩ đľ ≠ 0} is open for any open set đľ in đ¸; (v) is said to be completely continuous if đş(B) is relatively compact for every B ∈ Pđ (đ); (vi) is said to be measurable if, for every đŚ ∈ R, the function óľ¨ óľ¨ đĄ ół¨ół¨→ đ (đŚ, đş (đĄ)) = inf {óľ¨óľ¨óľ¨đŚ − đ§óľ¨óľ¨óľ¨ : đ§ ∈ đş (đĄ)} (19) is measurable; (vii) has a fixed point if there is đĽ ∈ đ such that đĽ ∈ đş(đĽ). The fixed point set of the multivalued operator đş will be denoted by Fixđş. Definition 7. A multivalued map đš : [0, 1] × R → P(R) is said to be CaratheĚodory if (i) đĄ ół¨→ đš(đĄ, đĽ) is measurable for each đĽ ∈ R; Abstract and Applied Analysis 5 (ii) đĽ ół¨→ đš(đĄ, đĽ) is upper semicontinuous for almost all đĄ ∈ [0, 1]; Further a CaratheĚodory function đš is called đż1 -CaratheĚodory if (iii) for each đź > 0, there exists đđź ∈ đż1 ([0, 1], R+ ) such that âđš (đĄ, đĽ)â = sup {|V| : V ∈ đš (đĄ, đĽ)} ≤ đđź (đĄ) (20) for all â đĽâ∞ ≤ đź and for a. e. đĄ ∈ [0, 1]. For each đĽ ∈ đś([0, 1], R), define the set of selections of đš by đđš,đĽ := {V ∈ đż1 ([0, 1] , R) : V (đĄ) ∈ đš (đĄ, đĽ (đĄ)) for a.e. t ∈ [0, 1]} . (21) We define the graph of đş to be the set đşđ(đş) = {(đĽ, đŚ) ∈ đ×đ, đŚ ∈ đş(đĽ)} and recall two useful results regarding closed graphs and upper semicontinuity. Lemma 8 (see [27, Proposition 1.2]). If đş : đ → Pcl (đ) is u.s.c., then đşđ(đş) is a closed subset of đ × đ; that is, for every sequence {đĽđ }đ∈N ⊂ đ and {đŚđ }đ∈N ⊂ đ, if, when đ → ∞, đĽđ → đĽ∗ , đŚđ → đŚ∗ , and đŚđ ∈ đş(đĽđ ), then đŚ∗ ∈ đş(đĽ∗ ). Conversely, if đş is completely continuous and has a closed graph, then it is upper semicontinuous. Lemma 9 (see [30]). Let đ be a Banach space. Let đš : [0, đ] × R → Pđđ,đ (đ) be an đż1 -CaratheĚodory multivalued map, and let Θ be a linear continuous mapping from đż1 ([0, 1], đ) to đś([0, 1], đ). Then the operator Θ â đF : đś ([0, 1] , đ) ół¨→ Pđđ,đ (đś ([0, 1] , đ)) , đĽ ół¨ół¨→ (Θ â đđš ) (đĽ) = Θ (đđš,đĽ,đŚ ) (22) is a closed graph operator in đś([0, 1], đ) × đś([0, 1], đ). We recall the well-known nonlinear alternative of LeraySchauder for multivalued maps. Lemma 10 (nonlinear alternative for Kakutani maps [31]). Let đ¸ be a Banach space, đś a closed convex subset of đ¸, đ an open subset of đś, and 0 ∈ đ. Suppose that đš : đ → Pđ,đV (đś) is an upper semicontinuous compact map; here Pđ,đV (đś) denotes the family of nonempty, compact convex subsets of đś. Then either (i) đš has a fixed point in đ, or (ii) there is a đ˘ ∈ đđ and đ ∈ (0, 1) with đ˘ ∈ đđš(đ˘). Definition 11. Let đ´ be a subset of [0, 1] × R. đ´ is L ⊗ B measurable if đ´ belongs to the đ-algebra generated by all sets of the form J × D, where J is Lebesgue measurable in [0, 1] and D is Borel measurable in R. Definition 12. A subset A of đż1 ([0, 1], R) is decomposable if, for all đ˘, V ∈ A, and measurable J ⊂ [0, 1] = đ˝, the function đ˘đJ + Vđđ˝−J ∈ A, where đJ stands for the characteristic function of J. Lemma 13 (see [32]). Let đ be a separable metric space, and let đ : đ → P(đż1 ([0, 1], R)) be a lower semicontinuous (l.s.c.) multivalued operator with nonempty closed and decomposable values. Then đ has a continuous selection; that is, there exists a continuous function (single-valued) đ : đ → đż1 ([0, 1], R) such that đ(đĽ) ∈ đ(đĽ) for every đĽ ∈ đ. Let (đ, đ) be a metric space induced from the normed space (đ; â ⋅ â). Consider đťđ : P(đ) × P(đ) → R ∪ {∞} given by đťđ (đ´, đľ) = max {sup đ (đ, đľ) , sup đ (đ´, đ)}, đ∈đ´ đ∈đľ (23) where đ(đ´, đ) = inf đ∈đ´ đ(đ; đ) and đ(đ, đľ) = inf đ∈đľ đ(đ; đ). Then (Pđ,cl (đ), đťđ ) is a metric space (see [33]). Definition 14. A multivalued operator đ : đ → Pcl (đ) is called (a) đž-Lipschitz if and only if there exists đž > 0 such that đťđ (đ (đĽ) , đ (đŚ)) ≤ đžđ (đĽ, đŚ) for each đĽ, đŚ ∈ đ; (24) (b) a contraction if and only if it is đž-Lipschitz with đž < 1. Lemma 15 (see [34]). Let (đ, đ) be a complete metric space. If đ : đ → Pcl (đ) is a contraction, then Fix đ ≠ 0. 3. Main Results 3.1. The CaratheĚodory Case. In this section, we are concerned with the existence of solutions for the problem (1) when the right-hand side has convex as well as nonconvex values. Initially, we assume that đš is a compact and convex valued multivalued map. Theorem 16. Suppose that (đť1 ) the map đš : [0, 1] × R → P(R) is CaratheĚodory and has nonempty compact and convex values; (đť2 ) there exist a continuous nondecreasing function đ : [0, ∞) → (0, ∞) and function đ ∈ đż1 ([0, 1], R+ ) such that âđš(đĄ, đĽ)âP := sup {|V| : V ∈ đš (đĄ, đĽ)} ≤ đ (đĄ) đ (âđĽâ) (25) for each (đĄ, đ˘) ∈ [0, 1] × R; (đť3 ) there exists a number đ > 0 such that đ (1 − Ψ) > 1, óľŠ óľŠ đ (đ) óľŠóľŠóľŠđóľŠóľŠóľŠđż1 Ω (26) with Ψ < 1, where Ω, Ψ are defined in (17). Then BVP (1) has at least one solution. Proof. Let us introduce the operator đ : đś([0, 1], R) → P(đś([0, 1], R)) as 6 Abstract and Applied Analysis â ∈ đś ([0, 1] , R) : { đĄ đ { { (đĄ − đ )đ−1 (đ − đ)đ−1 { { { (∫ V (đ) đđ − đđĽ (đ )) đđ ∫ { { { { { { Γ (đ) Γ (đ) 0 0 { { { { đ { { { { 1 đĄ Δ 3 + Δ 1 Γ (đ + 1) { { { { ) − ( { { { { Δ Γ (đ + 1) { { { { { { 1 { { { (1 − đ )đ−1 { { { { { × [∫ { { { { Γ (đ) { 0 { { { { { đ { { (đ − đ)đ−1 { { { { { { × (∫ V (đ) đđ − đđĽ (đ )) đđ { { { { Γ (đ) 0 { { { { { { đ đ (đ − đ˘)]đ −1 { { đ (đĽ) = { đź − ∑ ∫ â = (đĄ) { đ { { { { Γ (]đ ) 0 { { đ=1 { { { { đ−1 đ˘ { { − đ ) (đ˘ { { { { × (∫ { { { { { { Γ (đ) 0 { { { { { { đ { { (đ − đ)đ−1 { { { { × {∫ V (đ) đđ − đđĽ (đ )} đđ ) đđ˘] { { { { { { Γ (đ) 0 { { { { đ đ −1 { { đ { { 1 đĄ Δ 2 + Δ 4 Γ (đ + 1) đ (đ − đ˘) đ { { { { ) ∑đ˝đ ∫ − ( { { { { { { Δ Γ (đ + 1) Γ (đđ ) 0 { { đ=1 { { { { đ−1 đ−1 đ˘ đ { { { { { × (∫ (đ˘ − đ ) {∫ (đ − đ) V (đ) đđ − đđĽ (đ )} đđ ) đđ˘ { Γ (đ) Γ (đ) { { 0 0 for V ∈ đđš,đĽ . We will show that the operator đ satisfies the assumptions of the nonlinear alternative of Leray-Schauder type. The proof consists of several steps. As a first step, we show that đ(đĽ) is convex for each đĽ ∈ đś([0, 1], R). For that, let â1 , â2 ∈ đ(đĽ). Then there exist V1 , V2 ∈ đđš,đĽ such that, for each đĄ ∈ [0, 1], we have − đ × ∑đ˝đ đ=1 đ 0 âđ (đĄ) đ −1 (đ − đ˘) đ Γ (đđ ) đ˘ đĄ 0 đ 0 − × (∫ (đĄ − đ )đ−1 Γ (đ) × (∫ 0 1 0 × {∫ (đ − đ)đ−1 V (đ) đđ − đđĽ (đ )) đđ Γ (đ) đ 1 đĄ Δ 3 + Δ 1 Γ (đ + 1) ) ( Δ Γ (đ + 1) × [∫ (1 − đ )đ−1 Γ (đ) 0 (đ − đ)đ−1 V (đ) đđ − đđĽ (đ )) đđ × (∫ Γ (đ) đ 0 for đ = 1, 2. Let 0 ≤ đ ≤ 1. Then, for each đĄ ∈ [0, 1] and putting đ§(đ) = đV1 (đ) + (1 − đ)V2 (đ), we have =∫ đĄ 0 đ (đĄ − đ )đ−1 (đ − đ)đ−1 (∫ đ§ (đ) đđ − đđĽ (đ )) đđ Γ (đ) Γ (đ) 0 đ 1 đĄ Δ 3 + Δ 1 Γ (đ + 1) ) ( Δ Γ (đ + 1) (đ − đ˘) đ − ∑đźđ ∫ Γ (]đ ) 0 đ=1 − (đ˘ − đ )đ−1 × (∫ Γ (đ) 0 × [∫ ] −1 đ đ˘ × {∫ đ 0 (đ − đ)đ−1 V (đ) đđ − đđĽ (s)} đđ ) đđ˘, Γ (đ) đ (28) [đâ1 + (1 − đ) â2 ] (đĄ) đ đ (đ˘ − đ )đ−1 Γ (đ) đ đ (27) đ 1 đĄ Δ 2 + Δ 4 Γ (đ + 1) ) ( Δ Γ (đ + 1) ×∫ =∫ } } } } } } } } } } } } } } } } } } } } } } } } } } } } } } } } } } } } } } } } } } } } } } } } } } } } } } } } } } } } } } } } } } } } } } } } } } } (đ − đ)đ−1 V (đ) đđ − đđĽ (đ )} đđ ) đđ˘] Γ (đ) đ 1 0 đ (1 − đ )đ−1 (đ − đ)đ−1 (∫ đ§ (đ) đđ − đđĽ (đ )) đđ Γ (đ) Γ (đ) 0 đ đ đ=1 0 − ∑đźđ ∫ ] −1 (đ − đ˘) đ Γ (]đ ) Abstract and Applied Analysis × (∫ 7 (đ˘ − đ )đ−1 Γ (đ) đ˘ 0 × {∫ đ 0 × (∫ 0 (đ − đ)đ−1 đ§ (đ) đđ − đđĽ (đ )} đđ ) đđ˘] Γ (đ) × {∫ 1 đĄ Δ 2 + Δ 4 Γ (đ + 1) ) ( Δ Γ (đ + 1) đ × ∑đ˝đ ∫ đĄ 0 (đ − đ˘) Γ (đđ ) 0 đ=1 =∫ × (∫ đ˘ (đ˘ − đ ) Γ (đ) × (∫ 0 đ × {∫ 0 đ 0 đ−1 (đ − đ)đ−1 đ§ (đ) đđ − đđĽ (đ )} đđ ) đđ˘. Γ (đ) (đ − đ)đ−1 V (đ) đđ − đđĽ (đ )} đđ ) đđ˘ Γ (đ) (đĄ − đ )đ−1 Γ (đ) đđ −1 đ đ 0 đ − (đ˘ − đ )đ−1 Γ (đ) đ˘ (đ − đ)đ−1 V (r) đđ − đđĽ (đ )) đđ Γ (đ) − đ 1 đĄ Δ 3 + Δ 1 Γ (đ + 1) ) J2 ( Δ Γ (đ + 1) − đ 1 đĄ Δ 2 + Δ 4 Γ (đ + 1) ( ) J1 , Δ Γ (đ + 1) (29) |â (đĄ)| Since đđš,đĽ is convex (đš has convex values), therefore it follows that đâ1 + (1 − đ)â2 ∈ đ(đĽ). Next, we show that đ(đĽ) maps bounded sets into bounded sets in đś([0, 1], R). For a positive number đ, let đľđ = {đĽ ∈ đś([0, 1], R) : â đĽ â≤ đ} be a bounded set in đś([0, 1], R). Then, for each â ∈ đ(đĽ), đĽ ∈ đľđ , there exists V ∈ đđš,đĽ such that ≤∫ 0 =∫ 0 (đĄ − đ ) Γ (đ) (đ − đ)đ−1 V (đ) đđ − đđĽ (đ )) đđ × (∫ Γ (đ) 0 đ 1 0 (đ − đ)đ−1 |V (đ)| đđ + |đ| |đĽ (đ )|) đđ Γ (đ) óľ¨ óľ¨ óľ¨ óľ¨ + đ´ 1 óľ¨óľ¨óľ¨J2 óľ¨óľ¨óľ¨ + đ´ 2 óľ¨óľ¨óľ¨J1 óľ¨óľ¨óľ¨ óľŠ óľŠ đ (âđĽâ) óľŠóľŠóľŠđóľŠóľŠóľŠđż1 |đ| âđĽâ + Γ (đ + đ + 1) Γ (đ + 1) + đ´1 ( óľŠ óľŠ đ (âđĽâ) óľŠóľŠóľŠđóľŠóľŠóľŠđż1 |đ| âđĽâ + Γ (đ + đ + 1) Γ (đ + 1) đ óľ¨ óľ¨ đ + ∑ óľ¨óľ¨óľ¨đźđ óľ¨óľ¨óľ¨ [ đ 1 đĄ Δ 3 + Δ 1 Γ (đ + 1) ) − ( Δ Γ (đ + 1) × [∫ đ 0 ≤ đ−1 (đĄ − đ )đ−1 Γ (đ) × (∫ â (đĄ) đĄ đĄ đ=1 (1 − đ )đ−1 Γ (đ) × (∫ đ 0 đ + (đ − đ)đ−1 V (đ) đđ − đđĽ (đ )) đđ Γ (đ) đ óľ¨ óľ¨ + đ´ 2 ∑ óľ¨óľ¨óľ¨đ˝đ óľ¨óľ¨óľ¨ ( đ=1 ] −1 đ (đ − đ˘) đ − ∑đźđ ∫ Γ (]đ ) 0 đ=1 × (∫ đ˘ 0 (đ˘ − đ )đ−1 Γ (đ) × {∫ đ 0 − (đ − đ)đ−1 V (đ) đđ − đđĽ (đ )} đđ ) đđ˘] Γ (đ) đ 1 đĄ Δ 2 + Δ 4 Γ (đ + 1) ) ( Δ Γ (đ + 1) đ đ đ=1 0 × ∑đ˝đ ∫ óľŠ óľŠ đ (âđĽâ) óľŠóľŠóľŠđóľŠóľŠóľŠđż1 Γ (]đ + đ + đ + 1) ]đ +đ+đ đ −1 (đ − đ˘) đ Γ (đđ ) đ]đ +đ |đ| âđĽâ ]) Γ (]đ + đ + 1) óľŠ óľŠ đđđ +đ+đ đ (âđĽâ) óľŠóľŠóľŠđóľŠóľŠóľŠđż1 Γ (đđ + đ + đ + 1) + đđđ +đ |đ| âđĽâ ) Γ (đđ + đ + 1) óľŠ óľŠ = đ (âđĽâ) óľŠóľŠóľŠđóľŠóľŠóľŠđż1 ×{ 1 + đ´1 Γ (đ + đ + 1) đ óľ¨ óľ¨ + đ´ 1 ∑ óľ¨óľ¨óľ¨đźđ óľ¨óľ¨óľ¨ đ=1 đ óľ¨ óľ¨ + đ´ 2 ∑ óľ¨óľ¨óľ¨đ˝đ óľ¨óľ¨óľ¨ đ=1 đ]đ +đ+đ Γ (]đ + đ + đ + 1) đđđ +đ+đ } Γ (đđ + đ + đ + 1) 8 Abstract and Applied Analysis + âđĽâ { óľ¨óľ¨ óľ¨óľ¨ óľ¨óľ¨ ó¸ ó¸ đ óľ¨ óľ¨óľ¨Δ 3 óľ¨óľ¨ óľ¨óľ¨(đĄ ) − (đĄó¸ )đ óľ¨óľ¨óľ¨ óľ¨óľ¨óľ¨J2 óľ¨óľ¨óľ¨ óľ¨ óľ¨óľ¨ óľ¨ óľ¨ |Δ| Γ (đ + 1) óľ¨ óľ¨óľ¨óľ¨Δ 2 óľ¨óľ¨óľ¨ óľ¨óľ¨óľ¨ ó¸ ó¸ đ óľ¨ ó¸ đ óľ¨óľ¨ óľ¨ óľ¨ óľ¨ + óľ¨(đĄ ) − (đĄ ) óľ¨óľ¨óľ¨ óľ¨óľ¨óľ¨J1 óľ¨óľ¨óľ¨ óľ¨ óľ¨ óľ¨ |Δ| Γ (đ + 1) |đ| (1 + đ´ 1 ) Γ (đ + 1) + đ óľ¨ óľ¨ + |đ| đ´ 1 ∑ óľ¨óľ¨óľ¨đźđ óľ¨óľ¨óľ¨ đ=1 đ]đ +đ Γ (]đ + đ + 1) đ óľ¨óľ¨ ó¸ đ−1 đ−1 óľ¨óľ¨ đĄ [(đĄó¸ ó¸ − đ ) − (đĄó¸ − đ ) ] óľ¨óľ¨ ≤ óľ¨óľ¨óľ¨∫ Γ (đ) óľ¨óľ¨ 0 óľ¨óľ¨ đ +đ đđ óľ¨ óľ¨ } + đ´ 2 ∑ óľ¨óľ¨óľ¨đ˝đ óľ¨óľ¨óľ¨ Γ (đ + đ + 1) đ đ=1 óľŠ óľŠ = Ωđ (âđĽâ) óľŠóľŠóľŠđóľŠóľŠóľŠđż1 + Ψ âđĽâ . đ (đ − đ)đ−1 óľŠ óľŠ đđ + |đ| đ) đđ × (óľŠóľŠóľŠđóľŠóľŠóľŠđż1 đ (đ) ∫ Γ (đ) 0 (30) Then óľŠ óľŠ âââ ≤ Ωđ (đ) óľŠóľŠóľŠđóľŠóľŠóľŠđż1 + Ψđ. +∫ óľ¨óľ¨ óľ¨óľ¨ đ−1 − đ) óľ¨ (đ óľŠ óľŠ × (óľŠóľŠóľŠđóľŠóľŠóľŠđż1 đ (đ) ∫ đđ + |đ| đ) đđ óľ¨óľ¨óľ¨óľ¨ Γ (đ) óľ¨óľ¨ 0 óľ¨óľ¨ óľ¨óľ¨ óľ¨óľ¨ óľ¨óľ¨ ó¸ ó¸ đ óľ¨ óľ¨óľ¨Δ 3 óľ¨óľ¨ óľ¨óľ¨(đĄ ) − (đĄó¸ )đ óľ¨óľ¨óľ¨ óľ¨óľ¨óľ¨J2 óľ¨óľ¨óľ¨ + óľ¨ óľ¨ óľ¨óľ¨ óľ¨ óľ¨ |Δ| Γ (đ + 1) đ óľ¨ óľ¨óľ¨ ó¸ ó¸ óľ¨óľ¨â (đĄ ) − â (đĄó¸ )óľ¨óľ¨óľ¨ óľ¨ óľ¨ óľ¨óľ¨ ó¸ ó¸ ó¸ ó¸ đ−1 óľ¨óľ¨ đĄ (đĄ − đ ) óľ¨óľ¨ ≤ óľ¨óľ¨∫ óľ¨óľ¨ 0 Γ (đ) óľ¨óľ¨ 0 −∫ + đ−1 (đĄó¸ − đ ) đĄó¸ Γ (đ) 0 óľ¨óľ¨ óľ¨ (đ − đ)đ−1 |V (đ)| đđ + |đ| |đĽ (đ )|) đđ óľ¨óľ¨óľ¨óľ¨ Γ (đ) óľ¨óľ¨ 0 óľ¨óľ¨ óľ¨óľ¨ óľ¨óľ¨ ó¸ ó¸ đ óľ¨ óľ¨óľ¨Δ 3 óľ¨óľ¨ óľ¨óľ¨(đĄ ) − (đĄó¸ )đ óľ¨óľ¨óľ¨ óľ¨óľ¨óľ¨J2 óľ¨óľ¨óľ¨ + óľ¨ óľ¨óľ¨ óľ¨ óľ¨ |Δ| Γ (đ + 1) óľ¨ đ × (∫ óľ¨óľ¨ óľ¨óľ¨ óľ¨óľ¨ ó¸ ó¸ đ óľ¨ óľ¨óľ¨Δ 2 óľ¨óľ¨ óľ¨óľ¨(đĄ ) − (đĄó¸ )đ óľ¨óľ¨óľ¨ óľ¨óľ¨óľ¨J1 óľ¨óľ¨óľ¨ + óľ¨ óľ¨óľ¨ óľ¨ óľ¨ óľ¨ Γ (đ + 1) |Δ| óľ¨óľ¨ ó¸ đ−1 đ−1 óľ¨óľ¨ đĄ [(đĄó¸ ó¸ − đ ) − (đĄó¸ − đ ) ] óľ¨óľ¨ ≤ óľ¨óľ¨óľ¨∫ Γ (đ) óľ¨óľ¨ 0 óľ¨óľ¨ (đ − đ)đ−1 × (∫ |V (đ)| đđ + |đ| |đĽ (đ )|) đđ Γ (đ) 0 đ đĄó¸ ó¸ +∫ đ−1 (đĄó¸ ó¸ − đ ) Γ (đ) đĄó¸ óľ¨óľ¨ óľ¨óľ¨ óľ¨ (đ − đ)đ−1 × (∫ |V (đ)| đđ + |đ| |đĽ (đ )|) đđ óľ¨óľ¨óľ¨óľ¨ Γ (đ) óľ¨óľ¨ 0 óľ¨óľ¨ đ óľ¨óľ¨ óľ¨óľ¨ óľ¨óľ¨ ó¸ ó¸ đ óľ¨ óľ¨óľ¨Δ 2 óľ¨óľ¨ óľ¨óľ¨(đĄ ) − (đĄó¸ )đ óľ¨óľ¨óľ¨ óľ¨óľ¨óľ¨J1 óľ¨óľ¨óľ¨ . óľ¨ óľ¨óľ¨ óľ¨ óľ¨ |Δ| Γ (đ + 1) óľ¨ (32) (đ − đ)đ−1 |V (đ)| đđ + |đ| |đĽ (đ )|) đđ Γ (đ) đ Γ (đ) đĄó¸ (31) Now we show that đmaps bounded sets into equicontinuous sets of đś([0, 1], R). Let đĄó¸ , đĄó¸ ó¸ ∈ [0, 1] with đĄó¸ < đĄó¸ ó¸ and đĽ ∈ đľđ , where đľđ , as above, is a bounded set of đś([0, 1], R). For each â ∈ đ(đĽ), we obtain × (∫ đ−1 (đĄó¸ ó¸ − đ ) đĄó¸ ó¸ Obviously the right-hand side of the above inequality tends to zero independently of đĽ ∈ đľđ as đĄó¸ ó¸ − đĄó¸ → 0. As đ satisfies the above three assumptions, therefore it follows by Ascoli-ArzelaĚ theorem that đ : đś([0, 1], R) → P(đś([0, 1], R)) is completely continuous. In our next step, we show that đ has a closed graph. Let đĽđ → đĽ∗ , âđ ∈ đ(đĽđ ), and âđ → â∗ . Then we need to show that â∗ ∈ đ(đĽ∗ ). Associated with âđ ∈ đ(đĽđ ), there exists Vđ ∈ đđš,đĽđ such that, for each đĄ ∈ [0, 1], âđ (đĄ) đĄ =∫ 0 (đĄ − đ )đ−1 Γ (đ) đ × (∫ 0 − (đ − đ)đ−1 V (đ) đđ − đđĽ (đ )) đđ Γ (đ) đ đ 1 đĄ Δ 3 + Δ 1 Γ (đ + 1) ) ( Δ Γ (đ + 1) × [∫ 1 0 (1 − đ )đ−1 Γ (đ) × (∫ đ 0 (đ − đ)đ−1 V (đ) đđ − đđĽ (đ )) đđ Γ (đ) đ đ đ i=1 0 − ∑đźđ ∫ ] −1 (đ − đ˘) đ Γ (]đ ) Abstract and Applied Analysis đ˘ × (∫ 0 9 (đ˘ − đ )đ−1 Γ (đ) đ × {∫ 0 Let us consider the continuous linear operator Θ : đż1 ([0, 1], R) → đś([0, 1], R) so that (đ − đ)đ−1 V (đ) đđ − đđĽ (đ )} đđ ) đđ˘] Γ (đ) đ =∫ đ 1 đĄ Δ 2 + Δ 4 Γ (đ + 1) − ( ) Δ Γ (đ + 1) đ V ół¨ół¨→ Θ (V) 0 (đ − đ˘) đ × ∑đ˝đ ∫ Γ (đđ ) 0 đ=1 đ˘ × (∫ 0 (đĄ − đ )đ−1 Γ (đ) × (∫ đ −1 đ đĄ đ 0 − đ−1 (đ˘ − đ ) Γ (đ) (đ − đ)đ−1 V (đ) đđ − đđĽ (đ )} đđ ) đđ˘. × {∫ Γ (đ) đ 0 đ (đ − đ)đ−1 V (đ) đđ − đđĽ (đ )) đđ Γ (đ) đ 1 đĄ Δ 3 + Δ 1 Γ (đ + 1) ) ( Δ Γ (đ + 1) × [∫ (1 − đ )đ−1 Γ (đ) 1 0 (đ − đ)đ−1 V (đ) đđ − đđĽ (đ )) đđ Γ (đ) đ (33) × (∫ 0 Thus we have to show that there exists V∗ ∈ đđš,đĽ∗ such that, for each đĄ ∈ [0, 1], đ − ∑đźđ đ=1 â∗ (đĄ) đĄ =∫ 0 đ 0 × [∫ 0 (đ − đ)đ−1 V (đ) đđ − đđĽ (đ )) đđ Γ (đ) ∗ 0 đ đ đ=1 0 − ∑đźđ ∫ 0 − đ × ∑đ˝đ đ−1 (đ − đ) V (đ) đđ − đđĽ (đ )) đđ Γ (đ) ∗ đ=1 ×∫ ]đ −1 (đ − đ˘) Γ (]đ ) đ 0 đ −1 (đ − đ˘) đ Γ (đđ ) × (∫ đ˘ 0 đ 1 đĄ Δ 2 + Δ 4 Γ (đ + 1) ) ( Δ Γ (đ + 1) đ đ=1 0 0 óľŠóľŠ đĄ óľŠ (đĄ − đ )đ−1 = óľŠóľŠóľŠóľŠ∫ óľŠóľŠ 0 Γ (đ) (đ˘ − đ )đ−1 Γ (đ) đ × {∫ 0 0 (đ − đ)đ−1 V (đ) đđ − đđĽ (đ )} đđ ) đđ˘. Γ (đ) (35) óľŠ óľŠóľŠ óľŠóľŠâđ (đĄ) − â∗ (đĄ)óľŠóľŠóľŠ (đ − đ˘) Γ (đđ ) đ˘ đ Observe that đđ −1 × (∫ (đ˘ − đ )đ−1 Γ (đ) × {∫ (đ − đ)đ−1 V (đ) đđ − đđĽ (đ )} đđ ) đđ˘] × {∫ Γ (đ) ∗ 0 đ × ∑đ˝đ ∫ (đ − đ)đ−1 V (đ) đđ − đđĽ (đ )} đđ ) đđ˘] Γ (đ) 1 đĄ Δ 2 + Δ 4 Γ (đ + 1) ) ( Δ Γ (đ + 1) (đ˘ − đ )đ−1 × (∫ Γ (đ) 0 đ đ đ đ˘ − (đ˘ − đ )đ−1 Γ (đ) × {∫ (1 − đ ) Γ (đ) × (∫ đ˘ 0 đ−1 đ ] −1 (đ − đ˘) đ Γ (]đ ) × (∫ đ 1 đĄ Δ 3 + Δ 1 Γ (đ + 1) ) ( Δ Γ (đ + 1) 1 đ 0 (đĄ − đ )đ−1 Γ (đ) × (∫ − ×∫ × (∫ (đ − đ)đ−1 V (đ) đđ − đđĽ (đ )} đđ ) đđ˘. Γ (đ) ∗ đ 0 (34) − (đ − đ)đ−1 (Vđ (đ) − V∗ (đ )) đđ) đđ Γ (đ) đ 1 đĄ Δ 3 + Δ 1 Γ (đ + 1) ) ( Δ Γ (đ + 1) 10 Abstract and Applied Analysis × [∫ (1 − đ )đ−1 Γ (đ) 1 0 đ × (∫ 0 × (∫ 0 đ−1 (đ − đ) Γ (đ) đ × {∫ 0 đ 1 đĄ Δ 2 + Δ 4 Γ (đ + 1) ) ( Δ Γ (đ + 1) − đ=1 (đ − đ˘) đ Γ (]đ ) 0 × (∫ đ˘ 0 × ∑đ˝đ đ=1 (đ˘ − đ )đ−1 Γ (q) × {∫ đ 0 − đ ] −1 đ (đ − đ)đ−1 V (đ) đđ − đđĽ (đ )} đđ ) đđ˘] Γ (đ) ∗ đ (Vđ (đ) − V∗ (đ )) đđ) đđ − ∑đźđ ×∫ (đ˘ − đ )đ−1 Γ (đ) đ˘ ×∫ đ 0 đ −1 (đ − đ˘) đ Γ (đđ ) đ˘ (đ − đ)đ−1 (Vđ (đ) − V∗ (đ )) đđ} đđ ) đđ˘] Γ (đ) × (∫ 0 (đ˘ − đ )đ−1 Γ (đ) đ đ 1 đĄ Δ 2 + Δ 4 Γ (đ + 1) ) ( Δ Γ (đ + 1) × {∫ 0 đ × ∑đ˝đ đ=1 ×∫ đ 0 đđ −1 (đ − đ˘) Γ (đđ ) (đ˘ − đ )đ−1 Γ (đ) đ˘ × (∫ 0 × {∫ đ 0 óľŠóľŠ óľŠ (đ − đ)đ−1 (Vđ (đ) − V∗ (đ )) đđ} đđ ) đđ˘óľŠóľŠóľŠóľŠ , Γ (đ) óľŠóľŠ (36) for some V∗ ∈ đđš,đĽ∗ . Finally, we discuss a priori bounds on solutions. Let đĽ be a solution of (1). Then there exists V ∈ đż1 ([0, 1], R) with V ∈ đđš,đĽ such that, for đĄ ∈ [0, 1], we have â (đĄ) đĄ =∫ 0 (đĄ − đ )đ−1 Γ (đ) × (∫ which tends to zero as đ → ∞. Thus, it follows from Lemma 9 that Θâđđš is a closed graph operator. Further, we have âđ (đĄ) ∈ Θ(đđš,đĽđ ). Since đĽđ → đĽ∗ , it follows that − đĄ 0 0 (đĄ − đ )đ−1 Γ (đ) đ × (∫ 0 − (1 − đ )đ−1 Γ (đ) × (∫ 0 (đ − đ)đ−1 V (đ) đđ − đđĽ (đ )) đđ Γ (đ) đ (đ − đ)đ−1 V (đ) đđ − đđĽ (đ )) đđ Γ (đ) ∗ − ∑đźđ đ=1 1 đĄ Δ 3 + Δ 1 Γ (đ + 1) ) ( Δ Γ (đ + 1) × [∫ đ 0 đ 1 (đ − đ)đ−1 V (đ) đđ − đđĽ (đ )) đđ Γ (đ) đ 1 đĄ Δ 3 + Δ 1 Γ (đ + 1) ) ( Δ Γ (đ + 1) 1 =∫ đ 0 × [∫ â∗ (đĄ) ×∫ đ 0 ] −1 (đ − đ˘) đ Γ (]đ ) đ−1 (1 − đ ) Γ (đ) đ × (∫ 0 × (∫ (đ − đ) V (đ) đđ − đđĽ (đ )) đđ Γ (đ) ∗ đ 0 − đ=1 đ 0 ] −1 (đ − đ˘) đ Γ (]đ ) (đ˘ − đ )đ−1 Γ (đ) × {∫ đ ×∫ đ˘ 0 đ−1 − ∑đźđ (đ − đ)đ−1 V (đ) đđ − đđĽ (đ )} đđ ) đđ˘, Γ (đ) ∗ (37) đ (đ − đ)đ−1 V (đ) đđ − đđĽ (đ )} đđ ) đđ˘] Γ (đ) 1 đĄ Δ 2 + Δ 4 Γ (đ + 1) ) ( Δ Γ (đ + 1) đ × ∑đ˝đ đ=1 Abstract and Applied Analysis đ ×∫ 0 11 đ −1 (đ − đ˘) đ Γ (đđ ) × (∫ đ˘ 0 Theorem 17. Assume that (đť2 )-(đť3 ) and the following conditions hold: (đ˘ − đ )đ−1 Γ (đ) đ × {∫ 0 (đ − đ)đ−1 V (đ) đđ − đđĽ (đ )} đđ ) đđ˘. Γ (đ) (38) (đť4 ) đš : [0, 1] × R → P(R) is a nonempty compact-valued multivalued map such that (a) (đĄ, đĽ) ół¨→ đš(đĄ, đĽ) is L ⊗ B measurable, Using the computations proving that đ(đĽ) maps bounded sets into bounded sets and the notations (17), we have óľŠ óľŠ âđĽâ ≤ đ (âđĽâ) óľŠóľŠóľŠđóľŠóľŠóľŠđż1 ×{ 1 + đ´1 Γ (đ + đ + 1) đ óľ¨ óľ¨ + đ´ 1 ∑ óľ¨óľ¨óľ¨đźđ óľ¨óľ¨óľ¨ đ=1 đ óľ¨ óľ¨ + đ´ 2 ∑ óľ¨óľ¨óľ¨đ˝đ óľ¨óľ¨óľ¨ đ=1 (đť5 ) for each đ > 0, there exists đđ ∈ đż1 ([0, 1], R+ ) such that đ]đ +đ+đ Γ (]đ + đ + đ + 1) đđđ +đ+đ } Γ (đđ + đ + đ + 1) |đ| (1 + đ´ 1 ) + âđĽâ { Γ (đ + 1) đ óľ¨ óľ¨ + |đ| đ´ 1 ∑ óľ¨óľ¨óľ¨đźđ óľ¨óľ¨óľ¨ đ=1 đ óľ¨ óľ¨ + đ´ 2 ∑ óľ¨óľ¨óľ¨đ˝đ óľ¨óľ¨óľ¨ đ=1 (b) đĽ ół¨→ đš(đĄ, đĽ) is lower semicontinuous for each đĄ ∈ [0, 1]; óľ¨ óľ¨ âđš (đĄ, đĽ)â = sup {óľ¨óľ¨óľ¨đŚóľ¨óľ¨óľ¨ : đŚ ∈ đš (đĄ, đĽ)} ≤ đđ (đĄ) ∀ âđĽâ ≤ đ and for đ.đ. đĄ ∈ [0, 1] . (39) (42) Then the boundary value problem (1) has at least one solution on [0, 1]. Proof. It follows from (đť4 ) and (đť5 ) that đš is of l.s.c. type [35]. Then from Lemma 13, there exists a continuous function đ : đś([0, 1], R) → đż1 ([0, 1], R) such that đ(đĽ) ∈ F(đĽ) for all đĽ ∈ đś([0, 1], R). Consider the problem đ]đ +đ Γ (]đ + đ + 1) đđđ +đ } Γ (đđ + đ + 1) đ óľŠ óľŠ = Ωđ (âđĽâ) óľŠóľŠóľŠđóľŠóľŠóľŠđż1 + Ψ âđĽâ . đˇđ (đ đˇđ + đ) đĽ (đĄ) = đš (đĽ (đĄ)) , 0 < đĄ < 1, đ Consequently đĽ (0) = ∑đ˝đ (đźđđ đĽ) (đ) , âđĽâ (1 − Ψ) ≤ 1. óľŠ óľŠ đ (âđĽâ) óľŠóľŠóľŠđóľŠóľŠóľŠđż1 Ω đ=1 (40) đ đĽ (1) = ∑đźđ (đź]đ đĽ) (đ) , In view of (đť3 ), there exists đ such that â đĽ â ≠ đ. Let us set đ = {đĽ ∈ đś ([0, 1] , R) : âđĽâ < đ + 1} . (41) Note that the operator đ : đ → P(đś([0, 1], R)) is upper semicontinuous and completely continuous. From the choice of đ, there is no đĽ ∈ đđ such that đĽ ∈ đđ(đĽ) for some đ ∈ (0, 1). Consequently, by the nonlinear alternative of Leray-Schauder type [31], we deduce that đ has a fixed point đĽ ∈ đ which is a solution of the problem (1). This completes the proof. 0 < đ < đ < 1. đ=1 Observe that, if đĽ ∈ đ´đś1 ([0, 1]) is a solution of (43), then đĽ is a solution to the problem (1). In order to transform the problem (43) into a fixed point problem, we define the operator đ as (đđĽ) (đĄ) đĄ =∫ 0 3.2. The Lower Semicontinuous Case. Next, we study the case where đš is not necessarily convex valued. Our approach here is based on the nonlinear alternative of Leray-Schauder type combined with the selection theorem of Bressan and Colombo for lower semicontinuous maps with decomposable values. (43) (đĄ − đ )đ−1 Γ (đ) đ × (∫ 0 − (đ − đ)đ−1 đ (đĽ (đ)) đđ − đđĽ (đ )) đđ Γ (đ) đ 1 đĄ Δ 3 + Δ 1 Γ (đ + 1) ) ( Δ Γ (đ + 1) 12 Abstract and Applied Analysis × [∫ 1 0 (1 − đ )đ−1 Γ (đ) × (∫ đ 0 Then the boundary value problem (1) has at least one solution on [0, 1] if Ω â đâđż1 < 1, that is, (đ − đ)đ−1 đ (đĽ (đ)) đđ − đđĽ (đ )) đđ Γ (đ) { đ đ đđđ +đ+đ óľ¨ óľ¨ + đ´ 2 ∑ óľ¨óľ¨óľ¨đ˝đ óľ¨óľ¨óľ¨ } âđâđż1 < 1. Γ (đđ + đ + đ + 1) đ=1 − ∑đźđ đ=1 ×∫ ] −1 đ (đ − đ˘) đ Γ (]đ ) 0 đ˘ × (∫ 0 (đ˘ − đ )đ−1 Γ (đ) × {∫ đ 0 (đ − đ)đ−1 đ (đĽ (đ)) đđ Γ (đ) −đđĽ (đ ) } đđ ) đđ˘] đ đ˘đ (đĄ) =∫ đĄ 0 0 0 (đ − đ˘) Γ (đđ ) × (∫ đ˘ 0 đ 1 đĄ Δ 3 + Δ 1 Γ (đ + 1) ) ( Δ Γ (đ + 1) × [∫ đđ −1 (đ − đ)đ−1 V (đ) đđ − đđĽ (đ )) đđ Γ (đ) đ đ đ=1 ×∫ (đĄ − đ )đ−1 Γ (đ) × (∫ − × ∑đ˝đ 1 0 (1 − đ )đ−1 Γ (đ) đ × (∫ (đ˘ − đ )đ−1 đŁ Γ (đ) 0 (đ − đ)đ−1 V (đ) đđ − đđĽ (đ )) đđ Γ (đ) đ đ − ∑đźđ (đ − đ)đ−1 × {∫ đ (đĽ (đ)) đđ − đđĽ (đ )} đđ ) đđ˘. Γ (đ) 0 (44) đ đ=1 ×∫ đ 0 ] −1 (đ − đ˘) đ Γ (]đ ) đ˘ × (∫ It can easily be shown that đ is continuous and completely continuous. The remaining part of the proof is similar to that of Theorem 16. So we omit it. This completes the proof. 0 (đ˘ − đ )đ−1 Γ (đ) × {∫ đ 0 3.3. The Lipschitz Case. Now we prove the existence of solutions for the problem (1) with a nonconvex valued righthand side by applying a fixed point theorem for multivalued map due to Covitz and Nadler [34]. (45) Proof. Observe that the set đđš,đĽ is nonempty for each đĽ ∈ đś([0, 1], R) by the assumption (đť6 ), so đš has a measurable selection (see Theorem III.6 [36]). Now we show that the operator đ satisfies the assumptions of Lemma 15. To show that đ(đĽ) ∈ Pcl ((đś[0, 1], R)) for each đĽ ∈ đś([0, 1], R), let {đ˘đ }đ≥0 ∈ đ(đĽ) be such that đ˘đ → đ˘ (đ → ∞) in đś([0, 1], R). Then đ˘ ∈ đś([0, 1], R), and there exists Vđ ∈ đđš,đĽ such that, for each đĄ ∈ [0, 1], đ 1 đĄ Δ 2 + Δ 4 Γ (đ + 1) − ( ) Δ Γ (đ + 1) đ đ đ]đ +đ+đ 1 + đ´1 óľ¨ óľ¨ + đ´ 1 ∑ óľ¨óľ¨óľ¨đźđ óľ¨óľ¨óľ¨ Γ (đ + đ + 1) Γ (]đ + đ + đ + 1) đ=1 − (đ − đ)đ−1 V (đ) đđ − đđĽ (đ )} đđ ) đđ˘] Γ (đ) đ đ 1 đĄ Δ 2 + Δ 4 Γ (đ + 1) ) ( Δ Γ (đ + 1) đ × ∑đ˝đ đ=1 Theorem 18. Assume that the following conditions hold: ×∫ đ 0 (đť6 ) đš : [0, 1]×R → Pđđ (R) is such that đš(⋅, đĽ) : [0, 1] → Pđđ (R) is measurable for each đĽ ∈ R; (đť7 ) đťđ (đš(đĄ, đĽ), đš(đĄ, đĽ)) ≤ đ(đĄ)|đĽ − đĽ| for almost all đĄ ∈ [0, 1] and đĽ, đĽ ∈ R with đ ∈ đś([0, 1], R+ ) and đ(0, đš(đĄ, 0)) ≤ đ(đĄ) for almost all đĄ ∈ [0, 1]. đ −1 (đ − đ˘) đ Γ (đđ ) đ˘ × (∫ 0 (đ˘ − đ )đ−1 Γ (đ) × {∫ đ 0 (đ − đ)đ−1 V (đ) đđ − đđĽ (đ )} đđ ) đđ˘. Γ (đ) đ (46) Abstract and Applied Analysis 13 As đš has compact values, we pass onto a subsequence to obtain that Vđ converges to V in đż1 ([0, 1], R). Thus, V ∈ đđš,đĽ and, for each đĄ ∈ [0, 1], đĄ 0 đ 1 đĄ Δ 3 + Δ 1 Γ (đ + 1) ( ) Δ Γ (đ + 1) × [∫ đ˘đ (đĄ) ół¨→ đ˘ (đĄ) =∫ − 1 0 (1 − đ )đ−1 Γ (đ) đ−1 (đĄ − đ ) Γ (đ) × (∫ (đ − đ)đ−1 × (∫ V (đ) đđ − đđĽ (đ )) đđ Γ (đ) 0 − ∑đźđ đ 0 đ đ đ=1 đ 1 đĄ Δ 3 + Δ 1 Γ (đ + 1) − ( ) Δ Γ (đ + 1) 1 × [∫ 0 đ 0 ] −1 đ (đ − đ˘) đ Γ (]đ ) ×∫ 0 (1 − đ )đ−1 Γ (đ) × (∫ (đ − đ)đ−1 V (đ) đđ − đđĽ (đ )) đđ Γ (đ) 1 (đ˘ − đ )đ−1 Γ (đ) đ˘ × (∫ 0 (đ − đ)đ−1 V (đ) đđ − đđĽ (đ )) đđ Γ (đ) đ × {∫ đ 0 − ∑đźđ đ=1 − ] −1 đ (đ − đ˘) đ Γ (]đ ) ×∫ 0 đ˘ × (∫ 0 (đ − đ)đ−1 V (đ) đđ − đđĽ (đ )} đđ ) đđ˘] Γ (đ) 1 đ 1 đĄ Δ 2 + Δ 4 Γ (đ + 1) ( ) Δ Γ (đ + 1) đ × ∑đ˝đ (đ˘ − đ )đ−1 Γ (đ) đ × {∫ 0 đ=1 đ (đ − đ)đ−1 V (đ) đđ − đđĽ (đ )} đđ ) đđ˘] Γ (đ) ×∫ 0 đ −1 (đ − đ˘) đ Γ (đđ ) đ˘ × (∫ đ 1 đĄ Δ 2 + Δ 4 Γ (đ + 1) − ( ) Δ Γ (đ + 1) 0 (đ˘ − đ )đ−1 Γ (đ) đ × {∫ đ 0 × ∑đ˝đ (đ − đ)đ−1 V (đ) đđ − đđĽ (đ )} đđ ) đđ˘. Γ (đ) 1 (49) đ=1 đ ×∫ 0 đ −1 (đ − đ˘) đ Γ (đđ ) đ˘ × (∫ 0 By (đť7 ), we have đ−1 (đ˘ − đ ) Γ (đ) đťđ (đš (đĄ, đĽ) , đš (đĄ, đĽ)) ≤ đ (đĄ) |đĽ (đĄ) − đĽ (đĄ)| . (đ − đ)đ−1 × {∫ V (đ) đđ − đđĽ (đ )} đđ ) đđ˘. Γ (đ) 0 đ (47) Hence, đ˘ ∈ đ(đĽ). Next we show that there exists đž < 1 such that đťđ (đ (đĽ) , đ (đĽ)) ≤ đž âđĽ − đĽâ for each đĽ, đĽ ∈ đś ([0, 1] , R) . Let đĽ, đĽ ∈ đś([0, 1], R) and â1 ∈ đ(đĽ). Then there exists V1 (đĄ) ∈ đš(đĄ, đĽ(đĄ)) such that, for each đĄ ∈ [0, 1], â1 (đĄ) đĄ =∫ 0 (đĄ − đ )đ−1 Γ (đ) đ × (∫ 0 (đ − đ)đ−1 V (đ) đđ − đđĽ (đ )) đđ Γ (đ) 1 So, there exists đ¤(đĄ) ∈ đš(đĄ, đĽ(đĄ)) such that óľ¨ óľ¨óľ¨ óľ¨óľ¨V1 (đĄ) − đ¤ (đĄ)óľ¨óľ¨óľ¨ ≤ đ (đĄ) |đĽ (đĄ) − đĽ (đĄ)| , (48) (50) đĄ ∈ [0, 1] . (51) Define đ : [0, 1] → P(R) by óľ¨ óľ¨ đ (đĄ) = {đ¤ ∈ R : óľ¨óľ¨óľ¨V1 (đĄ) − đ¤óľ¨óľ¨óľ¨ ≤ đ (đĄ) |đĽ (đĄ) − đĽ (đĄ)|} . (52) Since the multivalued operator đ(đĄ) ∩ đš(đĄ, đĽ(đĄ)) is measurable (Proposition III.4 [36]), there exists a function V2 (đĄ) which is a measurable selection for đ. So V2 (đĄ) ∈ đš(đĄ, đĽ(đĄ)), and for each đĄ ∈ [0, 1], we have |V1 (đĄ) − V2 (đĄ)| ≤ đ(đĄ)|đĽ(đĄ) − đĽ(đĄ)|. 14 Abstract and Applied Analysis For each đĄ ∈ [0, 1], let us define − đ 1 đĄ Δ 3 + Δ 1 Γ (đ + 1) ) ( Δ Γ (đ + 1) â2 (đĄ) đĄ =∫ 0 1 (đĄ − đ ) Γ (đ) đ × (∫ 0 − × [∫ đ−1 0 (đ − đ)đ−1 V (đ) đđ − đđĽ (đ )) đđ Γ (đ) 2 (1 − đ )đ−1 Γ (đ) × (∫ đ 0 đ 1 đĄ Δ 3 + Δ 1 Γ (đ + 1) ) ( Δ Γ (đ + 1) − ∑đźđ (1 − đ )đ−1 × [∫ Γ (đ) 0 ×∫ (đ − đ)đ−1 óľ¨óľ¨ óľ¨ óľ¨V (đ) − V2 (đ)óľ¨óľ¨óľ¨ đđ) đđ Γ (đ) óľ¨ 1 đ đ=1 1 đ 0 (đ − đ)đ−1 × (∫ V (đ) đđ − đđĽ (đ )) đđ Γ (đ) 2 0 đ ] −1 (đ − đ˘) đ Γ (]đ ) × (∫ 0 đ − ∑đźđ đ 0 (đ − đ˘) Γ (]đ ) đ˘ × (∫ 0 − (đ˘ − đ )đ−1 Γ (đ) × {∫ đ 0 đ 1 đĄ Δ 2 + Δ 4 Γ (đ + 1) ) ( Δ Γ (đ + 1) đ đ−1 (đ − đ) V (đ) đđ − đđĽ (đ )} đđ ) đđ˘] Γ (đ) 2 × ∑đ˝đ đ=1 đ 1 đĄ Δ 2 + Δ 4 Γ (đ + 1) ) ( Δ Γ (đ + 1) đ ×∫ 0 đ −1 (đ − đ˘) đ Γ (đđ ) đ × ∑đ˝đ × (∫ đ=1 ×∫ (đ − đ)đ−1 óľ¨óľ¨ óľ¨ óľ¨V (đ) − V2 (đ)óľ¨óľ¨óľ¨ đđ} đđ ) đđ˘] Γ (đ) óľ¨ 1 ]đ −1 đ 0 − (đ˘ − đ )đ−1 Γ (đ) × {∫ đ=1 ×∫ đ˘ đ˘ 0 (đ˘ − đ )đ−1 Γ (đ) đđ −1 đ (đ − đ˘) Γ (đđ ) 0 đ × {∫ (đ˘ − đ )đ−1 × (∫ Γ (đ) 0 0 đ˘ (đ − đ)đ−1 × {∫ V (đ) đđ − đđĽ (đ )} đđ ) đđ˘. Γ (đ) 2 0 (53) đ (đ − đ)đ−1 óľ¨óľ¨ óľ¨ óľ¨V (đ) − V2 (đ)óľ¨óľ¨óľ¨ đđ} đđ ) đđ˘. Γ (đ) óľ¨ 1 (54) Hence, 1 + đ´1 óľŠ óľŠóľŠ óľŠóľŠâ1 − â2 óľŠóľŠóľŠ ≤ { Γ (đ + đ + 1) đ óľ¨ óľ¨ + đ´ 1 ∑ óľ¨óľ¨óľ¨đźđ óľ¨óľ¨óľ¨ Thus, đ=1 óľ¨ óľ¨óľ¨ óľ¨óľ¨â1 (đĄ) − â2 (đĄ)óľ¨óľ¨óľ¨ đĄ (đĄ − đ )q−1 =∫ Γ (đ) 0 đ × (∫ 0 (đ − đ)đ−1 óľ¨óľ¨ óľ¨ óľ¨V (đ) − V2 (đ)óľ¨óľ¨óľ¨ đđ) đđ Γ (đ) óľ¨ 1 đ óľ¨ óľ¨ +đ´ 2 ∑ óľ¨óľ¨óľ¨đ˝đ óľ¨óľ¨óľ¨ đ=1 đ]đ +đ+đ Γ (]đ + đ + đ + 1) đđđ +đ+đ } Γ (đđ + đ + đ + 1) × âđâđż1 âđĽ − đĽâ . (55) Abstract and Applied Analysis 15 Analogously, interchanging the roles of đĽ and đĽ, we obtain đťđ (đ (đĽ) , đ (đĽ)) ≤ đž âđĽ − đĽâ ≤ { đĽ ół¨→ đš (đĄ, đĽ) = [ 1 + đ´1 Γ (đ + đ + 1) đ]đ +đ+đ óľ¨ óľ¨ + đ´ 1 ∑ óľ¨óľ¨óľ¨đźđ óľ¨óľ¨óľ¨ Γ (]đ + đ + đ + 1) đ=1 đ óľ¨ óľ¨ +đ´ 2 ∑ óľ¨óľ¨óľ¨đ˝đ óľ¨óľ¨óľ¨ đ=1 đđđ +đ+đ } Γ (đđ + đ + đ + 1) × âđâđż1 âđĽ − đĽâ . (56) Since đ is a contraction, it follows from Lemma 15 that đ has a fixed point đĽ which is a solution of (1). This completes the proof. Remark 19. It is important to note that several new interesting special results of the present work can be obtained by fixing the parameters involved in the given problem. Some of these results are listed in the following. (i) Our results correspond to the multivalued extension of the Dirichlet problem considered in [23] for đ˝đ = 0 = đźđ , đ = 1, 2, . . . , đ. (ii) In case we take đ˝đ = 0, đ = 1, 2, . . . , đ, we obtain the results for Langevin fractional differential inclusions with the three-point integral boundary conditions of the following form: (57) đ=1 (iii) By taking đ˝đ = 0 = đźđ , đ = 2, 3, . . . , đ, and ]1 = 1 = đ1 , we get the results for Langevin fractional differential inclusions with four-point nonlocal integral boundary conditions of the following type: đ 0 1 đĽ5 1 1 1 3 óľ¨óľ¨ óľ¨óľ¨ + (đĄ + 1) , sin đĽ + (đĄ + 1)] ≤ . óľ¨óľ¨đóľ¨óľ¨ ≤ max [ 5 4đĽ +3 8 4 4 4 (61) Here đ = 2/3, đ = 4/5, đ = 1/10, đ = 1/3, đ = 4, đź1 = 1/2, đź2 = −2/3, đź3 = 3/4, đź4 = −4/5, ]1 = 1/4, ]2 = 3/4, ]3 = 5/4, ]4 = 7/4, đ = 1/4, đ˝1 = 1/2, đ˝2 = −1/3, đ˝3 = 1/4, đ˝4 = −1/5, đ1 = 1/2, đ2 = 3/4, đ3 = 3/2, and đ4 = 4/3. Clearly, âđš(đĄ, đĽ)âP óľ¨ óľ¨ := sup {óľ¨óľ¨óľ¨đŚóľ¨óľ¨óľ¨ : đŚ ∈ đš (đĄ, đĽ)} ≤ đ (đĄ) đ (âđĽâ) , đ đĽ (1) = đź1 ∫ đĽ (đ ) đđ . 0 (58) Δ 1 = 0.126506, Δ 2 = 0.804143, Δ 3 = 0.849082, Δ 4 = −0.983656, Δ = 0.936934, đ´ 1 = 1.108019, đ´ 2 = 1.971367, đ đˇ2/3 ( đ đˇ4/5 + 1 ) đĽ (đĄ) ∈ đš (đĄ, đĽ (đĄ)) , 10 đĽ (1) = Ω = 1.764724, Thus, đ> óľŠ óľŠ đ (đ) óľŠóľŠóľŠđóľŠóľŠóľŠđż1 Ω ≈ 2.499467. 1−Ψ (64) Clearly, all the conditions of Theorem 16 are satisfied. So there exists at least one solution of the problem (59) on [0, 1]. Example 21. Consider the fractional inclusion boundary value problem (59) with đš : [0, 1] × R → P(R) given by đš (đĄ, đĽ) = [0, 1 sin đĽ + ]. 2 12 (2 + đĄ) (65) Then, we have 0 < đĄ < 1, sup {|đ˘| : đ˘ ∈ đš (đĄ, đĽ)} ≤ 1 1 1 1 đĽ (0) = (đź1/2 đĽ) ( ) − (đź3/4 đĽ) ( ) 2 4 3 4 + (63) Ψ = 0.47047. Note that we obtain the typical integral boundary condition in the limit đ, đ → 1− . Example 20. Consider the problem đĽ ∈ R, (62) with đ(đĄ) = 1, đ(âđĽâ) = 3/4. Using the given data, it is found that đ đĽ (1) = ∑đźđ (đź]đ đĽ) (đ) . đĽ (0) = đ˝1 ∫ đĽ (đ ) đđ , 1 1 1 1 đĽ5 + (đĄ + 1) , sin đĽ + (đĄ + 1)] . 4 đĽ5 + 3 8 4 4 (60) For đ ∈ đš, we have đ đĽ (0) = 0, where đš : [0, 1] × R → P(R) is a multivalued map given by 1 1 1 3/2 1 (đź đĽ) ( ) − (đź4/3 đĽ) ( ) , 4 4 5 4 1 1 1 1/4 2 (đź đĽ) ( ) − (đź3/4 đĽ) ( ) 2 3 3 3 1 1 3 4 + (đź5/4 đĽ) ( ) − (đź7/4 đĽ) ( ) , 4 3 5 3 1 1 , + 12 (2 + đĄ)2 (66) đťđ (đš (đĄ, đĽ) , đš (đĄ, đĽ)) ≤ đ (đĄ) |đĽ − đĽ| , (59) where đ(đĄ) = 1/(2+đĄ)2 . With â đâđż1 = 1/6 and Ω = 1.764724 (from Example 20), it is found that đž = Ωâđâđż1 ≈ 0.294121 < 1. (67) Since all the conditions of Theorem 18 are satisfied, therefore the problem (59) with đš given by (65) has at least one solution on [0, 1]. 16 Acknowledgments The authors thank the referees for their useful comments. This work was partially supported by Deanship of Scientific Research (DSR), King Abdulaziz University, Jeddah, Saudi Arabia. References [1] S. G. Samko, A. A. Kilbas, and O. I. Marichev, Fractional Integrals and Derivatives, Gordon and Breach Science Publishers, Yverdon, Switzerland, 1993. [2] I. Podlubny, Fractional Differential Equations, vol. 198 of Mathematics in Science and Engineering, Academic Press, San Diego, CA, 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, Amsterdam, The Netherlands, 2006. [4] J. Sabatier, O. P. Agrawal, and J. A. T. Machado, Eds., Advances in Fractional Calculus: Theoretical Developments and Applications in Physics and Engineering, Springer, Dordrecht, The Netherlands, 2007. [5] V. Lakshmikantham, S. Leela, and J. Vasundhara Devi, Theory of Fractional Dynamic Systems, Cambridge Academic Publishers, Cambridge, UK, 2009. [6] D. Baleanu, A. K. Golmankhaneh, and A. K. Golmankhaneh, “Fractional Nambu mechanics,” International Journal of Theoretical Physics, vol. 48, no. 4, pp. 1044–1052, 2009. [7] B. Ahmad and S. K. Ntouyas, “Nonlinear fractional differential equations and inclusions of arbitrary order and multi-strip boundary conditions,” Electronic Journal of Differential Equations, vol. 2012, no. 98, pp. 1–22, 2012. [8] Nyamoradi N. and M. Javidi, “Existence of multiple positive solutions for fractional differential inclusion with m-point boundary conditions and two fractional orders,” Electronic Journal of Differential Equations, vol. 2012, no. 187, pp. 1–26, 2012. [9] B. Ahmad and J. J. Nieto, “Sequential fractional differential equations with three-point boundary conditions,” Computers & Mathematics with Applications, vol. 64, no. 10, pp. 3046–3052, 2012. [10] M. R. Ubriaco, “Entropies based on fractional calculus,” Physics Letters A, vol. 373, no. 30, pp. 2516–2519, 2009. [11] J. Henderson and A. Ouahab, “Fractional functional differential inclusions with finite delay,” Nonlinear Analysis. Theory, Methods & Applications, vol. 70, no. 5, pp. 2091–2105, 2009. [12] R. P. Agarwal, M. Belmekki, and M. Benchohra, “A survey on semilinear differential equations and inclusions involving Riemann-Liouville fractional derivative,” Advances in Difference Equations, Article ID 981728, p. 47, 2009. [13] Y.-K. Chang and J. J. Nieto, “Some new existence results for fractional differential inclusions with boundary conditions,” Mathematical and Computer Modelling, vol. 49, no. 3-4, pp. 605– 609, 2009. [14] S. Hamani, M. Benchohra, and J. R. Graef, “Existence results for boundary-value problems with nonlinear fractional differential inclusions and integral conditions,” Electronic Journal of Differential Equations, vol. 2010, no. 20, pp. 1–16, 2010. [15] A. Cernea, “On the existence of solutions for nonconvex fractional hyperbolic differential inclusions,” Communications in Mathematical Analysis, vol. 9, no. 1, pp. 109–120, 2010. Abstract and Applied Analysis [16] B. Ahmad and S. K. Ntouyas, “Some existence results for boundary value problems of fractional differential inclusions with non-separated boundary conditions,” Electronic Journal of Qualitative Theory of Differential Equations, no. 71, pp. 1–17, 2010. [17] W. Sudsutad and J. Tariboon, “Existence results of fractional integro-differential equations with m-point multi-term fractional order integral boundary conditions,” Boundary Value Problems, vol. 2012, article 94, 2012. [18] W. T. Coffey, Y. P. Kalmykov, and J. T. Waldron, The Langevin Equation, vol. 14 of World Scientific Series in Contemporary Chemical Physics, World Scientific Publishing, River Edge, NJ, USA, 2nd edition, 2004. [19] S. C. Lim, M. Li, and L. P. Teo, “Langevin equation with two fractional orders,” Physics Letters A, vol. 372, no. 42, pp. 6309– 6320, 2008. [20] S. C. Lim and L. P. Teo, “The fractional oscillator process with two indices,” Journal of Physics A, vol. 42, no. 6, Article ID 065208, 2009. [21] M. Uranagase and T. Munakata, “Generalized Langevin equation revisited: mechanical random force and self-consistent structure,” Journal of Physics A, vol. 43, no. 45, Article ID 455003, 2010. [22] S. I. Denisov, H. Kantz, and P. HaĚnggi, “Langevin equation with super-heavy-tailed noise,” Journal of Physics A, vol. 43, no. 28, Article ID 285004, 2010. [23] B. Ahmad and J. J. Nieto, “Solvability of nonlinear Langevin equation involving two fractional orders with Dirichlet boundary conditions,” International Journal of Differential Equations, Article ID 649486, 10 pages, 2010. [24] A. Lozinski, R. G. Owens, and T. N. Phillips, “The Langevin and Fokker-Planck equations in polymer rheology,” Handbook of Numerical Analysis, vol. 16, pp. 211–303, 2011. [25] L. Lizana, T. AmbjoĚrnsson, A. Taloni, E. Barkai, and M. A. Lomholt, “Foundation of fractional Langevin equation: harmonization of a many-body problem,” Physical Review E, vol. 81, no. 5, 8 pages, 2010. [26] B. Ahmad, J. J. Nieto, A. Alsaedi, and M. El-Shahed, “A study of nonlinear Langevin equation involving two fractional orders in different intervals,” Nonlinear Analysis. Real World Applications, vol. 13, no. 2, pp. 599–606, 2012. [27] K. Deimling, Multivalued Differential Equations, vol. 1 of de Gruyter Series in Nonlinear Analysis and Applications, Walter de Gruyter, Berlin, Germany, 1992. [28] S. Hu and N. S. Papageorgiou, Handbook of Multivalued Analysis, vol. I of Mathematics and its Applications, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, The Netherlands, 1997. [29] G. V. Smirnov, Introduction to the Theory of Differential Inclusions, vol. 41 of Graduate Studies in Mathematics, American Mathematical Society, Providence, RI, USA, 2002. [30] A. Lasota and Z. Opial, “An application of the Kakutani-Ky Fan theorem in the theory of ordinary differential equations,” Bulletin de l’AcadeĚmie Polonaise des Sciences. SeĚrie des Sciences MatheĚmatiques, vol. 13, pp. 781–786, 1965. [31] A. Granas and J. Dugundji, Fixed Point Theory, Springer Monographs in Mathematics, Springer, New York, NY, USA, 2005. [32] A. Bressan and G. Colombo, “Extensions and selections of maps with decomposable values,” Studia Mathematica, vol. 90, no. 1, pp. 69–86, 1988. Abstract and Applied Analysis [33] M. Kisielewicz, Differential Inclusions and Optimal Control, vol. 44 of Mathematics and its Applications (East European Series), Kluwer Academic Publishers Group, Dordrecht, The Netherlands, 1991. [34] H. Covitz and S. B. Nadler Jr., “Multi-valued contraction mappings in generalized metric spaces,” Israel Journal of Mathematics, vol. 8, pp. 5–11, 1970. [35] M. Frigon, “TheĚoreĚmes d’existence de solutions d’inclusions diffeĚrentielles,” in Topological Methods in Differential Equations and Inclusions, A. Granas and M. Frigon, Eds., vol. 472 of NATO ASI Series C, pp. 51–87, Kluwer Academic, Dordrecht, The Netherlands, 1995. [36] C. Castaing and M. Valadier, Convex Analysis and Measurable Multifunctions, vol. 580 of Lecture Notes in Mathematics, Springer, Berlin, Germany, 1977. 17 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