Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

[ Дмитриева, Суханов ] Дополнительные главы матфизики

.pdf
Скачиваний:
38
Добавлен:
22.08.2013
Размер:
387.87 Кб
Скачать

2 Уравнения Вольтерра.

2.1 Решение уравнения Вольтерра методом последовательных приближений.

Рассматривается неоднородное интегральное уравнение Вольтерра 2-го рода.

x

 

 

ϕ(x) = f(x) + λ Z

K(x, t)ϕ(t)dt

(17)

a

Также необходимо учитывать некоторые условия:

1. f(x) C[a, b]

2. Ядро непрерывно на треугольнике: K(x, t) C(Δ), x ≥ t

Рис. 3: Область определения ядра уравнения Вольтерра.

Будем искать решение уравнения (17) в виде степенного ряда, членами которого являются непрерывные функции:

 

 

 

 

 

X

 

 

 

 

ϕ(x) =

λkϕk(x)

(18)

 

k=0

 

 

 

Подставим ряд (18) в уравнение (17).

 

 

 

x

 

λkϕk(x) = f(x) + Z

 

 

k=0

 

K(x, t) k=0 λk+1ϕk(x)dt

 

X

a

 

X

 

Перепишем то же самое в операторном виде:

XX

λkϕk(x) = f +

λk+1k

k=0

k=0

Приравниваем коэффициенты при одинаковых степенях.

λ0

:

ϕ0

= f

 

 

 

 

λ1

:

ϕ1

= ϕ0 + λKϕ0 = f + λKf

λ2 :

ϕ2 = f + λ2K2f

·n· ·

· · · · · ·

n

K

n

f

λ

:

ϕn = f + λ

 

Для доказательства того, что ряд (18) есть решение уравнения Вольтерра, надо доказать, что этот ряд сходится. Для этого нам необходимо рассмотреть некоторые оценки и вспомнить теорему 1-го курса.

Теорема Вейерштрасса. Для каждой функции, непрерывной на I = [a, b], существуют верхняя и нижняя

грань: m = min f(x),

M = max f(x).

 

x I

x I

 

Тогда, вспоминая про условия, сформулированные в начале данного параграфа, мы можем написать

 

|f(x)| < m,

x [a, b]

 

0(x)| < m,

x [a, b]

 

|K(x, t)| < M,

(x, t) [Δ]

10

Будем последовательно оценивать функции ϕk(x), k = 1 . . . n. Модуль оценивается, как произведение максимума подынтегральной функции на длину интегрируемого промежутка.

2

(x)|

=

x

|K(x, t)ϕ1

(x)|dt

< M

x(t − a)Mmdt = M2

21 (x − a)m

Rx

1

(x)|

=

a

|K(x, t)ϕ0

(x)|dt

< (x

− a)Mm

 

 

 

 

R

 

 

 

 

 

R

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

a

 

 

· · ·

· · ·

·x· ·

 

 

 

 

 

 

n(x)|

=

R

|K(x, t)ϕn−1(x)|dt < n1! Mnm(x − a)n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

Последнее выражение есть угаданная нами реккурентная формула. Ее надо доказать методом математической индукции. Здесь я напишу полную схему этого метода, а в дальнейшем буду писать только последний шаг.

1. База индукции. Наше предположение выполняется для первого номера:

1(x)| < (x − a)Mm

2. Пусть наше предположение верно для некоторого номера n:

n(x)| < n1! Mnm(x − a)n

3. Шаг индукции. Докажем, что наше предположение справедливо также для n+ 1, тогда оно верно для всех

n N

 

 

 

 

x

 

 

 

x

1

 

 

 

 

(x − a)n+1

 

(x − a)n+1

 

ϕ

 

(x)

=

 

K(x, t)ϕ

(x) dt <

M

 

Mn(t

 

a)nmdt < Mn+1m

= Mn+1m

 

 

 

 

 

 

 

 

|

 

n+1

|

Za

|

n

|

Za

n!

 

 

n!(n + 1)

 

(n + 1)!

Доказательство закончено.

Для доказательства сходимости ряда (18) осталось совсем чуть-чуть. Вспоманаем еще кое-что из 1-го курса.

Признак Вейерштрасса равномерной сходимости рядов. Ряд

P

fk(x) сходится на промежутке I

k=1

равномерно, если существует сходящийся числовой ряд

P

ak с положительными членами такой, что для всех

k=1

k ≥ N è âñåõ x I выполняется неравенство

|fk(x)| ≤ ak.

Ðÿä

 

 

 

ak называется мажорантой функционального ряда

fk(x).

=1

 

 

 

k=1

kP

 

 

 

P

Итак, мажорантой ряда (18) будет следующий числовой ряд

 

1

Mk(b − a)kλk,

x [a, b]

 

m

 

k=1

k!

X

 

 

 

 

Эта мажоранта сходится как всякий ряд

Ck

 

 

k! , ãäå C константа. Теперь делаем вывод: (i) ряд (18) сходится

абсолютно и равномерно на [a, b]; (ii) суммируемые функции непрерывны. Тогда ϕ(x) непрерывна и ряд можно

интегрировать почленно. Для решения уравнения нам надо последовательно искать

ϕ0

, ϕ1, . . . ϕn, которые

равномерно сходятся к решению уравнения

 

 

 

Íî è ýòî åùå íå âñå!

λ.

 

 

 

 

Упражнение.

Доказать единственность решения.

ψ = ϕ1 −ϕ2 и доказать, что ψ = 0

 

Я это не доказазывал, но вам советую. Подсказка: рассмотреть оценку для

Замечание. Уравнение Вольтерра не имеет характеристических чисел, т.к. ряд (18) сходится при любых λ è

x

R

уравнение ψ(x) = λ K(x, t)ψ(t)dt имеет только тривиальное решение.

a

11

2.2 Итерированные ядра и резольвента уравнения Вольтерра.

Рассматривается неоднородное интегральное уравнение Вольтерра 2-го рода.

 

x

 

 

 

ϕ(x) = f(x) + λ Z

K(x, t)ϕ(t)dt

(19)

 

a

 

 

Также необходимо учитывать некоторые условия:

 

 

1.

f(x) C[a, b]

 

 

2.

Ядро непрерывно на треугольнике: K(x, t) C(Δ), x ≥ t

 

Рис. 4: Область определения ядра уравнения Вольтерра. Будем рассматривать операторы ( Kn) и соответствующие им ядра ( Kn(x, s))2.

 

x

 

 

 

 

(Kϕ)(x) = Za

K(x, t)ϕ(t)dt

 

x

 

x

x

 

(K2ϕ)(x) = Za

K2(x, s)ϕ(s)ds = Za

ϕ(s)ds Zs

K(x, t)K(t, s)dt

x

Z

K2(x, s) = K(x, t)K(t, s)dt

s

xx

ZZ

(K3ϕ)(x) = ϕ(s)ds K(x, t)K2(t, s)dt

as

x

Z

K3(x, s) = K(x, t)K2(t, s)dt

s

xx

ZZ

(K4ϕ)(x) = ϕ(s)ds K(x, t)K3(t, s)dt

as

x

Z

K4(x, s) = K(x, t)K3(t, s)dt

s

·· · · · · · · ·

x x

ZZ

(Knϕ)(x) =

ϕ(s)ds K(x, t)K

n−1

(t, s)dt

(20)

 

 

 

 

a

s

 

 

 

2Здесь также надо помнить о теореме Фубини.

12

Данная схема называется итерационной, а ядра Kn(x, s) называются итерированными. Выражение (20) есть угаданная нами реккурентная формула. Ее надо доказать по методу математической индукции. Как и обещал

сразу пишу доказательство для номера n + 1.

xx

ZZ

KKnϕ = ϕ(t)dt K(x, s)Kn(s, t)ds

a

t

 

 

 

 

 

|

 

 

{z

 

}

 

 

 

Kn+1(x,t)

 

Доказательство закончено.

 

 

 

 

 

 

Резольвентой (или разрешающим ядром) интегрального уравнения называется такое ядро:

 

 

 

 

 

R(x, t, λ) = X λn−1Kn(x, t)

(21)

n=1

При этом соответствующий интегральный оператор будет выглядеть так 3:

x

Z

(Rλϕ)(x) = R(x, t, λ)ϕ(t)dt

Вспомним решение уравнения Вольтерра:

В терминах резольвенты:

a

X

ϕ = λnKnf

n=0

!

ϕ = f + λ

X

 

λn−1Kn f

 

 

n=1

 

ϕ = f + λRλf

(22)

Далее будем рассматривать аналитические свойства резольвенты. Используя условия для формулировки уравнения Вольтерра и теорему Вейерштрасса, имеем

|K(x, t)| ≤ M, (x, t) [Δ]

Будем последовательно оценивать итерированные ядра.

 

 

x

 

|K2(x, t)|

=

Rtx |K(x, s)K(s, t)|ds

|K3(x, t)|

=

Rt

|K(x, s)K2(s, t)|ds

· · ·

· · ·

·x· ·

|Kn(x, t)|

=

Rt |K(x, s)Kn−1(s, t)|ds

< (x − a)M2

x

< M3 R (s − t)ds = M3 12 (x − t)2

t

< Mn (x−t)n−1

(n−1)!

Последнее выражение есть угаданная нами реккурентная формула. Ее надо доказать методом математической индукции. Докажем, что это предположение справедливо для n + 1 номера.

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

K

 

(x, t)

=

 

K(x, s)K

(s, t)

ds

 

Zt

MMn

(s − t)n−1

ds =

Mn+1

Zt

(s

 

t)n−1ds =

Mn+1

(x

 

t)n

 

 

 

 

 

(n − 1)!

 

 

 

|

 

n+1

|

Zt

|

n

|

 

 

(n − 1)!

 

 

n!

 

 

Доказательство закончено.

Замечание. Тут, наверное, уместно напомнить, что все эти операции с итерированными ядрами для уравнения Вольтерра мы делаем в области, где они не равны нулю, т.е. при x ≥ t.

Теперь выясним вопрос о сходимости ряда (21) для резольвенты. Для этого, как и в предыдущем параграфе нам надо найти суммируемую мажоранту:

 

n

 

 

(n 1)!

 

 

n=1

λn−1K

(x, t)

 

 

Mn

(x − t)n−1

λn−1

= MeλM(x−t)

 

 

n=1

 

 

 

 

X

 

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Т.о., ряд (21) для любого λ из компакта (замкнутое и ограниченное множество) сходится абсолютно и равном- ерно. Резольвента регулярная функция для всего компакта.

3Суханов в 2004г. резольвентой называл сам оператор.

13

Далее скажем пару слов о связи резольвенты с обратным оператором. Пишем интегральное уравнение Вольтерра 2-го рода в операторном виде

ϕ = f + λKϕ

Его решение можно находить обращением:

(ϕ − λKϕ) = f

(I − λK)ϕ = f

ϕ = (I − λK)−1f = f + λRλf = (I + λRλ)f

Ò.ê. f любая функция, то

(I − λK)−1 = (I + λRλ)

(23)

Упражнения.

Построить резольвенту и по формуле (22) найти решения следующих интегральных уравнений Вольтерра.

t

1. ϕ(t) = et + R et−sϕ(s)ds

0

t

2. ϕ(t) = 1 − 2t − R et2−s2 ϕ(s)ds

0

t

3. ϕ(t) = et sin t + R 2+cos2+cos st ϕ(s)ds 0

t

4. ϕ(t) = 1 + t2 + R 1+t2 ϕ(s)ds

1+s2

0

3 Уравнения Фредгольма.

3.1Метод последовательных приближений для уравнения Фредгольма с малым ядром.

Рассматривается неоднородное интегральное уравнение Фредгольма 2-го рода.

 

ϕ(x) = f(x) + Za

b

 

 

K(x, t)ϕ(t)dt

(24)

Также необходимо учитывать следующие условия:

 

 

1.

f(x) C[a, b]

 

 

2.

Ядро непрерывно на квадрате K(x, t) C[Q], Q = [a, b] × [a, b]

 

Будем искать решение уравнения (24) в виде степенного ряда, членами которого являются непрерывные функции:

 

 

 

 

 

 

X

 

 

 

 

ϕ(x) =

λnϕn(x)

 

(25)

 

n=0

 

 

 

Подставим ряд (25) в уравнение (24), предполагая, что он сходится.

 

 

b

 

n=0 λnϕn(x) = f(x) + Z

K(x, t) n=0 λn+1ϕn(x)dt

X

 

a

X

 

Приравниваем коэффициенты при одинаковых степенях.

 

 

λ0 :

ϕ0 = f

 

 

 

 

 

b

 

 

 

λ1 :

ϕ1

= K(x, t)f(t)dt

 

 

Rb

 

 

 

λ2 :

ϕ2

a

 

 

 

= K(x, t)ϕ1(t)dt

 

 

R

 

 

 

· · ·

· · · · · ·

a

 

 

 

b

 

 

(t)dt

λn :

ϕ = K(x, t)ϕ

 

 

n

R

 

n−1

 

 

 

a

 

 

 

14

Замечание. Мы смогли поменять местами суммирование и интегрирование в силу сходимости. Теперь будем доказывать сходимость. Для этого введем в рассмотрение следующие фунции:

b

Z

Q2(x) ≡ |K(x, t)|2dt

a

b

Z

R2(t) ≡ |K(x, t)|2dx

a

bb

ZZ

B2 ≡ dx |K(x, t)|2dt

aa

Рассмотрим итерированные ядра для уравнения Фредгольма (24)

 

(Kϕ)(x) = Za

b

 

 

 

K(x, t)ϕ(t)dt

 

b

 

b

b

 

(K2ϕ)(x) = Za

K2(x, s)ϕ(s)ds = Za

ϕ(s)ds Za

K(x, s)K(s, t)dt

b

Z

K2(x, t) = K(x, s)K(s, t)dt

a

bb

ZZ

(K3ϕ)(x) = ϕ(s)ds K(x, t)K2(t, s)dt

ab

 

x

 

 

K3(x, t) = Zs

K(x, s)K2(s, t)dt

 

 

· · · · · · · · ·

 

Kn(x, t) = Za

b

 

 

K(x, s)Kn−1(s, t)dt

(26)

Далее надо доказать эту реккурентную формулу по методу математической индукции. Я думаю, это можно уже сделать и без меня. Напишем оценки для этих ядер, используя условия, сформулированные в начале этого параграфа.

 

|K(x, t)| ≤ M, (x, t) [Q]

 

Для оценки последующих ядер нам потребуется

 

 

Неравенство Коши-Буняковского.

b

1/2 b

1/2

b

Z

f(x)g(x)dx

Z

|f(x)|2dx

 

·

 

Z

|g(x)|2dx

 

 

 

 

 

 

 

 

a

a

a

Тогда оценка для ядра K2(x, t) будет такой:

 

K2

(x, t)

 

b

 

K(x, s)

2ds 1/2 b

K(s, t)

2ds 1/2

 

Q(x)R(t)

|

 

 

| ≤

Z

|

 

|

 

·

Z |

|

 

 

 

 

 

 

a

 

 

b

 

a

 

 

 

 

 

|K3(x, t)| =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R |K(x, s)K2(s, t)|ds

 

 

 

 

a b

R

|K(x, s)Q(s)R(t)|ds

a

ab

|K(x, s)|2ds!1/2

·

ab

|Q(s)|2ds!1/2

R(t)

 

 

R

 

 

R

 

=

R(t)Q(x)B

 

 

 

15

Продолжая в том же духе, мы получим реккурентную формулу:

 

|Kn(x, t)| ≤ R(t)Q(x)Bn−2

 

 

 

 

(27)

Как всегда, доказываем е¼ методом математической индукции.

 

 

 

 

 

 

b

 

 

 

 

 

 

 

 

|Kn+1(x, t)| =

Rb

 

 

 

 

 

 

 

 

|K(x, s)Kn(s, t)|ds

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

K(x, s) R(t)Q(s)Bn−2ds

1/2

 

 

 

1/2

 

 

|

 

 

 

|

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

ab |K(x, s)|2ds!

 

 

 

|Q(s)|2ds!

 

≤ R(t)Bn−2

·

 

ab

 

 

 

n

2

R

n

1R

 

 

= R(t)B

Q(x)B = R(t)Q(x)B

 

 

 

Доказательство закончено.

 

 

 

Нам надо доказать сходимость ряда (25). Для этого перепишем его в следующей форме:

b

λn Z Kn(x, t)f(t)dt

ϕ(x) = n=0

λnϕn(x) = n=0

λnKnf(x) = n=0

X

X

X

a

Оценим каждый такой интеграл двумя способами (в 2003г. и 2004г. были разные оценки). В обоих случаях будем использовать то обстоятельство, что

|f(t)| ≤ m, t [a, b]

1.Докажем, что ряд (25) сходится в круге |λ| ≤ B1 .

b

|ϕ(x)| ≤

|λ|nm R(t)Q(x)Bn−2dt

P

b

R

n=0

 

a

 

= Q(x)m R(t)dt |λ|nBn−2

 

R

 

P

 

a

 

n=0

Мажоранта для этого ряда будет такая:

X

λ2 |λ|n−2Bn−2

n=2

Она представляет собой геометрическую прогрессию, которая сходится при |λ|B ≤ 1 и расходится при

|λ|B ≥ 1.

2. Докажем, что ряд (25) сходится в круге |λ| ≤

 

1

 

 

M(b−a)

 

Здесь мы используем другие оценки для итерированных ядер.

|K(x, t)|

M

 

 

 

 

 

b

 

 

 

|K2(x, t)| ≤

a |K(x, s)K(s, t)|ds ≤ M2(b − a)

|K3(x, t)| ≤

R

a)2

· · ·

· · ·

M3(b

 

· · ·

 

 

 

 

|Kn(x, t)| ≤

Mn(b − a)n−1

Реккурентная формула доказывается по индукции самостоятельно. Теперь пишем оценку для ряда (25):

|ϕ(x)| ≤ |λ|nm · Mn (b − a)n ≤ |λ|nMn(b − a)n m

Данный ряд сходится если |λ|M(b − a) ≤ 1.

Утверждение.

Êðóã |λ|M(b − a) ≤ 1 меньше, чем круг |λ|B ≤ 1, ò.å.

 

 

 

 

 

1

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

B M(b

a)

 

 

 

 

 

 

 

Доказательство.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

 

b

b

 

 

 

 

 

B2 = Za

dx Za

|K(x, t)|2dt ≤ Za

M2(b − a)dx = M2(b − a)2

16

Доказательство закончено.

Замечания. Малое ядро означает, что λ находится внутри некоторого круга.

 

 

Теперь делаем вывод: (i) ряд (25) сходится абсолютно и равномерно при

|λ| ≤

1

 

B ; (ii) суммируемые функции

непрерывны. Тогда

Утверждåíèå. ϕ(x) непрерывна и ряд можно интегрировать почленно.

 

 

 

Ïðè

|

λ

1

 

 

 

 

 

| ≤ B

 

 

 

Доказательстворешение. урвнения (24) единственно.

 

 

 

Пусть

ϕ1,2 = f + λKϕ1,2

ψ= ϕ1 − ϕ2

ψ= λKψ

Тогда напишем оценку для ψ, используя неравенство Коши-Буняковского.

|ψ(t)| ≤

 

 

 

λ

b

K(x, t)ψ(t)dt

 

 

R

 

 

 

 

 

λ a

b

K(x, t)

2dt

1/2

b

ψ(t)

2dt

!

1/2

| |

a |

 

 

|

!

 

 

a |

|

 

 

 

R

 

ab

|ψ(t)|2dt!

1/2 R

 

 

 

 

|λ|Q(x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Возводим в квадрат и интегрируем.

b

|ψ(x)|2dx ≤ |λ|2B2 Z

b

b

Za

|ψ(t)|2dt ≤ Z

|ψ(x)|2dx

 

 

 

 

a

a

 

 

 

≤1

 

 

 

| {z }

 

 

Из этого следует, что тривиального решения ψ = 0 не существует. Доказательство закончено.

Следствие: уравнение Фредгольма 2-го рода (24) не имеет характеристических чисел при |λ| < B1

3.2 Резольвента уравнения Фредгольма. Условия сходимости ряда Неймана.

В этом параграфе я напишу только план ответа на подобный вопрос на экзамене. Для ответа надо фактически переписать параграф 3.1.

1.Рассматриваем неоднородное интегральное уравнение Фредгольма 2-го рода (24) с малым ядром.

2.Вводим резольвенту для этого уравнения

 

R(x, t, λ) = X λn−1Kn(x, t),

(28)

n=1

со всеми вытекающими из этого последствиями, а именно

ϕ= f + λRλf, (I − λK)−1 = (I + λRλ)

3.Рассматриваем вопрос о сходимости ряда (28),который, кстати говоря, называется рядом Неймана. Для этого надо рассказать о итерированных ядрах (26) и методе их оценки (27). После этого доказательство сходимости проводится аналогично доказательству сходимости для ряда (25).

4.Сделать закономерные выводы:

Ряд (28) сходится равномерно по (x, t) ïðè |λ| ≤ B1 .

Функция R(x, t, λ) является непрерывной функцией своих аргументов.

Внутри круга |λ| ≤ B1 R(x, t, λ) является аналитической функцией λ.

Упражнения.

Решить при помощи резольвенты интегральное уравнение Фредгольма 2-го рода

1

1. ϕ(t) = 56 t + 12 R tsϕ(s)ds

0

17

3.3 Полные нормированные пространства. Линейные ограниченные операторы.

Определение. Пространство F называется нормированным, åñëè äëÿ x F определена норма kxk. Определение. Норма это неотрицательное вещественное число, удовлетворяющие трем аксиомам:

1. kxk > 0, kxk = 0 x = 0;

2.Линейность: kαxk = |α| · kxk;

3.Неравенство треугольника: kx + yk ≤ kxk + kyk. Примеры.

1.

Пространство Rn: kxk = p

x12 + x22 + . . . + xn2

;

 

Пространство C2[a, b]: kxk = s

 

;

2.

ab |x(t)|2dt

 

 

 

R

3.

Пространство ln, состоящее из n-мерных последовательностей (векторов):

kxk = max |xi|.

1≤i≤n

Определение. Пространство называется полным, если каждая его фундаментальная последовательность сходится к некоторому пределу, принадлежащему этому пространству.

Определение. Последовательность называется фундаментальной (сходящейся в себе), если

ε > 0 N(ε) n, m > N(ε) : kxn − xmk < ε

Определение. Последовательность {xn}n=1 сходится по норме к x, åñëè kx − xnk −→ 0 ïðè n → ∞.

Замечание. Если не лень, то полезно будет посмотреть определение линейного пространства, например, здесь:

http://www.instkonspekts.narod.ru/konsp.htm.

 

Определение. Линейное нормированное полное пространство называется

банаховым пространством.

˜

˜

Определение. Пусть V è V банаховы пространства. Оператор B, действующий из V â V , называется линейным, если выполняются следующие условия:

1.Аддитивность: B(x + y) = Bx + By для любых x, y V ;

2.Однородность: B(λx) = λBx для любого x V и всех действительных λ.

Определение. Линейный оператор B называется ограниченным, если существует такая постоянная C > 0, ÷òî

kBxk˜ ≤ C kxk x V .

ОграниченныйV V , оператор переводит ограниченное множество в ограниченное же множество.

Определение. Линейный оператор B называется непрерывным, åñëè xn −→ 0 ïðè n → ∞ Bxn −→ 0 ïðè

n → ∞.

Теорема. Если оператор B ограничен, то он непрерывен. Доказательство.

Пусть xn −→ 0 ïðè n → ∞, ò.å. kxnk −→ 0. Тогда kBxnk ≤ C kxnk −→ 0 ïðè n → ∞ = B непрерывен. Доказательство закончено.

Определение. Нормой оператора B называется число, определяемое следующим равенством:

kBk = sup kBxk

kxk≤1

Для ограниченного оператора B норма всегда ограничена, причем kBk = inf C Далее рассмотрим примеры нахождения нормы операторов.

1.Пространство ϕ = C[a, b]

Рассматривается интегральный оператор Фредгольма

b

Z

(Bϕ)(x) = K(x, y)ϕ(y)dy

a

Ядро оператора непрерывно на квадрате

K(x, y) C(Q)

18

Рассмотрим вопрос об ограниченности оператора

|K(x, y)| ≤ M, (x, y) [Q]

b

Z

|(Bϕ)(x)| = K(x, y)ϕ(y)dy ≤ M · kϕk · (b − a)

a

kBk ≤ M(b − a)

Ò.î., B ограниченный оператор, и выше написана оценка для его нормы.

2. Пространство ϕ = C2[a, b]

Опять рассматривается интегральный оператор Фредгольма с непрерывным на квадрате K(x, y) C(Q) ядром. Требуется написать оценку для его нормы.

 

=

v

 

b

2dx = v

b

 

b K(x, y)ϕ(y)dy

 

2 dx

k

k

 

 

 

| |

 

u

 

 

 

 

 

u

 

 

 

uZ

 

Z

 

 

 

 

 

uZ

 

 

 

 

 

 

 

 

u

 

 

 

u

 

 

 

 

 

t

 

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

aa a

Сделаем оценку, используя неравенство Коши-Буняковского.

 

 

b dx

b

ϕ(y)

2dy

 

b

 

K(x, y)

2dy 1/2

=

 

ϕ

 

b dx

b

K(x, y)

2dy 1/2 =

 

ϕ

 

B0

k

 

k ≤

Z

Z |

|

 

·

Z

|

 

|

 

 

 

k

 

k

Z

Z |

|

 

k

 

k ·

 

 

 

 

a

a

 

 

 

a

 

 

 

b

 

 

 

b

a

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

kBk ≤ B0,

ãäå B02 Za

dx Za

|K(x, y)|2dy

 

 

 

 

 

Т.о., мы не выходим из класса начальных функций (интеграл ограничен он сходится). B ограниченный оператор, и выше написана оценка для его нормы.

3.4Ряд Неймана для абстрактного линейного уравнения, интегральные уравнения для резольвенты.

В 2004 году этот параграф назывался ½Решение уравнения Фредгольма в нормированном линейном векторном пространстве“. Рассматривается линейное уравнение

f = (I − λK)ϕ,

(29)

в котором K является ограниченным линейным оператором, отображающим банахово пространство в себя. Оператор можно обратить, если |λ| kKk = q ≤ 1, (I−λK)−1. При этом уравнение (29) имеет единственное

решение, определяемое равенством ϕ = (I

λK)−1f.

Нам предстоит доказать два утверждения:

 

 

 

1.

λmKm = (I λK)−1

ряд Неймана.

 

P

 

 

 

2.

 

 

 

 

 

m=0

 

 

 

 

 

(I − λK)−1 ≤ (1 − |λ| kKk)−1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Доказательство 1.

Выражение, написанное под номером 1, означает, что ряд сходится по норме оператора K

 

N

λmKm − (I − λK)−1

 

−→ 0, ïðè N → ∞

 

m=0

 

 

 

 

 

 

X

 

 

 

 

 

Теперь нам надо проверить

 

 

 

N

 

является фундаментальной последовательностью 4 â

 

 

 

 

 

 

это. Покажем, что

 

 

 

смысле операторной нормы.Для этого введем

 

λmKm

 

 

P

 

 

 

 

 

обозначение

 

 

 

 

 

m=0

 

 

 

 

 

 

N

 

 

 

 

 

 

X

 

 

 

 

 

CN =

λmKm

m=0

4Определение фундаментальной последовательности смотри в параграфе 3.3

19