Luận văn Thạc sĩ Toán học: Phương trình tích phân phi tuyến và các ứng dụng

Chia sẻ: Lavie Lavie | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:39

Thêm vào BST

Báo xấu

76
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn Thạc sĩ Toán học: Phương trình tích phân phi tuyến và các ứng dụng tập trung chứng minh sự tồn tại nghiệm không âm, không tầm thường của phương trình tích phân phi tuyến dựa vào các định lý điểm bất động. Tài liệu phục vụ cho các bạn chuyên ngành Toán học.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Toán học: Phương trình tích phân phi tuyến và các ứng dụng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH --------------o0o------------- Nguyễn Đăng Quang PHƯƠNG TRÌNH TÍCH PHÂN PHI TUYẾN VÀ CÁC ỨNG DỤNG Chuyên ngành : Toán Giải Tích Mã số : 60 46 01 LUẬN VĂN THẠC SĨ TOÁN HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS. LÊ THỊ THIÊN HƯƠNG Thành phố Hồ Chí Minh – 2010
LỜI CÁM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin kính gửi đến TS. Lê Thị Thiên Hương lời cám ơn sâu sắc về sự tận tình giúp đỡ của Cô đối với tôi trong suốt quá trình hoàn thành luận văn cũng như trong học tập. Xin trân trọng cám ơn Quý Thầy Cô thuộc khoa Toán của trường Đại học Sư phạm thành phố Hồ Chí Minh đã tận tình truyền đạt kiến thức và kinh nghiệm quý báu cho tôi trong suốt ba năm học tập. Xin trân trọng cám ơn Phòng Sau Đại Học trường Đại học Sư phạm thành phố Hồ Chí Minh đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn tất chương trình học tập và thực hiện luận văn này. Xin chân thành cám ơn các bạn lớp Cao học khóa 18 chuyên ngành Toán giải Tích trường Đại học Sư phạm thành phố Hồ Chí Minh, các anh, chị và các bạn đồng nghiệp thuộc Bộ môn Cơ bản – Cơ sở trường Đại học Ngoại thương thành phố Hồ Chí Minh đã động viên và nhiệt tình giúp đỡ tôi trong thời gian qua. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cám ơn đến gia đình tôi, là chỗ dựa cho tôi về mọi mặt và đã tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi học tập và hoàn thành luận văn này. Nguyễn Đăng Quang
MỞ ĐẦU Trong lĩnh vực phương trình toán lý, chúng ta gặp các phương trình vi phân hay đạo hàm riêng nhằm xác định một hàm  nào đó. Do các phương trình liên quan tới đạo hàm hay đạo hàm riêng chỉ diễn tả tính chất địa phương của hàm  nên thuờng các điều kiện biên được thêm vào nhằm lựa chọn nghiệm tương thích với trạng thái vật lý được quan tâm. Vì vậy, cần thiết thành lập phương trình cho  sao cho  chứa tất cả các điều kiện biên. Loại phương trình này không những đặc trưng cho hàm  bằng những giá trị địa phương mà phải đại diện cho cả những giá trị của nó trên toàn miền khảo sát, kể cả biên. Phương trình tích phân là một loại phương trình như vậy. Trong luận văn này, chúng tôi khảo sát phương trình tích phân phi tuyến có dạng: u ( x)   K ( x, y ) f ( y, u ( y )) dy (*) G m trong đó G là tập compact trong  n và f ( x, u )   ai ( x )u  ,  i  0, i  1, 2,...., m . i i 1 Hiển nhiên u ( x)  0 là một nghiệm tầm thường của phương trình (*). Luận văn khảo sát sự tồn tại nghiệm không âm, không tầm thường của phương trình (*) dựa vào các điều kiện được thiết lập cho nhân K ( x, y ) và các điều kiện của hàm f ( x, u ) , ai ( x), i  1, 2,...., m mà chúng tôi sẽ giới thiệu trong các chương sau. Điều kiện đối với K ( x, y ) gồm có: (H1) K ( x, y ) là hàm liên tục, không âm trên G  G ; Tồn tại tập hợp đóng G0  G với mesG0  0 ( mesG0 là độ đo của tập G0 ) và 0   0  1 thoả mãn điều kiện: (i) K ( x, y )  0 , ( x, y )  G0  G0 ; (ii) K ( x, y )   0 K ( z , y ) , x  G0 , y  G , z  G . (H2) K ( x, y ) là hàm liên tục, không âm trên G  G và tồn tại x0  G sao cho K ( x0 , x0 )  0 . (H3) Với mọi quả cầu đóng T  G o , tồn tại  *   * (T )  0 sao cho  K ( x, y)dy   *  K ( x, y )dy , x  G . T G Trong toàn bộ luận văn, chuẩn trong C (G ) (chuẩn max) được kí hiệu là . và chuẩn trong L (G ) được kí hiệu là . L . Luận văn có ba chương: + Chương 1 là các kiến thức chuẩn bị để sử dụng cho các chương sau.
+ Chương 2 chứng minh sự tồn tại nghiệm không âm, không tầm thường của phương trình tích phân phi tuyến (*) dựa vào các định lý điểm bất động được nêu trong Chương 1. + Chương 3 là các ví dụ minh họa. Sau cùng là phần kết luận, phần phụ lục và tài liệu tham khảo.
Chương 1. CÁC KIẾN THỨC CHUẨN BỊ Chương này giới thiệu định nghĩa và một số tính chất cơ bản của nón trong không gian Banach nhằm phục vụ việc chứng minh một số định lý điểm bất động. Các định lý này là công cụ chính để chứng minh sự tồn tại nghiệm không âm, không tầm thường của phương trình (*). 1.1. Nón và thứ tự sinh bởi nón Định nghĩa Cho E là không gian Banach trên trường số thực. (a) Tập con khác rỗng K của E được gọi là nón nếu: (i) K đóng; (ii) K  K  K ,  K  K ,   0 ( x, y  K ;   ,   0  x  y  K ,  x  K ) ; (iii) K  (  K )    . (b) Nếu K là nón thì thứ tự “  ” trong E sinh bởi K được xác định bởi x  y  y  xK . Mỗi x  K \   được gọi là phần tử dương. Mệnh đề 1.1 Giả sử “  ” là thứ tự sinh bởi nón K. Khi đó  x  z  y  z , z  E (1) x  y   .  x   y ,   0   (2) xn  yn , n  , lim xn  x, lim yn  y  x  y . n  n  (3)  xn   xn 1 , n  , lim xn  x  xn  x, n   . n  Mệnh đề trên được chứng minh khá đơn giản nên ta bỏ qua phần chứng minh. 1.2. Nón chuẩn Định nghĩa Nón K được gọi là nón chuẩn nếu N  0, x, y  E   x  y  x  N y  . Mệnh đề 1.2 Cho K là nón chuẩn. Khi đó (1) Nếu u  v thì tập u , v   x  E : u  x  v bị chặn. (2) Nếu xn  yn  zn , n  , lim xn  a, lim zn  a thì lim yn  a . n  n n  (3) Nếu  xn n  E là dãy đơn điệu và có dãy con hội tụ thì  xn n hội tụ. Chứng minh
(1) x  u , v    x  u  v  u . Vì K là nón chuẩn nên tồn tại N  1: x  u  N v  u suy ra x  N v  u  u . (2) Ta có   yn  xn  zn  xn , n   .  yn  xn  N zn  xn . Mà lim  zn  xn   0 n   lim  yn  xn   0 hay lim yn  lim xn  a . n  n  n  (3) Giả sử  xn n là dãy tăng và xn     x  sao cho k k n n lim xn  x . Ta có k  k xn  x, k      xn  x , n   . k n  , k   : n  nk   Cho   0 , vì lim xn  x nên tồn tại k0   sao cho xn  x  , khi đó k  k k0 N n  , n  nk suy ra   x  xn  x  xn . 0 k0  x  xn  N x  xn k0   hay lim xn  x . n  1.3. Nón liên hợp Định nghĩa Cho nón K  E , ta định nghĩa K *   f  E * : f ( x)  0, x  K  là nón liên hợp của K. K * có các tính chất (i) và (ii) của định nghĩa nón. Ta có thể chứng minh K *  (  K * )   E *  K K  E. Mệnh đề 1.3 (1) x  K  f ( x)  0, f  K * . (2) Nếu E khả ly thì tồn tại f 0  K * sao cho f 0 ( x)  0 , x   . Phần chứng minh mệnh đề 1.3 xin tham khảo trong [7]. 1.4. Chỉ số điểm bất động Cho E là không gian Banach thực, tập hợp con X của E được gọi là cái co rút của E nếu tồn tại một ánh xạ liên tục r : E  X xác định bởi r ( x )  x , x  X .
Ánh xạ r gọi là phép co rút E lên X. Áp dụng định lý Dugundji (xem [6] ), ta chứng minh được mọi tập con lồi đóng khác rỗng của E là cái co rút của E. Đặc biệt, mọi nón trong E đều là cái co rút của E. Định lý 1.4.1 Giả sử X là cái co rút của không gian Banach thực E, U là tập con mở, bị chặn của X, A : U  X là ánh xạ hoàn toàn liên tục và không có điểm bất động trên U . Khi đó tồn tại số nguyên i ( A,U , X ) thỏa mãn các tính chất sau: (i) tính chuẩn tắc : i ( A,U , X )  1 nếu A( x)  y0  U , x  U ; (ii) tính cộng tính : i ( A,U , X )  i ( A,U1 , X )  i ( A,U 2 , X ) , trong đó U1 ,U 2 là hai tập con mở rời nhau của U và ánh xạ A không có điểm bất động trên U \ (U1  U 2 ) ; (iii) bất biến đồng luân: i ( H (t ,.),U , X ) không phụ thuộc t (0  t  1) với H :[0,1]  U  X là ánh xạ hoàn toàn liên tục và thỏa điều kiện H (t , x )  x , (t , x)  [0,1]  U ; (iv) i ( A,U , X )  i ( A,U  Y , Y ) với Y là cái co rút của X và A(U )  Y . i ( A,U , X ) được xác định duy nhất và được gọi là chỉ số điểm bất động của A trên U đối với X. Phần chứng minh định lý 1.4.1 xin tham khảo trong [7]. Định lý 1.4.2 (v) i ( A,U , X )  i ( A,U 0 , X ) trong đó U 0 là tập con mở của U và A( x)  x , x  U \ U 0 . (vi) Nếu i ( A,U , X )  0 thì A có ít nhất một điểm bất động trên U. Chứng minh (v) Đặt U1  U , U 2   và áp dụng (ii), ta có i ( A,U , X )  i ( A,U 1 , X )  i( A,U 2 , X )  i ( A,U , X )  i( A, , X ) .  i( A, , X )  0 . Đặt U1  U 0 , U 2   và áp dụng (ii), ta có i ( A,U , X )  i ( A,U1 , X )  i ( A,U 2 , X )  i ( A,U 0 , X )  i( A, , X ) .  i( A,U , X )  i( A,U 0 , X ) . (vi) Giả sử A không có điểm bất động trong U.
Đặt U 0   và áp dụng (v), ta được i ( A,U , X )  i ( A, , X )  0 (mâu thuẫn với giả thiết). Vậy A có điểm bất động trong U. Trong phần tiếp theo chúng tôi sẽ giới thiệu và chứng minh một số bổ đề liên quan đến chỉ số điểm bất động. Những bổ đề này là công cụ để chứng minh các định lý điểm bất động ở phần sau. Giả sử P là nón trong không gian Banach thực E thì P cũng là cái co rút của E,   E là tập mở bị chặn, khi đó P   là tập mở bị chặn của P và ( P  )  P   , P    P  . Bổ đề 1.4.1 Cho A : P    P là ánh xạ hoàn toàn liên tục và    . Giả sử A( x )   x , x  P   ,   1 . Khi đó i ( A, P  , P)  1 . Chứng minh Xét ánh xạ H :[0,1]  ( P  )  P xác định bởi H (t , x )  tA( x )  (1  t ) ( x) (  : ánh xạ không) thì H là ánh xạ hoàn toàn liên tục (do A hoàn toàn liên tục) và H (t , x )  x , (t , x)  [0,1]   ( P  ) . Áp dụng tính chất bất biến đồng luân của chỉ số điểm bất động ta suy ra i ( A, P  , P)  i ( , P  , P )  1 . Bổ đề 1.4.2 Giả sử A : P    P , B : P    P là các ánh xạ hoàn toàn liên tục và (a) inf B ( x )  0 ; xP  (b) x  A( x)  tB ( x ) , x  P   , t  0 . Khi đó, ta có i ( A, P  , P )  0 . Chứng minh Theo định lý thác triển của Dugundji (xem phụ lục), chúng ta có thể thác triển B thành toán tử hoàn toàn liên tục từ P   vào P thỏa mãn
B ( P  )  coB ( P  ) . (1.1) Đặt F  B( P  ) thì coB( P  )  coF  M , n n   với M   y   i yi yi  F , i  0,  i  1 ; n  1, 2,3,.... .  i 1 i 1  Trước tiên ta chứng minh rằng inf y  0 . (1.2) yM Kí hiệu E0  F (không gian con của E được mở rộng bởi F). Vì B là ánh xạ hoàn toàn liên tục nên F là tập compact tương đối, suy ra E0 là tập compact và do đó E0 khả ly. Hiển nhiên P0  P  E0 là nón trong E0 và F  P0 , coF  P0 . Theo mệnh đề 1.3, tồn tại f 0  E0* sao cho f 0 ( y )  0 , y  P0 , y   . Khi đó, inf f 0 ( y )    0 . (1.3) yF Thật vậy, giả sử   0 , suy ra tồn tại dãy  yk k  F sao cho lim f 0 ( yk )  0 . k  Vì F là tập compact tương đối nên tồn tại dãy con yk    y  i i k k thoả mãn lim yk  y0  P0 . i i  Vì f 0 liên tục nên lim f 0 ( yk )  f 0 ( y0 ) và f 0 ( y0 )  0 (do lim f 0 ( yk )  0 ), i i i  i  từ đó suy ra y0   và lim yk  0 (mâu thuẫn (a)). i i  Vậy (1.3) đúng. n n Với mọi y   i yi  M , ở đây yi  F , i  0 , i  1, 2,...., n và  i  1. i 1 i 1 n n n Từ (1.3) ta suy ra f 0 ( y )  f 0 ( i yi )   i f 0 ( yi )   i   . i 1 i 1 i 1 Do đó f 0 ( y )   , y  M . (1.4) Vì M  coF là tập compact nên tồn tại z0  M sao cho inf y  z0 . (1.5) yM Từ (1.4) suy ra f 0 ( z0 )  0 và do đó z0   . Từ (1.5) suy ra (1.2) đúng. Từ (1.1) và (1.2) ta cũng suy ra được inf B ( x )  a  0 . (1.6) xP  Tiếp theo ta chứng minh i ( A, P  , P )  0 . Giả sử ngược lại, tức là i ( A, P  , P )  0 . Theo giả thiết (b) và tính chất bất biến đồng luân của chỉ số điểm bất động,
ta có i ( A  tB, P  , P )  i ( A, P  , P )  0 , t  0 . bc Đặc biệt, nếu chọn t0  với b  sup x , c  sup A( x ) a xP  xP  thì ta cũng có i ( A  t0 B, P  , P)  0 . Do đó theo định lý 1.4.2 suy ra tồn tại x0  P   sao cho A( x0 )  t0 B ( x0 )  x0 . Từ đó, x0  A( x0 ) b  c t0   (mâu thuẫn với cách chọn t0 ). B ( x0 ) a Vậy i ( A, P  , P )  0 . Bổ đề 1.4.3 Cho A : P    P là ánh xạ hoàn toàn liên tục. Giả sử (i) inf A( x )  0 ; xP  (ii) A( x )   x , x  P   ,   (0,1] . Khi đó, i ( A, P  , P )  0 . Chứng minh Đặt B  A trong bổ đề 1.4.2, ta thấy rằng điều kiện (a) của bổ đề 1.4.2 chính là điều kiện (i) của bổ đề 1.4.3. Ta chứng minh điều kiện (b) của bổ đề 1.4.2 cũng đúng. Thật vậy, giả sử tồn tại x0  P   và t0  0 sao cho x0  A( x0 )  t0 A( x0 ) . Đặt  0  (1  t0 ) 1 thì 0  0  1 và A( x0 )  0 x0 (mâu thuẫn với (ii)). Do đó áp dụng bổ đề 1.4.2 ta được i ( A, P  , P )  0 . Định lý 1.4.3 Cho 1 ,  2 là hai tập con mở, bị chặn trong không gian Banach thực E,   1 và 1   2 . Toán tử A : P  ( 2 \ 1 )  P là hoàn toàn liên tục. Giả sử một trong hai điều kiện sau đây được thỏa mãn (i) A( x)  x , x  P  1 và A( x)  x , x  P  2 ; (ii) A( x)  x , x  P  1 và A( x)  x , x  P  2 . Khi đó A có điểm bất động trong P  ( 2 \ 1 ) . Chứng minh
Ta chỉ cần chứng minh định lý trong trường hợp điều kiện (i) thỏa mãn, trường hợp còn lại được chứng minh tương tự. Áp dụng định lý thác triển (xem phụ lục), toán tử A có thể thác triển được thành toán tử hoàn toàn liên tục từ P  2 vào P . Ta có thể giả sử rằng toán tử A không có điểm bất động trên P  1 và trên P   2 . Ta chứng minh A( x )   x , x  P  1 ,   1 . Giả sử ngược lại, tức là tồn tại x0  P  1 và  0  1 sao cho A( x0 )  0 x0 . Suy ra A( x0 )  0 x0  x0 , mâu thuẫn với (i). Vậy A( x )   x , x  P  1 ,   1 . Áp dụng bổ đề 1.4.1 suy ra i ( A, P  1 , P)  1 . (1.7) Mặt khác, ta cũng có A( x )   x , x  P  2 ,   (0,1] . (1.8) Thật vậy, giả sử ngược lại, tức là tồn tại x1  P   2 và 1  (0,1) sao cho A( x1 )  1 x1 . Khi đó A( x1 )  1 x1  x1 , mâu thuẫn với (i). Cũng từ (i) ta suy ra inf A( x)  inf x  0. (1.9) xP 2 xP 2 Từ (1.8), (1.9) và áp dụng bổ đề 1.4.3 ta có i ( A, P   2 , P )  0 . (1.10) Từ (1.7), (1.10) và áp dụng tính chất cộng tính của chỉ số điểm bất động ta được i ( A, P  ( 2 \ 1 ), P )  i( A, P   2 , P )  i ( A, P  1 , P )  0  1  1  0 . Do đó theo định lý 1.4.2, A có điểm bất động trên P  ( 2 \ 1 ) . Định lý 1.4.4 Giả sử toán tử A : P  P là hoàn toàn liên tục, A( )   và một trong hai điều kiện sau đây được thỏa mãn : A( x ) A( x) (i) lim 0 , lim   ; x 0 xP x x  xP x A( x ) A( x) (ii) lim   , lim 0 . x 0 xP x x  xP x Khi đó (a)   0 , x   : A( x )   x . (b) lim x   (với điều kiện (i)) và lim x  0 (với điều kiện (ii)).    
Chứng minh Ta chỉ cần chứng minh định lý với điều kiện (i) còn với điều kiện (ii) thì chứng minh tương tự. Cho trước   0 tùy ý, từ điều kiện (i) suy ra tồn tại R  r  0 sao cho 1 A( x )  x , x  P , x  r  1 và A( x)  x , x  P , x  R .  Đặt r   x  E : x  r ,  R   x  E : x  R , ta có r ,  R là hai tập mở trong E và    r , r   R . 1 Khi đó điều kiện (i) của định lý 1.4.3 được thỏa mãn với toán tử A.  Theo định lý 1.4.3 tồn tại x   R \  r , tức là x   ; 1  sao cho  A  ( x )  x hay A( x )   x .   Vậy kết luận (a) đã được chứng minh. Để chứng minh kết luận (b) tức là lim x   ta sẽ dùng phương pháp phản chứng.   Giả sử (b) không đúng, nghĩa là tồn tại số thực c  0 và dãy số thực  n n , lim  n   sao cho x  c , n  1,2,.... . n n  Khi đó tồn tại dãy con  x    x  và số thực  [0, c] sao cho lim x  nk k n n k   nk  .  * Nếu   0 thì k0   , k  k0  x  , nk 2 A( x ) nk 2M suy ra  n   (k  k0 ) , k x  nk với M  sup A( x) , mâu thuẫn với điều kiện lim n   . k x c k  * Nếu   0 thì từ điều kiện (i) ta có A( x ) nk n k 0 (k  ) , mâu thuẫn với điều kiện lim n   . k k  x nk Vậy lim x   và định lý được chứng minh.  
Định lý 1.4.5 Giả sử u0 , v0  E ; u0  v0 và A :[u0 , v0 ]  E là toán tử đơn điệu tăng (tức là nếu x  y thì A( x)  A( y ) ) thỏa mãn u0  A(u0 ) , A(v0 )  v0 . (1.11) Nếu P là nón chuẩn và A là toán tử hoàn toàn liên tục thì A có điểm bất động cực đại x* và điểm bất động cực tiểu x* trong [u0 , v0 ] ; hơn nữa x*  lim vn , x*  lim un (1.12) n  n  với vn  A(vn1 ) , un  A(un 1 ) , n  1,2,.... và u0  u1  ....  un  ....  vn  ....  v1  v0 . (1.13) Chứng minh Vì A là toán tử đơn điệu tăng nên từ (1.11) suy ra (1.13) đúng. Bây giờ ta chứng minh rằng dãy un n hội tụ đến x*  E và x*  A( x* ) . Ta có tập hợp S  u0 , u1 , u2 ,..... là tập hợp bị chặn (do 1.13) và S  A( S )  u0  . Vì A là toán tử hoàn toàn liên tục nên A( S ) là tập compact tương đối trong E và do đó S cũng là tập compact tương đối trong E. Khi đó, tồn tại dãy con un    u  k k n n và x*  E sao cho lim un  x* . k  k Từ mệnh đề 1.1 suy ra un  x* ( n  1,2,.... ) và x*  [u0 , v0 ] . Mặt khác, do P là nón chuẩn và dãy un n đơn điệu tăng nên từ mệnh đề 1.2 suy ra x*  lim un . n  Vì un  A(un 1 ) , n  1,2,.... và A liên tục nên cho n   ta được x*  A( x* ) . Tương tự ta chứng minh được dãy vn n hội tụ đến x*  E và x*  A( x* ) , x*  [u0 , v0 ] . Sau cùng, ta sẽ chứng minh x* và x* là điểm bất động cực tiểu và cực đại của A trong [u0 , v0 ] . Giả sử x  [u0 , v0 ] và A( x )  x . Vì A đơn điệu tăng nên từ u0  x  v0 suy ra A(u0 )  A( x )  A(v0 ) hay u1  x  v1 . Lập luận tương tự ta được u2  x  v2 . Tổng quát, ta có un  x  vn ( n  1,2,.... ). Cho n   suy ra x*  x  x* (đpcm).
Chương 2. SỰ TỒN TẠI NGHIỆM KHÔNG TẦM THƯỜNG Chương 2 dành cho việc chứng minh phương trình tích phân phi tuyến (*) có nghiệm không âm, không tầm thường và liên tục dựa vào các điều kiện của hàm K ( x, y ) đã nêu trong chương 1 và các điều kiện của hàm f ( x, u ) , ai ( x) ; i  1, 2,...., m mà chúng tôi sẽ giới thiệu sau đây. Trước tiên ta đưa ra một bổ đề quan trọng, là công cụ để chứng minh sự tồn tại nghiệm không tầm thường của phương trình (*). Bổ đề 2.1 Giả sử un n  C (G ) , u  C (G ) , un ( x)  0 , u ( x)  0 , x  G , n   và lim un  u  0 . Khi đó, với mọi   0 ta có n  lim un  u   0 . (2.1) n  Chứng minh Để chứng minh bổ đề 2.1 ta sử dụng bất đẳng thức sau đây ( xem [8] ). x  y    x 1  y 1  x  y ; x  0 , y  0 ,   0 . (2.2) Vì un ( x)  0 , u ( x)  0 , x  G , n   nên áp dụng (2.2), ta được   u ( x)    u ( x)  n      un ( x)   1  1   u ( x)   u ( x)  u ( x) n  un  u   un 1  u 1 . un  u , n   . Xét hai trường hợp có thể xảy ra sau đây.  Trường hợp   1 lim un  u  0    0 : un   , n   . n   1  un    1 , n   . Suy ra un  u    un   1  u  1 . u n u    . u  1  1  u n u . Cho n   thì lim un  u   0 . n   Trường hợp 0    1 1    * Cho   0 , đặt     .  2  2   x  G , n   đặt
u ( x ) , khi u ( x )   * u ( x ) , khi u ( x )   * v( x)   * w( x)   *  , khi u ( x)   *  , khi u ( x )   * * * un ( x) , khi un ( x )   un ( x) , khi un ( x)   vn ( x )   * wn ( x )   *  , khi un ( x )   *  , khi un ( x)   * Dễ dàng chứng minh được các hàm v, w, vn , wn  C (G ) , n   và  v( x)   * , vn ( x )   * , x  G , n   , w( x )   * , wn ( x)   * , x  G , n   .  v( x)  w( x)  u ( x)   * , vn ( x )  wn ( x )  un ( x)   * , [v( x )]  [ w( x )]  [u ( x )]  ( * ) , [vn ( x)]  [ w ( x)]  [un ( x )]  ( * ) .  lim vn  v  0 , lim wn  w  0 . (2.3) n  n  Tiếp theo, áp dụng (2.2) ta có        u ( x)    u ( x)  n   vn ( x)    v( x )   wn ( x)    w( x)      vn ( x )  1  1   v ( x)   . v ( x)  v( x ) n     wn ( x )    w( x)   2 ( * ) 1. vn ( x)  v( x)  2( * ) , x  G .  un  u  2 ( * ) 1. vn  v  2( * ) . (2.4) Từ (2.3) ta suy ra n0   , n    n  n0  vn  v   *  . (2.5) Do đó từ (2.4) và (2.5) ta được un  u   2 ( * ) 1. *  2( * )   , n  n0 . Vậy lim un  u   0 . n  Tiếp theo ta chứng minh một số định lý về sự tồn tại nghiệm không âm, không tầm thường của phương trình tích phân phi tuyến (*). Kỹ thuật chủ yếu được sử dụng ở đây là các định lý về điểm bất động đã được trình bày trong chương1.
Định lý 2.1 Giả sử (i) Nhân K ( x, y ) thỏa mãn điều kiện (H1); (ii) ai  L(G ) , ai ( x)  0 , x  G ; i  1,2,...., m i0 , i1  1, 2,...., m :  i  1 ,  i  1 và inf ai ( x)  0 , inf ai ( x)  0 ; 0 1 0 1 xG0 xG0 m (iii) a i L  M 1 , với M  max K ( x, y ) . ( x , y )G0 G0 i 1 Khi đó, phương trình (*) có ít nhất hai nghiệm không âm, không tầm thường và liên tục trên G. Chứng minh  Đặt P  u  C (G ) | u ( x )  0, min u ( x)   0 u . xG0  Dễ dàng chứng minh được P là nón chuẩn trong không gian Banach E  C (G ) . Toán tử A : P  E xác định bởi m Au ( x )   K ( x, y ) f ( y , u ( y ))dy   K ( x, y )( ai ( y )[u ( y )] ) dy i G G i 1 là toán tử hoàn toàn liên tục. * Chứng minh A liên tục Lấy tùy ý u  P , giả sử un n  P và lim un  u  0 . n  Ta sẽ chứng minh lim Aun  Au  0 . n  với mọi x  G , ta có m Aun ( x )  Au ( x)   K ( x, y ) .( ai ( y ) . [un ( y )]  [u ( y )] ) dy i i G i 1 m   M  ai ( y ) [un ( y )]  [u ( y )] dy . i i i 1 G m  Aun  Au   M  ai ( y ) [un ( y )]  [u ( y )] dy . i i i 1 G Vì lim un  u  0 nên lim un  u   0 , i  1,2,...., m (do bổ đề 2.1). i i n  n  hay lim [un ( y )]  [u ( y )]  0 đều trên G. i i n  suy ra lim  ai ( y ) [un ( y )]  [u ( y )] dy  0 , i  1,2,...., m . i i n  G Vậy lim Aun  Au  0 (đpcm). n  * Chứng minh A compact
Giả sử   P là tập bị chặn, ta chứng minh A() là tập compact tương đối trong P. + Chứng minh A() bị chặn đều Lấy u   tùy ý. Vì  bị chặn nên tồn tại   0 sao cho u   i suy ra u    ; i  1,2,...., m . i i Đặt   max   thì u i   ; i  1,2,...., m . 1 i  m với mọi x  G , ta có m Au ( x)   K ( x, y ) .( ai ( y ) . [u ( y )] ) dy i G i 1 m i   M .( ai ( y ) u ) dy G i 1 m  M  (  ai ( y ) dy ) i 1 G m  M  ( ai L )  M  M 1   . i 1 Suy ra Au   . + Chứng minh A đẳng liên tục Lấy u   tùy ý. Vì u liên tục trên tập compact G nên N  0 : u ( x)  N , x  G i  u ( x)  N  , x  G ; i  1,2,...., m . i i Đặt N1  max N  thì u ( x )  N1 , x  G ; i  1,2,...., m . i 1 i  m Vì hàm K ( x, y ) liên tục trên tập compact G  G và do đó liên tục đều trên G  G . Khi đó,   0 ,   0 , ( x ' , y ' ) , ( x, y )  G  G nếu 1  n 2 ( x , y )  ( x, y ) 2     ( xi'  xi ) 2  ( yi'  yi ) 2     ' '  i 1   thì K ( x ' , y ' )  K ( x, y )  . MN1 1 n  2 Vậy x, x  G , x  x 2   ( xi'  xi ) 2  ' '   , ta có  i 1 
m Au ( x ' )  Au ( x)   K ( x ' , y ' )  K ( x, y ) .( ai ( y ). [u ( y )] ) dy i G i 1  m  ( ai ( y ) N1 ) dy G MN1 i 1   m   N1    ai ( y )dy  MN1  i 1 G      m    ai L   M 1   . M  i 1  M Áp dụng định lý Ascoli – Arzela ( xem phụ lục ) suy ra A() là tập compact tương đối trong P. + Chứng minh A( P )  P Lấy tùy ý u  P , từ điều kiện (H1) ta có Au ( x )   0  K ( z, y ) f ( y , u ( y ))dy   0 Au ( z ) , x  G0 , z  G . G Suy ra min Au ( x)   0 Au , xG0 hay Au  P . Vậy ta đã chứng minh được toán tử A : P  P là hoàn toàn liên tục. Khi đó điểm bất động khác không của toán tử A chính là nghiệm không tầm thường, không âm và liên tục của phương trình (*) . Tiếp theo ta chứng minh toán tử A có điểm bất động. u  P , x  G ta có m  + Au ( x )   K ( x, y)( ai ( y)[u( y)] )dy G0 i 1 i i   K ( x, y)a G0 i0 ( y )[u ( y )] dy 0  i0  i0   0 ( mesG0 ) 0 u ; i + Au ( x )   K ( x, y)a ( y)[u ( y)] i1 1 dy G0  i1  i1   1 (mesG0 ) 0 u ; trong đó   min K ( x, y )  0 , ( x , y )G0 G0  0  inf ai ( x )  0 , 0 xG0  1  inf ai ( x )  0 . 1 xG0 Do đó
 i0  i0 Au   0 ( mesG0 ) 0 u , u  P ; (2.6) i1 i1 Au   1 ( mesG0 ) 0 u , u  P . (2.7) Từ (2.6) ta suy ra tồn tại r  (0,1) thỏa mãn Au  u , u  P , u  r . (2.8) Thật vậy, giả sử ngược lại, tức là r  (0,1) , u  P , u  r và Au  u . 1 Với mỗi n  * đủ lớn, chọn rn   (0,1) , khi đó tồn tại dãy un n  P n 1 1 thỏa mãn un  và Aun  un  . n n  i0  i0  i0  i0 1 1 Suy ra  0 (mesG0 ) 0 un   0 (mesG0 ) 0    , n n 1 hay n 1i0    0 ( mesG0 ) 0  i0  (vô lý). Vậy (2.8) đúng. Tương tự, từ (2.7) suy ra tồn tại R  1 thỏa mãn Au  u , u  P , u  R . (2.9) Mặt khác, theo điều kiện (iii), ta có m m i Au  M  ai L u  M  ai L  1  u , u  P , u  1 . (2.10) i 1 i 1 Đặt r  u  P : u  r ,  R  u  P : u  R , 1  u  P : u  1 . thì 1 , r ,  R là các tập mở trong P và    r , r  1   R . Hơn nữa, từ (2.8) , (2.9) , (2.10) ta có Au  u , u  P  r và Au  u , u  P  1 ; Au  u , u  P   R và Au  u , u  P  1 . Do đó, từ định lý 1.4.3 suy ra tồn tại u *  P  (1 \  r ) , u **  P  ( R \ 1 ) thỏa mãn Au *  u * , Au**  u ** và r  u *  1  u **  R . Rõ ràng, u * ( x) và u ** ( x ) là hai nghiệm không âm, không tầm thường và liên tục của phương trình (*). Định lý 2.2
Giả sử (i) Nhân K ( x, y ) thỏa mãn điều kiện (H1); (ii) ai  L(G ) , ai ( x)  0 , x  G ;  i  1 , i  1,2,...., m ; i0  1, 2,...., m : inf ai ( x)  0 . 0 xG0 Khi đó, phương trình (*) có ít nhất một nghiệm không âm, không tầm thường và liên tục. Chứng minh Từ chứng minh của định lý 2.1 ta thấy rằng toán tử A : P  P m xác định bởi Au ( x )   K ( x, y ) f ( y , u ( y ))dy   K ( x, y )( ai ( y )[u ( y )] ) dy i G G i 1 là hoàn toàn liên tục. Hơn nữa, từ điều kiện (ii) của định lý 2.2 ta cũng suy ra R  0 : Au  u , u  P , u  R . (2.11) Mặt khác, vì  i  1 (i  1,2,...., m) nên m i r  (0, R ) : Au  M  ai L . u  u , u  P , u  r . (2.12) i 1 Thật vậy, giả sử ngược lại, tức là r  (0, R ) , u  P , u  r và Au  u . R Với mỗi n  * , chọn rn   (0, R ) . Khi đó, n tồn tại dãy un n  P thỏa mãn un  rn và Aun  un , n  * . m Suy ra M  ai L rn  rn , n  * i i 1 m hay M  ai L rn 1  1 , n  * . i i 1  m  Cho n    lim  M  ai L rn 1   0 (mâu thuẫn). i n   i 1  Vậy (2.12) đúng. Đặt r  u  P : u  r ,  R  u  P : u  R thì r ,  R là hai tập mở trong P và    r , r   R . Từ (2.11) và (2.12) ta có Au  u , u  P   R và Au  u , u  P  r . Do đó, áp dụng định lý 1.4.3 ta suy ra tồn tại u  P  ( R \  r ) thỏa mãn