Существование и единственность решения

3. Существование и единственность решения

 

Для доказательства теоремы о существовании и единственности липшицевого решения нам потребуется некоторые понятия и важные теоремы, доказательства которых можно, например, найти в книге Кадеца [3].

Def 2. Оператор Т называется вполне непрерывным (компактным), если Т непрерывен и Т отображает любое ограниченное множество в предкомпактное.

Def 3. Семейство Ф функций φ, определенных на  называется равномерно ограниченным, если

Def 4.Семейство Ф функций φ, определенных на , называется равностепенно непрерывным, если

Теорема 1.(Арцела)

Для того чтобы семейство Ф непрерывных, определенных на отрезке  функций было предкомпактом в , необходимо и достаточно, чтобы это семейство было равномерно ограниченным и равностепенно непрерывным.

Теорема 2.(Шаудера, принцип неподвижной точки)

Если U-замкнутое ограниченное выпуклое подмножество пространства Банаха X оператор  вполне непрерывен, то Т имеет в U по крайней мере одну неподвижную точку.

Именно на теореме Шаудера основано доказательство теоремы о существовании и единственности решения.

Теорема 3.(существование и единственность решения системы (1).(2))

Пусть система (1),(2) такая что:

Тогда  такая что на отрезке  существует решение системы (1),(2), удовлетворяющее условию Липшица, и оно единственно.

Замечание. Для простоты возьмем , для других значений теорема доказывается аналогично, или сводится к этому случаю заменой переменных.

Доказательство: Проинтегрировав уравнение (1), увидим, что решение должно удовлетворять условию:

Обозначим

и будем искать решение в виде

Где

Определим оператор

,

Который действует из  в себя, действительно, возьмем произвольный элемент

a)  Проверим, удовлетворяет ли образ условию Липшица: возьмем

При  

b) 

При  выполнено .

c)   при  по определению оператора.

Выполнение условий a,b,c означает что .

Для этого необходимо подобрать параметры  так, чтоб одновременно выполнялись условия:

(3)

(4)

Покажем, что оператор Т осуществляет непрерывное отображение:

Возьмем последовательность  такую что

Оценка выполнена на всем интервале, величина  положительна и конечна, отсюда следует, что при |

 также стремится к нулю, а значит оператор Т переводит сходящиеся последовательности в сходящиеся, а значит он непрерывен.

Компактность оператора будем доказывать по теореме Арцела, так как образ оператора лежит в пространстве  с соответствующей нормой.

1),

правая часть не зависит ни от t, ни от y, значит образ оператора – равномерно ограниченное семейство функций.

2)

Выбирая  получаем что образ оператора есть равностепенно непрерывное семейство функций.

А значит, образ множества  предкомпакт, а оператор Т вполне непрерывен.

Так как множество  ограничено, выпукло и замкнуто, а оператор Т компактен и действует из этого множества в себя, то по теореме Шаудера существует по крайней мере одна неподвижная точка  из этого множества.

, а это значит, что  - решение системы (1),(2).

Единственность:

Предположим, что при выполнении условий теоремы x и y – решения системы (1),(2) на интервале .

При  оба решении совпадают с начальными данными, а значит равны между собой. На интервале  оценим модуль разности функций, являющимися решениями.

Эта оценка верна для произвольного t отсюда немедленно следует, что

,

Выбирая  таким малым, чтоб  было меньше 1, получаем что , а значит на  . Последовательно строя интервалы длинной  закончим доказательство теоремы.

4.Пример неединственности (Winston)

Для уравнения  с начальными данными

для малых положительных t существует два различных решения:

Действительно, проверим, удовлетворяют ли эти функции уравнению:

Значит, система имеет два различных решения. Это происходит потому что при малых t аргумент  оказывается в окрестности -1, а при этих значениях начальные данные недостаточно гладки, не выполнено условие Липшица.

Список использованной литературы

 

[1] HALE J. K. Theory of functional differential equations. –Berlin; Heidelberg; New York: Springer, 1977.

[2] Резуненко А.В. Краткое введение в обыкновенные дифференциальные уравнения с запаздывающим аргументом. Харьков-2004.

[3] Кадец В.М. Курс функционального анализа. Харьков-2006.

[4] I.D.Chueshov. Introduction to the Theory of Infinite-Dimensional Dissipative Systems . «Аста»-2002.

[5] Д. Хенри. Геометрическая теория полулинейных параболических уравнений. Москва. «Мир»-1985.

[6] Колмогоров А.Н. Фомин С.В. Элементы теории функций и функционального анализа 1976