2022年2月13日日曜日

27: ユークリディアンノルム付きユークリディアンベクトルたちスペース(空間)ODEに対するローカル唯一解の存在

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ユークリディアンノルム付きユークリディアンベクトルたちスペース(空間)ODEに対するローカル唯一解の存在の記述/証明

話題


About: ノルム付きベクトルたちスペース(空間)

この記事の目次


開始コンテキスト



ターゲットコンテキスト



  • 読者は、あるユークリディアンノルム付きユークリディアンベクトルたちスペース(空間)常微分方程式に対するあるクローズド(閉)インターバル(区間)ドメイン(定義域)に対するローカル唯一解の存在の記述と証明を得る、また、解の定義域の明確化を得る。

オリエンテーション


本サイトにてこれまで議論された定義の一覧があります。

本サイトにてこれまで議論された命題の一覧があります。


本体


1: 記述


任意のユークリディアンノルム付きユークリディアンベクトルたちスペース(空間)たちRd and R、任意のx0中心のK半径オープンボール(開球)BRd、任意のインターバル(区間)IR:[t0ϵ1,t0+ϵ2]、任意のC0マップ(写像)f:B×IRdで任意のx1,x2Bおよび任意のtIに対してリプシッツ評価f(x1,t)f(x2,t)Lx1x2を満たし以下の2不等式、ϵiKM(ここで、MsupxB,tIf(x,t)Mを満足する任意のナンバー(数))およびϵi<L1、も満たすものに対して、B×I上の初期値指定常微分方程式dxdt=f(x,t)、初期条件x(t0)=x0、はI全体上で唯一C1x:IBを持つ。それが"ローカル"と呼ばれる理由は、BおよびIは通常、当該方程式が本当に対象としているもっと広いエリアの中のローカルエリアのための解のために選ばれること。

注意として、もしも、fがリプシッツ評価をB×I上で満たしf(x,t)がそこでファイナイト(有限)である場合、ϵiは当該不等式たちを満たすように常に選べる、なぜなら、もしも、LおよぶMが選択された後に当該不等式たちがIに対して成立しない場合、あるより狭いインターバル(区間)Iを選んで それらLおよびMを動かすことなく当該不等式たちを満足するように選ぶことができる、なぜなら、L およびMはより狭い当該ドメイン(定義域)に対してより大きくある必要がない。


2: 注1


xのドメイン(定義域)はR上でオープン(開)でないところ、xC1性は、ユークリディアンCマニフォールド(多様体)たちの任意のサブセット(部分集合)間のマップ(写像)でポイントにおいてCkであるもの、ここで、k0を除外しを含む、の定義によっており、各バウンダリー(境界)ポイントにおけるデリバティブ(微分係数)はdxdt=dxdt、ここで、x:(t0ϵjϵ,t0ϵj+ϵ)RdxのあるC1エクステンション(拡張)であってx|(t0ϵjϵ,t0ϵj+ϵ)I=x|(t0ϵjϵ,t0ϵj+ϵ)Iを満たすもの、である。

xの各バウンダリー(境界)ポイントにおけるC1性は、ワンサイデッド(片側)デリバティブ(微分係数)の存在にコンティニュアス(連続)性を付けたものに等しい; 各バウンダリー(境界)ポイントにおけるxのデリバティブ(微分係数)はワンサイデッド(片側)デリバティブ(微分係数)に等しい、任意の(半分かもしれない)クローズドインターバル(閉区間)から任意のユークリディアンCマニフォールド(多様体)の任意のサブセット(部分集合)の中への任意のマップ(写像)の各バウンダリー(境界)ポイントにおけるC1性は、ワンサイデッド(片側)デリバティブ(微分係数)の存在にコンティニュアス(連続)性を付けたものに等しく、デリバティブ(微分係数)はワンサイデッド(片側)デリバティブ(微分係数)であるという命題によって。


3: 証明


当該常微分方程式はx(t)=x0+t0tf(x(s),s)dsに等しい、なぜなら、もしも、x(t)が一方を満たす場合、それは他方を満たす: dxdt=f(x,t)だと仮定する、すると、x(t)x(t0)=t0tdxdt(s)ds=t0tf(x,s)ds; x(t)=x0+t0tf(x(s),s)dsだと仮定する、すると、dxdt=f(x,t)

全てC0マップ(写像)たちのセット(集合)Y:{y|IB such that y(t0)=x0}に対して、マップ(写像)T:YY(Ty)(t)=x0+t0tf(y(s),s)dsによって定義する、それは、確かにYの中へのものである、なぜなら、(Ty)(t)x0=t0tf(y(s),s)ds|t0tf(y(s),s)ds||t0tMds|MϵiK、そして、Tyはコンティニュアス(連続)である。

Yをコンプリート(完備)メトリックスペース(計量付き空間)にしよう、任意のy1,y2Yに対して、dist(y1,y2)=suptIy1(t)y2(t)でもって。それは実際にメトリック(計量)である: 任意のy1,y2,y3Yに対して、1) dist(y1,y2)0、ここで、等号は、もしも、y1=y2である場合、そしてその場合に限って成立する; 2) dist(y1,y2)=dist(y2,y1); 3) dist(y1,y3)=suptIy1(t)y3(t)=supsIy1(t)y2(t)+y2(t)y3(t)suptI(y1(t)y2(t)+y2(t)y3(t))suptIy1(t)y2(t)+suptIy2(t)y3(t)=dist(y1,y2)+dist(y2,y3)。それは実際にコンプリート(完備)である: 任意のコーシーシーケンス(列)y1,y2,...に対して、任意のポジティブ(正)ϵに対して、以下を満たすあるN、つまり、各N<j,kに対してdist(yj,yk)<ϵ、がある、しかし、任意のtIに対して、yj(t)yk(t)suptIyk(t)yj(t)<ϵ、それは、当該シーケンス(列)はポイント毎にリミット(極限)y:IRdにコンバージ(収束)することを意味するが、y(t)x0=y(t)yj(t)+yj(t)x0y(t)yj(t)+yj(t)x0=y(t)yj(t)+Kϵ、しかし、あるN<jに対してy(t)yj(t)<ϵ、したがって、y(t)yj(t)+Kϵ<ϵ+Kϵ=K、したがって、yBの中へ行く; yk(t)yj(t)suptIyk(t)yj(t)<ϵ、それが意味するのは、当該シーケンス(列)はユニフォーム(一様)にコンバージ(収束)するということ、したがって、リミット(極限)はコンティニュアス(連続)である。

さて、(Ty1)(t)(Ty2)(t)=t0tf(y1(s),s)f(y2(s),s)ds|t0tf(y1(s),s)f(y2(s),s)ds||t0tLy1(s)y2(s)ds|LϵisuptIy1(t)y2(t)=Lϵidist(y1y2)、ここで、Lϵi<1。したがって、dist(Ty1,Ty2)=suptI(Ty1)(t)(Ty2)(t)Lϵidist(y1y2)、したがって、Tはコンストラクション(収斂)である、そして、コントラクション(収斂)マッピングの法則によって、以下を満たすユニーク固定要素xY、つまり、Tx=x、がある。x=x0+t0tf(y(s),s)dsであるから、xI上方でC1であり、x(t)は、当該常微分方程式のユニーク(xはコンティニュアス(連続)マップ(写像)たちの間でユニークなので、それはなおさらC1マップ(写像)たちの間でユニークである)C1解である。


4: 注2


ϵiがいかに決定されるかを知ることが重要である: それは特に初期条件に依存する、それが、あるインターバル(区間)内の各ポイントにおけるローカル存在が当該インターバル(区間)全体に対するグローバル解の存在を保証しない理由である(別の命題を参照)。


参考資料


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