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 Xоператор 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 оп

Внимание, отключите Adblock

Вы посетили наш сайт со включенным блокировщиком рекламы!
Ссылка для скачивания станет доступной сразу после отключения Adblock!

Скачать