Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!
МегаЛекции

Существование и единственность решения

Определения

Дифференциальные уравнения с запаздывающим аргументом вида

 

                                                         (1)

 

где , , , называются дифференциальными уравнениями с запаздыванием, зависящим от состояния, а именно с сосредоточенным запаздыванием.

Если заданы начальные данные в виде

 

                                           (2)

 

То имеет смысл определить понятие решения, начинающегося в точке σ с функции φ, или, короче, начинающегося в φ.

В дальнейшем будем рассматривать только решения, удовлетворяющие условию Липшица, поэтому следует дать следующее определение:

Def 1. Функция  называется решением системы (1), (2) на отрезке  , если она удовлетворяет следующим условиям:

 

 на отрезке .

 

Естественно возникает вопрос о существовании и единственности такого решения.

Для начала сделаем некоторые обозначения.

a)  есть функция, определенная на отрезке  и удовлетворяющая условию Липшица с константой L, то есть

 

;

b)

c)

Def 2.  удовлетворяет условиям a),b),c)}

Полезная лемма

Lemma 1: -выпуклое, замкнутое, ограниченное множество в пространстве непрерывных на отрезке  функций.

Proof:

1) Выпуклость:

a)Выберем произвольные функции , тогда

 

 

b) ;

 

c) на отрезке на том же отрезке для любых .

2) Ограниченность:

Множество  определено так, что все элементы этого множества лежат в шаре радиуса

3) Замкнутость:

Возьмем последовательность функций такую, что

 

, .

a)

 

Возьмем  тогда

 

 

Так как это верно при любом , то получаем, что предельная функция удовлетворяет условию Липшица с константой L.

b) По теореме Кантора  равномерно на отрезке.

Предположим, что при этом (для простоты доказательства предположим что , если , рассуждения проводятся аналогично)

Возьмем , тогда, так как для любого положительного  и любого  выполнено , то выполнено и для данных  и t. Получим:

 

 

Так как по предположению , то получаем что , а это невозможно, так как . Противоречие показывает, что предельная функция ограничена по норме той же константой .

 

c)

 

на отрезке .

Видим, что выполнение условий a,b,c равнозначно тому что , то есть множество  замкнуто.

Лемма доказана полностью.

 

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.

 

Поделиться:





Воспользуйтесь поиском по сайту:



©2015 - 2024 megalektsii.ru Все авторские права принадлежат авторам лекционных материалов. Обратная связь с нами...