应用泛函分析教案1

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证:(在有不动点

中考虑映照

中作映照

,若其为压缩映照,则

在完备度量空间,显然,对

由连续函数的运算性质有

是到自身的一个映照

下证是压缩的. 即证

由微分中值定理,存在

,使

,任取

,故

取最大值 映照T是压缩的.由Banach压缩映象定理 在

上有唯一的不动点

使

显然这个不动点适合

注:① 注意本定理的证明思路:先确定空间,再找映照(这是难点),然后证明此映照是压缩的,最后利用定理即得。注意到这是利用Banach压缩映照定理解题的一般方法。

② ② 此隐函数存在定理给出的条件强于数学分析中隐函数存在

定理所给出的条件,因而得出的结论也强些:此处得出区间上

的连续隐函数

.

下面我们介绍Banach不动点定理在常微分方程解的存在唯一性定理中的应用--Picard定理.

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定理3:(Picard定理 Cauchy--Peano微分方程解的存在唯一性定理) (Picard 法国人 1856—1941 Peano意大利人1858--1932) 设

在矩形

上连续,设

在R上关于x満足Lipschitz(德

有 在区间的连续函数

国人 1832--1903)条件,即存在常数k使对

,那么方程

上有唯一的满足初始条件

解.其中证:设对足条件闭,因而令

如果

表示在区间

上的连续函数全体。

表示

中满

成完备度量空间。又令

的连续函数全体所成的子空间。显然

也是完备度量空间.

时,

是R上的二元连续函数,映照中积分有意义。

故T是

的一个映照

又对一切

下证是压缩的。 由Lipschitz条件,对有

中的任意两点

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令 则

由Banach压缩映象定理,T在即 即

再证唯一性。 如果

也是

满足

使

,则由

.

故T是压缩的。 中有唯一的不动点.

是满足初值条件的连续解。

的连续解.

那么 因而 而且也是T的不动点.而T的不动点是唯一的. 故

有唯一解。

注:题设条件中Lipschitz条件的要求是十分强的,它保证了解的唯

一性。实际上満足Lipschtz条件即为一致收敛。因而可在积分号下求导,如果把解的要求降低,例如只要求广义解,即只要求

满足积分方程

则题设条件可大大放宽:

只要 有界,即可利用Lebesgue控制收敛定理得到广义解。 注意到Banach压缩映照定理不仅证明了方程的解的存在唯一性,而且也提供了求解的方法--逐次逼近法:即只要任取

则解

.且在Banach不动点定理的证明中,有

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.即此式给出了用逼近解的误差估计式。

补充:Brouwer不动点是定理与Schauder不动点定理简介

鉴于不动点理论在现代数学中非常重要的地位,以及不动点理论是现代泛函分析中一个十分活跃的重要分支,下面我们简单介绍Brouwer不动点定理和Schauder不动点定理及其简单应用。 一、Brouwer不动点定理及其应用: (一)Brouwer不动点定理

(Brouwer:荷兰人 1881-1966)

定义(凸集): X为一集,若 X的凸子集。

定理1(Brouwer不动点定理):

.

证:1、若 作辅助函数 从而变成证明 显然:

证明如下:不妨设

显然使 否则 否则

在 即可.

则0为f之不动点; 则1为f之不动点: 上连续.

的有界闭凸集,

连续,则

则称A为

使

(证毕)由连续函数的介值性定理的推论:根的存在定理可得使

证毕。

2、若 ,其证明方法很多,其中纯分析方法的证明要用到场论中旋度的概念,且很繁,而简洁的证明要用到拓扑学中映象度理论,因而希望对此有兴趣的同学可参阅张石生《不动点定理及其应用》,或一般常微分方程教材的附录。

3、注意到Brouwer不动点定理中的条件是不可缺少的,但某些条件可

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