Пред.
След.
Макеты страниц
Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике ДЛЯ СТУДЕНТОВ И ШКОЛЬНИКОВ ЕСТЬ
ZADANIA.TO
1. Пусть каждому вещественному значению $t$ поставлен. в соответствие оператор $X(x, t)$, переводящий простренство $\boldsymbol{E}$ в себя. В этом случае можно рассматривать дифференциальное уравнение где через $\dot{x}$ обозначена, как обычно, производная абстрақтной функции $x(t)$ по $t$. Очевидно, что решение уравнения (2.1), удовлетворяющее начальному условию $x\left(t_{0}\right)=x_{0}$, должно быть также решением интегрального уравнения Обозначим через $D$ область $\left\|x-x_{0}\right\| \leqslant r,\left|t-t_{0}\right| \leqslant T$, и предположим, что в этой области операторная функция $X(x, t)$ непрерывна и удовлетворяет условию Липшица В силу непрерывности $X(x, t)$ функция $\left\|X\left(x_{0}, t\right)\right\|$ будет ограниченной на отрезке $\left|t-t_{0}\right| \leqslant T$ и пусть $M_{0}=\sup \left\|X\left(x_{0}, t\right)\right\|$ на этом отрезке. Из условия Липшица имеем Таким образом, полагая $M=M_{0}+r L$, получим в области $D$ Приведем теперь, опираясь на принцип сжатых отображений, простейший вариант теоремы существования и единственности решения уравнения (2.1). Теорема 2.1. Уравнение (2.1) при указанных выше условиях имеет единственное решение $x(t)$, удовлетворяющее условию $x\left(t_{0}\right)=x_{0}$; это решение определено на интервале $\left|t-t_{0}\right|<r M^{-1}$. переводящий непрерывную функцию $x(t)$ также в непрерывную функцию. Пространство $C$ непрерывных функций $x(t)$ с. нормой будет, очевидно, банаховым пространством. а из неравенства (2.4) получим Если положить $\left|t-t_{0}\right|<r M^{-1}$, то получим $\| A(x(t))-$ — $x_{0} \|_{C} \leqslant r$ и, кроме того, где $\alpha=r L M^{-1}=r L\left(M_{0}+r L\right)^{-1}<1$. Таким образом, оператор $A$ переводит шар $\left\|x(t)-x_{0}\right\| \leqslant r$ банахова пространства в себя и удовлетворяет условиям теоремы 1.2. Доказанная теорема утверждает существование решения лишь на интервале $\left|t-t_{0}\right|<d$, где $d=r M^{-1}$; беря конец интервала за исходную точку, можем продолжить решение и далее, однако, нет гарантии, что такое продолжение возможно на весь бесконечный промежуток времени. Очевидно, что в случае непродолжаемости траектория выходит при ограниченных значениях $t$ за пределы любой ограниченной области пространства $\boldsymbol{E}$. Уточним последнее утверждение. Пусть решение $x(t)$ при $t \geqslant t_{0}$ не выходит из некоторой области $G_{1}$, заданной неравенством $\left\|x-x_{0}\right\|<r_{1}$, где $r_{1}<r$. Пусть в области $G$, заданной неравенством $\left\|x-x_{0}\right\|<r$, выполнено при $t \geqslant t_{0}$ условие (2.3) и, кроме того, условие Из условий (2.3) и (2.5) следует, что $\|X(x, t)\| \leqslant M$ при $t \geqslant t_{0}$, где $M=N+r L$. Очевидно, в любой момент времени, пока траектория находится в области $G_{1}$, ее можно продолжить снова на промежуток времени $d=r M^{-1}$, не зависящий от момента времени, в который мы осуществляем продолжение. Таким образом, в данном случае решение может быть продолжено на промежуток времени $t_{0} \leqslant t<\infty$. Игак, сейас мы доказали следующее утверждение: Теорема 2.2. Ecли в области $\left\|x-x_{0}\right\| \leqslant r<\infty$, $t \geqslant t_{0}$ выполнены условия (2.3) $u$ (2.5), то всякая траектория, не выходящая из некоторой подобласти $\left\|x-x_{0}\right\| \leqslant r_{1}<r$, продолжима на бесконечный интервал времени $t_{0} \leqslant t<\infty$. где $L(r)$ — непрерывная бункция, обладающая свойством Всякое решение уравнения (2.1) может быть продолжено на бесконечный интервал времени $t_{0} \leqslant t<\infty$. то имеем $\left\|\frac{d x}{d t}\right\| \geqslant\left|\frac{d\|x\|}{d t}\right|$. Отсюда следует, что $\left|\frac{d\|x\|}{d t}\right| \leqslant$ $\leqslant L(\|x\|)$. Беря интеграл вдоль кривой $x=x(t)$ от точки $x_{0}=x\left(t_{0}\right)$ до точки $x$ в сторону возрастания $t$, получим Таким образом, если $\|x\| \rightarrow \infty$, то и $t \rightarrow \infty$, что означает продолжаемость решения. Если же величина $\| x$ || остается ограниченной, то решение будет продолжаемым в силу теоремы 2.2 . Теорема 2.4 (М. А.Красносельский, С.Г.Креин [74|). Пусть существует бункционал $\Phi(x)$, обладающий свойством при $t \geqslant t_{0}$, где через $\frac{d \Phi}{d t}$ обозначена производная $\Phi(x)$ вдоль траекторий уравнения (2.1), а функция $L(r)$ удовлетворяет условию (2.7); тогда всякое решение уравнения (2.1) будет продолжаемым на интервале $t_{0} \leqslant t<\infty$. В самом деле, из условия (2.7) снова получаем (2.8). Если $\|x\| \rightarrow \infty$, то и $\Phi(x) \rightarrow \infty$, следовательно, имеем $t \rightarrow \infty$, что означает продолжаемость неограниченного решения. Из теоремы 2.3, в частности, следует, что если в $\boldsymbol{E}$ выполнены условия (2.3) и (2.5) при $t \geqslant t_{0}$, то всякое решение уравнения (2.1) продолжаемо на полубесконечный интервал времени. Очевидно, для применения теоремы 2.3 в данном случае следует положить $L(r)=L r+N$. В заключение приведем теорему, которая значительно обобщает условия существования, данные в теореме 2.1. Теорема 2.5 (М.А.Красносельский, С.Г.Крей [74]). Пусть $X(x, t)=X_{1}(x, t)+X_{2}(x, t)$, где оператор $X_{1}(x, t)$ вполне непрерывен, $m$. е. переводит всякое оараниченное множество из $D$ в компактное множество пространства $\boldsymbol{E}$, а оператор $X_{2}(x, t)$ непрерывен в $D$ и удовлетворяет условию Тогда существует решение $x(t)$ уравнения (2.1), определенное на отрезке $t_{0}-d \leqslant t \leqslant t_{0}+d$, и такое, что $x\left(t_{0}\right)=x_{0}$. Всюду в дальнейшем мы не будем специально оговаривать условия, обеспечивающие существование решений рассматриваемых дифференциальных уравнении, а будем всегда считать эти условия выполненными. Лемма 2.1. Пусть и(t) и $f(t)$ — скалярные, неотрицательные, интегрируемые на отрезке $t_{0} \leqslant t \leqslant t_{0}+T$ функции. Пусть, кроме того, скалярная неотрицательная оункция $K(t, s)$ ограничена при $t_{0} \leqslant s \leqslant t \leqslant t_{0}+T$. Если имеет место неравенство то справедливо неравенство и $(t) \leqslant \psi(t)$ при $t_{0} \leqslant t \leqslant t_{0}+T$, где $\psi(t)$-решение интегрального уравнения Лемму 2.1 докажем, слелуя ([75], стр. 64), где рассмотрен случай непрерывных функций $u(t), f(t), K(t, s)$. Обозначив получим из (2.9) Пусть $|K(t, s)| \leqslant M$ при $t_{0} \leqslant s \leqslant t \leqslant t_{0}+T$. Легко доказывается ([76], стр. 23), что Следовательно, $\left|K^{n} u\right| \rightarrow 0$ при $n \rightarrow \infty$ и ряд $\Gamma f=f+K f+$ $+\ldots+K^{n-1} f+\ldots$ сходится к решению интегрального уравнения (2.10). то имеет место неравенство Справедливость леммы непосредственно вытекает из леммы 2.1. Непосредственной проверкой можно в данном случае убедиться, что функция удовлетворяет интегральному уравнению Лемма 2.3. Если при выполнении условий предыдущей леммы $f(t)$ является функцией ограниченной вариации на отрезке $t_{0} \leqslant t \leqslant t_{0}+T$, то из неравенства (2.12) следyem где интеграл в правой части есть интеграл Стилтвеса. Если функция $f(t)$ дифференцируема, то справедливо неравенство Неравенство (2.14) вытекает непосредственно из неравенства (2.13), если воспользоваться для интеграла, стоящего в правой части этого неравенства, формулой интегрирования по частям, условия применимости которой в данном случае выполнены. уравнение Предположим, что в области $D:\|x\| \leqslant r, t_{0} \leqslant t \leqslant t_{0}+T$ выполнены условия где $\eta(t)$ — непрерывная функция на отрезке $t_{0} \leqslant t \leqslant t_{0}+T$, Пусть будут выполнены условия, которые обеспечивают в совокупности с условиями (2.18) и (2.19) существование решений уравнений (2.16) и (2.17) в рассматриваемой области. Такими условиями могут быть в силу теоремы (2.1) непрерывность операторов $X(x, t), R(x, t)$ в области $D$ и выполнение условия Липшица для $R(x, t)$, или, в силу теоремы 2.5 , непрерывность $X(x, t)$ и полная непрерынность $R(x, t)$. Пусть $x(t)$ — решение уравнения (2.16), удовлетворяющее условию $x\left(t_{0}\right)=x_{0}$ и $y(t)$ — решение уравнения (2.17), такое, что $y\left(t_{0}\right)=y_{0}$. Действительно, из интегральных уравнений соответствующих уравнениям (2.16) и (2.17), имеем Используя (2.18) и (2.19), получим Доказываемое неравенство следует теперь из неравенства (2.15). Рассмотрим частные случаи: из которой следует факт непрерывности решения уравнения (2.16) по начальным данным. получаем при $x_{0}=y_{0}$ Пользуясь неравенством Буняковского-Шварца, получим Полученные оценки говорят о непрерывности решения по отношению к изменению правой части уравнения (соответственно в метрике пространств $\boldsymbol{C}, \boldsymbol{L}, \boldsymbol{L}_{2} ;$ см. § 4 данной главы). Предположим, что оператор $A(t)$ при каждом фиксированном значении $t$ является линейным ограниченным оператором, и операторная функция $A(t)$ непрерывна по $t$ при $t \geqslant 0$. Из теоремы 2.1 будет следовать в этом случае существование и единственность решений уравнения (2.1), а из теоремы 2.3 следует неограниченная продолжаемость всех решений этого уравнения на полубесконечный интервал времени. Обозначим через $\boldsymbol{E}$ пространство линейных ограниченных операторов, отображающих $\boldsymbol{E}$ в $\boldsymbol{E}$. Известно ([71], стр. 146), что $\boldsymbol{E}$ будет также банаховым пространством. Рассмотрим в $\overline{\boldsymbol{E}}$ уравнение где $U(t)$ — операторная функция со значениями в $\overline{\boldsymbol{E}}$. Пусть $U(t)$ — решение уравнения (2.22), удовлетворяющее условию $U(0)=I$. Покажем, что существует обратнюй оператор $U^{-1}(t)$. также удовлетворяющее условию $V(0)=I$. Полагая $W_{1}(t)=$ $=V(t) U(t)$, находим Следовательно, $W_{1}(t)$ — постоянный оператор и равен $I$. Пусть $W_{2}(t)=U(t) V(t)$; имеем Так как этому последнему уравнению удовлетворяет решение $W_{2}=I$, то всякое другое решение, определяемое условием $W_{2}(0)=I$, должно в силу свойства единственности совпадать с этим решением. Таким образом, $W_{2}(t)=I$ и $U V=V U=I$, что и .требовалось доказать. Введем обозначение $W\left(t, t_{0}\right)=U(t) U^{-1}\left(t_{0}\right)$. Операторную функцию $W\left(t, t_{0}\right)$ будем называть оператором Коши. Отметим одно важное свойство оператора Коши: Непосредственной проверкой можно убедиться, что решение уравнения (2.21), удовлетворяющее условию $x\left(t_{0}\right)=x_{0}$, может быть записано в форме Рассмотрим теперь неоднородное уравнение где $n(t)$ — функция со значениями в $\boldsymbol{E}$. Справедливость формулы Коши также устанавливается непосредственной проверкой. Заметим, что функция $u(t)$, как правило, в приложениях является разрывной или даже обобщенной функцией. В этих более сложных случаях формула Коши будет справедливой, если только дать более широкое толкование интегралу, стоящему в правой части формулы (2.27). Отметим еще одно важное неравенство, которым мы воспользуемся в дальнейшем: Справедливость этого неравенства устанавливается следующим образом. Так как имеем $\dot{W}\left(t, t_{0}\right)=A(t) W\left(t, t_{0}\right)$, и так как $\left|\frac{d}{d t}\left\|W\left(t, t_{0}\right)\right\|\right| \leqslant\left\|\frac{d}{d t} W\left(t, t_{0}\right)\right\|$, то получаем Решая последнее неравенство, получим (2.28). Заметим, что все предыдущие рассуждения остаются справедливыми, если вместо непрерывности по $t$ операторной функции $A(t)$ потребовать интегрируемость $\|A(t)\|$ на любом конечном интервале. Отметим также, что наиболее полное описание линейных систем в конечномерном случае дано в монографиях Н. П. Еругина $[78,79]$.
|
1 |
Оглавление
|