不动点定理的应用:积分方程和微分方程

上一节学习了一个基础的不动点定理,在巴拿赫空间中,闭集上的收缩算子存在唯一的不动点。

现在考虑其应用:

积分方程,对于中文互联网上不多见,搜索不到多少东西。不过积分方程在数学物理中具有很高的价值,通常而言的本征值问题,最初就是从积分方程中得出的,可以了解一下柯朗,希尔伯特的数学物理方法一书,可以说是开山之作了,里面就专门介绍了线性积分方程理论。不过,这本书时代过于久远,所以看上去很不习惯,很多概念都过时了。看这本书其实也是为了以现代语言学习积分方程。

积分方程u(x)=\lambda \int F(x,y,u(y))dy+f(x),本身可以视为一个算子A(u)(\cdot)=\lambda\int F(\cdot,y,u(y))dy+f(\cdot),于是可以化为不动点问题u=Au

接下来只要证明这个算子A满足定理条件即可,这就需要对参数值\lambda和函数F,f添加一定的限制,这些限制条件是为了满足定理条件而引入的,所以可由证明中得出,这里就不写了。

于是,对于特定的情况下,这个不动点问题有唯一解,可以进行迭代求解。这就是积分方程的迭代法求解的原理。

对于微分方程,采用了取巧的方式,任意的一阶微分方程总可化为积分方程

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

这样只要证明积分方程有解,那微分方程自然有解。而且可以进行迭代求解,这种迭代法的收敛性由一个定理给出。自然,对于这种微分方程也是有条件限制的。这就与微分方程的适定性理论联系起来了。著名的皮卡定理。

巴拿赫不动点,核心就是一个压缩映射,因为巴拿赫空间一般是满足的,常用的就是闭区间上的连续函数空间,不管是一元的还是多元的没有什么太大区别。所以,只要能证明一个算子是收缩的,问题就自然获得了解决。这种普遍性,使得不动点定理在非线性泛函分析中也能发挥巨大作用。就比如上面的算子方程的例子,并没有限定算子必须是线性的。

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