BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP.HỒ CHÍ MINH
Trần Văn Trí
PHƯƠNG TRÌNH TÍCH PHÂN CỦA HÀM
CÓ GIÁ TRỊ VECTƠ
Chuyên ngành: Toán giải tích
Mã số: 60.46.01
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS.LÊ HOÀN HÓA
Thành phố Hồ Chí Minh-2009
LỜI CẢM ƠN
Trước tiên tôi xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS Lê Hoàn Hóa đã tận
tình chỉ bảo, góp ý cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp
này.
Nhân đây tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô, những người đã
tận tình truyền đạt kiến thức cho tôi trong hai năm học cao học vừa qua.
Xin chân thành cảm ơn.
Học viên
Trần Văn Trí
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
1,2,...
0
0;
MỞ ĐẦU
Trong luận văn này tôi xét sự tồn tại nghiệm và tính chất compact, liên
thông của tập nghiệm của phương trình tích phân phi tuyến có dạng
x t t
1 t
f t , s, x 1 s ds
0
2 t
0
K t , s g s, x 2 s ds ,t 0 (*)
trong đó i ,i : 0; 0; , i=1,2;
f : 0; E E ,
2
g : 0; E E ,
K : 0; L( E , E ) .
2
E là không gian Banach thực với chuẩn . , L(E,E) là không gian các toán tử
tuyến tính liên tục từ E vào E.
Phương trình (*) đã được khá nhiều nhà toán học quan tâm, bên cạnh việc
chứng minh sự tồn tại nghiệm việc khảo cứu cấu trúc của tập nghiệm cũng
được đề cập chẳng hạn như:
và hàm f (t , s, x( s)) v( s, t ) x(1 ( s )) , Avramescu 6 đã
Trường hợp E =
chứng minh sự tồn tại nghiệm của phương trình
x t t
1 t
v( s, t ) x(1 ( s ))ds
0
2 t
0
K t , s g s, x 2 s ds , t 0 (**)
Trường hợp E là không gian Banach thực Hóa, Ngọc 8 đã chứng minh
tập nghiệm của phương trình
t
t
0
0
x t t f t , s, x( s) ds g s, x s ds , t 0 (***)
là khác rỗng, compact, liên thông.
Với các kỹ thuật và ý tưởng tự như trong 7 , 8 tôi sẽ chứng minh tập
nghiệm của phương trình (*) khác rỗng, compact liên thông với các giả thiết
của hàm f, g nhẹ hơn trong 6 , 7 , 8 . Kết quả chính của luận văn này được
trình bày ở định lí 3.1, định lí 3.2. Cụ thể như sau
Ở chương 1 gồm các định lí mà các kết quả của nó dùng trong các chứng
minh ở chương 2 và chương 3 gồm các định lí 1.2, định lí 1.3, định lí 1.6,
định lí 1.8, định lí 1.9.
Ở chương 2 : có hai vấn đề
Một là sự tồn tại nghiệm của phương trình tích phân trong không gian
Banach và kết quả chính là định lí 2.1.5.
Hai là định lí Krasnoselskii-Perov nói về tính chất của tập nghiệm
Ở chương 3 chứng minh tập nghiệm của phương trình (*) khác rỗng,
compact, liên thông. Việc chứng minh dựa vào hai định lí 2.1.5 và định lí 2.2.
Kết quả chính của chương và của luận văn là định lí 3.1 và định lí 3.2.
Chương 1: KIẾN THỨC CHUẨN BỊ
Định nghĩa1.1: 1
Cho X,Y là hai không gian Banach. Ánh xạ f : X Y được gọi là lipsit địa
phương nếu: với mọi x0 X , tồn tại lân cận V của x0 và một hằng số k
(không phụ thuộc x0 ) sao cho f x f x , k x x , ,x, x , V .
Định lí 1.2: 1
Cho E, F là hai không gian Banach, D là tập con mở của E và ánh xạ liên
tục f : D F . Khi đó với mỗi tồn tại ánh xạ Lipschitz địa phương
f : D F sao cho f ( x) f ( x) , x D và f ( D) co f ( D) .
Chứng minh:
Với x D ,đặt x y D / f ( x) f ( y ) thì D x
2
xD
Gọi V , là phủ mở của D, được gọi là phủ mở hữu hạn địa phương
mịn hơn của phủ x , x D sao cho:
+ x D , tồn tại lân cận V(x) thỏa mãn : V ( x) V chỉ với một số hữu
hạn .
+ Với mỗi tồn tại x D để V x .
Với xác định al : D định bởi:
ì0
khi x Ï Vl
ï
a (x) = ï
ír(x, ¶V ) khi x Î V
l
ï
l
ï
l
î
trong đó r(x,A) = inf { x - y , y Î A} .
-1
æ
ö
Đặt fl (x) = ççå a m (x)÷÷÷ a l (x), x Î D
çè mÎL
ø
ìï0
£ x-y khi x, y Ï Vl
ïï
Ta có a l (x) -a l (y) = ï
£ x-y khi x Î Vl , y Ï Vl
ír(x, ¶Vl )
ïï
ïï r(x, ¶Vl ) - r(y, ¶Vl ) £ x-y khi x,y Î Vl
î
Vậy a l lipsitz trên D.
Do V , là phủ mở hữu hạn địa phương nên chỉ có hữu hạn m Î L sao
cho x Î Vm và như vậy chỉ có hữu hạn m Î L sao cho a m (x) > 0 .
Vậy fl (x) hoàn toàn xác định.
Hơn nữa fl (x) =0 nếu x Ï Vm và fl lipsitz địa phương.Với mỗi l Î L ,
chọn a l Î Vl Ç D
Định nghĩa f x x f a .
Ta thấy
x 1, x 0
nên f x cof ( D) . Khi đó f là lipsit địa
phương trên D.
Với mỗi x D , tồn tại để x V và tồn tại x ' D để V x
,
Khi đó x, a V x nên f ( x) f a .
,
Vậy
f x f x
x f a f x x f a x f x
x f a f x với mọi x D .
Định lí 1.3: 7
A là tập đóng khác rỗng của không gian mêtric X , Y là không gian định
chuẩn. Toán tử f : A Y liên tục. Khi đó tồn tại ánh xạ liên tục F : X Y
sao cho :
a) F X cof A .
b) f ( x) F x , x A .
Định nghĩa 1.4: 9
Xét , , là một không gian độ đo. X,Y là hai không gian Hausdorff.
Hàm f : X Y gọi là hàm Carathéodory nếu thỏa các điều kiện sau:
i) Với mọi x X hàm t f t , x là , B(Y ) đo được với B(Y) là
-đại số Borel của Y.
ii) Với mọi t hàm x f t , x liên tục.
Đặt N g ( x)(t ) = g (t , x (t )) .
Nhận xét:
Nếu X là một không gian metric khả li ( separable metrizable space) và Y
là không gian metric thì hàm z , x f ( z , x) là
B X -đo được.
Hơn nữa f là đồng độ đo (sup-measurable), nghĩa là mọi hàm đo được
u : X thì hàm z f ( z , u ( z )) là đo được (Denkowski, Migorski &
Papageorgiou).
Trong mục sau, nếu không có chú thích gì thì chúng ta xét , , là một
không gian độ đo nonatomic, -hữu hạn, đầy đủ ( trong các áp dụng thường
sử dụng là một tập con của
n
với độ đo Lebesgue) và X,Y là hai không
gian Banach khả li (separable Banach spaces).
Mệnh đề 1.5: 9
Nếu h : W´ X + là một hàm Carathéodory, thỏa các điều kiện sau:
h ( z ,0) = 0 "z Î W và N h (u ) L (W) £ c r "u Î Lp (W, X ) ,với c >0 thì
r
m ( Ek ) = 0 " k ³ 1
ì
ü
ở đây Ek = ï
í z Î W : sup h ( z , x) = +¥ï
ï
x £k
ï
ï
î
ï
"k ³ 1.
X
Chứng minh:
Giả sử tồn tại k ³ 1 sao cho m ( Ek ) ¹ 0 . Bỡi vì không gian độ đo nonatomic,
s -hữu hạn, chúng ta có thể lấy Bk Î å sao cho
Bk Í Ek và 0 < m ( Bk ) < +¥ .
Với mọi z Î Bk , đặt
ì
ü
ï
2c r ï
ï
ï
S k ( z ) = í x Î X : x X £ k , h ( z , x) >
.
ï
ï
m
B
(
)
k
ï
ï
î
Hiển nhiên S k ( z ) ¹ f "z Î Bk ,
và GrS k Î (åÇ Bk )´ B ( X ) , với B(X) là s -đại số Borel của X.
Chúng ta áp dụng định lí chọn Yankov-von Neumann-Aumann và thu được
một ánh xạ (å, B ( X )) -đo được uk : Bk X sao cho
uk ( z ) Î Sk ( z ) "z Î Bk .
Chúng ta mở rộng uk lên W bằng cách đặt
uk ( z ) = 0 nếu z Î W \ Bk .
Vì h ( z ,0) = 0 "z Î W và uk Î Lp (W, X ) , ta có
r
r
h ( z , uk ( z )) d m = ò h ( z , uk ( z )) d m > 2c r
ò
W
Bk
Mâu thuẫn giả thiết.Vậy có điều phải chứng minh.
Định lí 1.6: 9
f : X Y là
Nếu
một
hàm
Carathéodory,
p,r 1;
và
N f : L p (, X ) Lr (, Y ) thì N f liên tục, bị chặn (nghĩa là biến tập bị chặn
thành một tập bị chặn) hơn nữa tồn tại a Lr (), a 0 và c > 0 sao cho
f ( z , x)
Y
a( z ) c x
p
r
X
(hầu khắp nơi z ).
Chứng minh:
Ta chứng minh N f liên tục
Lấy u n n1 Lp (, X ) sao cho u n u trong Lp (, X ) .
Đặt g : X định nghĩa như sau:
r
g ( z , x) f ( z , x u ( z )) f ( z , u ( z )) Y .
Chúng ta lấy dãy con u n
unk u
p
p
L (, X )
k
k 1
của u n n1 sao cho:
1
, k 1
2k
và unk ( z ) u ( z ) hầu khắp nơi z
Đặt
v k u nk u k 1 .
Ta có v k ( z ) 0 hầu khắp nơi z
và g ( z , v k ( z )) 0 hầu khắp nơi z khi k .
Bỡi vì g ( z , x) ³ 0 ," ( z , x) Î W´ X và v k ( z ) 0 hầu khắp nơi z
Chúng ta tìm k (z ) , sao cho z sup g ( z , vk ( z )) g ( z, vk ( z ) ( z )) .
k 1
Đặt
vˆ( z ) vk ( z ) ( z ) .
Khi đó là đo được và hàm z vˆ( z ) å -đo được.
Hơn nữa,ta có
vˆ( z ) X d sup vk ( z ) X d vk
p
p
k 1
k 1
p
p
L (, X )
un k u
k 1
p
Lp (, X )
.
Do vậy vˆ Lp (, X ) .
Từ định nghĩa của g và giả thiết thì N g là ánh xạ từ Lp (, X ) vào Lr (, X )
chúng ta suy ra rằng g (., vˆ(.)) L1 () .
Khi đó g ( z , vk ( z )) g ( z , vˆ( z )), z , k 1
và g ( z , vk ( z )) 0 hầu khắp nơi z
theo định lí hội Lebegues, chúng ta có
g ( z, v ( z ))d 0 .
k
Do đó N f ( xn ) N f ( x) trong Lr (;Y ) .
k
Nên mọi dãy con của N f ( xn )n 1 hội tụ đến N f (x) trong Lr (;Y ) .
Vậy N f ( xn ) N f ( x) trong Lr (;Y ) .
Do đó N f : Lp (, X ) Lr (, Y ) là liên tục.
Ta chứng minh N f bị chặn: cho u Lp (, X )
Đặt
fˆ ( z , x) f ( z , x u ( z )) f ( z, u ( z )) .
Hiển nhiên fˆ là hàm Carathéodory và N fˆ là ánh xạ từ Lp (, X ) vào Lr (, Y )
và fˆ ( z,0) 0 z .
Không mất tính tổng quát ta giả sử f ( z,0) 0 z
Vì N f liên tục tại 0, nên tồn tại 0 , sao cho:
N f (u )
Lr ( ,Y )
1, u
Lp ( , X )
.
Lấy tuỳ ý u Lp (, X ) và chọn n ³ 1, n Î sao cho:
n n u
p
L p ( , X )
(n 1) p .
Ta viết
n 1
k
k 1
là hợp của các khoảng rời nhau sao cho
u
p
Lp ( k , X )
p , k 1,..., n 1.
Khi đó, ta có
n 1
f ( z , u ( z )) Y d
r
p
k 1 k
u p
f ( z , u ( z )) Y d n 1 L ( , X ) 1 ,
r
chứng tỏ N f là bị chặn.
Ta chứng minh tồn tại a Lp (, X ), a 0 và c>0 sao cho:
f ( z , x)
Y
a( z ) c x
p
r
X
.
Vì N f bị chặn nên ta tìm được số c>0, sao cho :
N f (u )
Đặt h: X
Lp ( , X )
c , u
1
Lp (, X )
(1)
được định nghĩa
p
h( z , x) f ( z , x) Y c x Xr .
Sử dụng bất đẳng thức 1 2 r 1r 2r , 1 2 .
Khi đó, ta có
r
h r ( z , x) f ( z , x) Y c r x
p
X
khi h( z, x) 0 .
(2)
Lấy u Lp (, X ) và đặt
C= z : h( z , u ( z )) 0
thì chúng ta tìm n 1, n và 0;1 sao cho:
u( z)
p
X
d n .
C
Chúng ta viết:
n 1
C Ck
k 1
là hợp của các khoảng rời nhau sao cho:
u( z)
p
X
d 1, k 1,..., n 1.
Ck
Như trên, không mất tính tổng quát ta có thể giả sử f ( z,0) 0, z và do (1)
ta có
C
n 1
f ( z , u ( z )) Y d f ( z , u ( z )) Y d (n 1)c r
r
r
(3)
k 1 C k
Theo (2) và (3) ta có
h ( z, u ( z ))d n 1c
r
r
(n )c r c r , u Lp (; X )
(4)
Theo mệnh đề 1.5
æïì
ïüö
m ççí z Î W : sup h( z , x) = +¥ï÷
÷÷ = 0 "k ³ 1
çèïî
ï
x £k
ï
ïø
(5)
X
Vì giả thiết không gian độ đo là -hữu hạn,chúng ta có thể tìm
Dk k 1
sao cho
Dk và ( Dk ) , k 1 .
k 1
Lấy z Dk , đặt
Vk ( z ) x X : x
X
k , sup h( z, x) , sup h( z , x)
x
X
k
x
X
k
1
h( z , x) .
k
Bởi vì (5) nên Vk ( z ) hầu khắp nơi z .
Nhưng khi đó ta cũng có GrVk Dk B( X ) ,
với GrVk = {( x, x* ) Î X ´ X * : x* Î Vk ( x)} .
Áp dụng định lí chọn Yankov-von Neumann – Aumann ta chọn được một
ánh xạ , B( X ) - đo được vk : Dk X sao cho:
vk ( z ) Vk ( z ), z Dk .
Mở rộng vk lên bằng cách đặt vk \ 0 .
k
Đặt a ( z ) = sup h( z , x)
xÎ X
Bởi vì h là hàm Carathéodory và X khả li, a là đo được.
Chúng ta cũng có
sup h( z , x)
x
X
k
1
h( z , vk ( z )) a( z )
k
Như vậy h( z , vk ( z )) az hầu khắp nơi z , khi k +¥ .
Mà vk Lp (, X ) và theo (4) ta có
h ( z, v ( z ))d c , k 1 .
r
r
k
Khi h 0 chúng ta áp dụng bổ đề Fatou’s ta được
a ( z )d lim inf h ( z, v ( z ))d c
r
r
k
k
r
.
Như vậy a Lr () .
Theo định nghĩa của h( z, x) ta có điều phải chứng minh.
Mệnh đề 1.7: 5
Nếu X là không gian Banach, C Ì X là tập khác rỗng, đóng và
f n : C X là ánh xạ compact và f n ( x) f ( x) trong X và hội tụ đều trên
tập con bị chặn của C thì f : C X là ánh xạ compact.
Chứng minh:
Theo giả thiết thì f : C X liên tục. Lấy B Í C là một tập bị chặn. Khi đó
với e > 0 , tồn tại n0 = n0 (e, B) ³ 1 sao cho
f n ( x) - f ( x) X <
e
"n ³ n 0 , x Î B
2
(1)
với n ³ n0 tập f n ( B) là tập compact trong X.
Chúng ta lấy { xk }k =1 với N 0 = N 0 (n, e) ³ 1 sao cho
N0
N0
f n ( B) Í Be ( xk ) .
k =1
(2)
2
Với x Î B , do (2) nên tồn tại k Î {1,..., N 0 } sao cho
e
f n ( x) - xk < .
2
(3)
Từ (1),(3) ta suy ra
f ( x) - xk
X
£ f ( x) - f n ( x) X + f n ( x) - xk
X
- Xem thêm -