不動點定理的應用:積分方程和微分方程

上一節學習了一個基礎的不動點定理,在巴拿赫空間中,閉集上的收縮算子存在唯一的不動點。

現在考慮其應用:

積分方程,對于中文互聯網上不多見,搜索不到多少東西。不過積分方程在數學物理中具有很高的價值,通常而言的本征值問題,最初就是從積分方程中得出的,可以了解一下柯朗,希爾伯特的數學物理方法一書,可以說是開山之作了,里面就專門介紹了線性積分方程理論。不過,這本書時代過于久遠,所以看上去很不習慣,很多概念都過時了。看這本書其實也是為了以現代語言學習積分方程。

積分方程u(x)=\lambda \int F(x,y,u(y))dy+f(x),本身可以視為一個算子A(u)(\cdot)=\lambda\int F(\cdot,y,u(y))dy+f(\cdot),于是可以化為不動點問題u=Au

接下來只要證明這個算子A滿足定理條件即可,這就需要對參數值\lambda和函數F,f添加一定的限制,這些限制條件是為了滿足定理條件而引入的,所以可由證明中得出,這里就不寫了。

于是,對于特定的情況下,這個不動點問題有唯一解,可以進行迭代求解。這就是積分方程的迭代法求解的原理。

對于微分方程,采用了取巧的方式,任意的一階微分方程總可化為積分方程

u^\prime =F(x,u),u(x_0)=u_0\implies u(x)=\int^x_{x_0} F(y,u(y))dy+u_0

這樣只要證明積分方程有解,那微分方程自然有解。而且可以進行迭代求解,這種迭代法的收斂性由一個定理給出。自然,對于這種微分方程也是有條件限制的。這就與微分方程的適定性理論聯系起來了。著名的皮卡定理。

巴拿赫不動點,核心就是一個壓縮映射,因為巴拿赫空間一般是滿足的,常用的就是閉區間上的連續函數空間,不管是一元的還是多元的沒有什么太大區別。所以,只要能證明一個算子是收縮的,問題就自然獲得了解決。這種普遍性,使得不動點定理在非線性泛函分析中也能發揮巨大作用。就比如上面的算子方程的例子,并沒有限定算子必須是線性的。

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