Дифференциальные уравнения с запаздывающим аргументом
1. 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)}
2. 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.
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
Проверим, удовлетворяет ли образ условию Липшица: возьмем
При
При
выполнено
.
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