Tải bản đầy đủ

Phương pháp thác triển theo tham số giải phương trình toán tử loại hai

1

LỜI CẢM ƠN
Luận văn được hoàn thành tại trường Đại học sư phạm Hà Nội 2 dưới sự
hướng dẫn của PGS.TS.Khuất Văn Ninh.
Tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc PGS.TS.Khuất Văn Ninh, người đã
luôn quan tâm, động viên, tận tình hướng dẫn tôi trong quá trình làm luận
văn.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban giám hiệu trường Đại học sư
phạm Hà Nội 2, Phòng sau đại học, các thầy cô giáo trong nhà trường, các
thầy cô giáo dạy cao học chuyên ngành Toán giải tích đã tạo điều kiện thuận
lợi cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu.
Tôi bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình, người thân, bạn bè, các đồng nghiệp
trong Trường THPT Võ Thị Sáu đã động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi
để tôi hoàn thành bản luận văn này.
Hà Nội, tháng 12 năm 2011

Nguyễn Đăng Long


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản luận văn này là công trình nghiên cứu của riêng
tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS.Khuất Văn Ninh.
Trong khi nghiên cứu luận văn, tôi đã kế thừa thành quả khoa học của
các nhà khoa học với sự trân trọng và biết ơn.
Hà Nội, tháng 12 năm 2011

Nguyễn Đăng Long


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN................................................................................................... 1
LỜI CAM ĐOAN..............................................................................................2
MỤC LỤC.........................................................................................................3
BẢNG KÝ HIỆU.............................................................................................. 5
MỞ ĐẦU...........................................................................................................6
Chương 1 Kiến thức chuẩn bị.......................................................................9
1.1.

Các khái niệm cơ bản của giải tích hàm...........................................9

1.1.1.

Không gian metric..................................................................... 9

1.1.2.

Không gian tuyến tính............................................................. 12

1.1.3.

Không gian định chuẩn............................................................13

1.1.4.

Không gian Hilbert..................................................................16

1.2.

Phương trình toán tử.......................................................................17


1.2.1.

Khái niệm................................................................................ 17

1.2.2.

Một số khái niệm về toán tử đơn điệu.....................................17

1.2.3.

Một số khái niệm về toán tử liên tục.......................................19

Chương 2 Phương pháp thác triển theo tham số đối với phương trình toán
tử loại hai với toán tử đơn điệu và liên tục Lipschitz..................................21
2.1.

Phương trình toán tử đơn điệu trong không gian Hilbert và không

gian định chuẩn.........................................................................................21
2.1.1.

Trong không gian Hilbert.......................................................21

2.1.2.

Trong không gian định chuẩn..................................................24

2.2.

Phương pháp thác triển theo tham số.............................................25

2.2.1.

Sự tồn tại nghiệm.................................................................... 25

2.2.2.

Ước lượng tốc độ hội tụ.......................................................... 31


Chương 3 Ứng dụng giải phương trình toán tử loại 2.................................35

3.1.

Ví dụ giải xấp xỉ bài toán biên phi tuyến........................................35

3.2.

Ứng dụng giải số trên máy tính điện tử..........................................43

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.........................................................................63
TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................64


BẢNG KÝ HIỆU

Tập số tự nhiên

Æ
Æ

*

Tập số tự nhiên khác không

_

Tập số hữu tỷ

\

Tập số thực

Ø

Tập số phức

\

k

L( X ,Y
)
.

Không gian thực k chiều
Không gian các toán tử tuyến tính liên tục từ X vào Y .
Chuẩn



Tập hợp rỗng

,

Tích vô hướng



Phần tử không


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Rất nhiều vấn đề, nhiều bài toán trong khoa học tự nhiên, trong kinh tế,
kỹ thuật, cuộc sống có thể dẫn đến việc nghiên cứu phương trình toán tử
Ax y

(1)

trong đó A là toán tử từ một tập X đến một tập Y, x X
,

y Y . Toán tử A

có thể là tuyến tính hoặc phi tuyến, đơn trị hoặc đa trị (lúc đó y Ax ). A
cũng có thể ký hiệu cho toán tử được xác định bởi các bài toán biên cổ điển
hoặc không cổ điển, với biên trơn hoặc không trơn. Chính vì vậy phạm vi ứng
dụng của lý thuyết phương trình toán tử là rất rộng lớn. Phạm vi ứng dụng này
càng rộng và càng có hiệu lực thực tiễn trước sự phát triển nhanh chóng của
máy tính điện tử với sự phát triển mạnh mẽ các công trình nghiên cứu xấp xỉ
các phương trình có dạng (1).
Về các phương pháp để nghiên cứu xấp xỉ phương trình có dạng (1)
cũng khá phong phú, đa dạng. Những phương pháp thường được sử dụng
hoặc cải biên, phát triển thêm là các phương pháp lặp, phương pháp sai phân,
phương pháp điều chỉnh, phương pháp thác triển theo tham số…
Phương pháp thác triển theo tham số được dùng để nghiên cứu phương
trình toán tử loại hai x Ax
 f

trong công trình của J. Schauder và S. N.

Bertein, nhiều công trình theo hướng này đã hạn chế việc nghiên cứu đối với
các toán tử phi tuyến khả vi, một số khác như V. A. Trenoghin, J. L.
Gaponenko thì nghiên cứu các toán tử phi tuyến không khả vi, chẳng hạn như
toán tử đơn điệu và liên tục Lipschitz .
Với mong muốn được tìm hiểu sâu hơn về giải xấp xỉ phương trình toán
tử và dưới sự hướng dẫn PGS.TS. Khuất Văn Ninh chúng tôi đã chọn đề tài:


“Phương pháp thác triển theo tham số giải phương trình toán tử loại hai”.
làm đề tài khóa luận tốt nghiệp thạc sĩ ngành Toán giải tích.
Ở đây chúng tôi sẽ trình bày phương pháp thác triển nói trên đối với
toán tử đơn điệu và liên tục Lipschitz tác dụng trong không gian Banach
tùy ý. Phương pháp này là một quá trình lặp sử dụng một số hữu hạn các
bước theo tham biến  và mỗi bước được thực hiện nhờ phương pháp ánh xạ
co.
2. Mục đích nghiên cứu
- Tìm hiểu về phương pháp thác triển tham số đối với phương trình loại
hai với các toán tử đơn điệu và liên tục Lipschitz
.

- Nghiên cứu giải phương trình toán tử loại hai trên máy tính điện tử

3. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Trình bày cụ thể phương pháp thác triển theo tham số giải phương
trình loại hai x Ax  f
- Ứng dụng phương pháp thác triển theo tham số giải phương trình vi
tích phân với toán tử đơn điệu và liên tục Lipschitz
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng: nghiên cứu phương pháp trên đối với toán tử đơn điệu và
liên tục Lipschitz.
- Phạm vi nghiên cứu: Các giáo trình, tài liệu liên quan đến phương
pháp thác triển theo tham số.
5. Phương pháp nghiên cứu
- Sử dụng một số kỹ thuật của giải xấp xỉ phương trình toán tử: phương
pháp lặp, đánh giá sai số.
- Thu thập và nghiên cứu các giáo trình, tài liệu liên quan.
- Phân tích, tổng hợp kiến thức.


6. Dự kiến đóng góp mới của luận văn
- Trình bày một cách hệ thống về ứng dụng của phương pháp thác triển
theo tham số giải phương trình vi tích phân phi tuyến.
- Giải phương trình vi tích phân phi tuyến trên máy tính điện tử.


Chương 1
Kiến thức chuẩn bị
1.1. Các khái niệm cơ bản của giải tích hàm
1.1.1 Không gian metric
Cho X là một tập tùy ý khác rỗng.
Định nghĩa 1.1.1. Ta gọi là không gian metric một tập hợp X khác rỗng
cùng với một ánh xạ
d : X X \
của tích X
X

vào tập số thực \ , thỏa mãn các tiên đề sau đây:

1) x, y X  , d x, y 0, d x, y 0 x y ; (tiên đề đồng
nhất)
2) x, y X  , d x, y d y, x ; (tiên đề đối xứng)
3) x, y, z X  , d x, y d x, z d z, y ; (tiên đề tam
giác)
Ánh xạ d gọi là metric trên X , số d x,

gọi là khoảng cách giữa hai phần

y
tử x và y. Các phần tử của X gọi là các điểm; các tiền đề 1), 2), 3) gọi là hệ
tiên đề metric.
Định nghĩa 1.1.2. Một dãy điểm xn  , n 1, 2,... trong không gian metric
X gọi là hội tụ đến điểm a
X

nếu
lim d  a, xn 0
n

Khi đó, ta kí hiệu
lim xn
a
Tập
hợp

n

hoặ xn a , khi n  
c


B  a, r x X :d x, a r r 0
được gọi là hình cầu mở tâm a, bán kính r trong không gian metric X .


Tương tự, tập hợp

B  a, r x X :d x, a r r 0

được gọi là hình cầu đóng tâm a, bán kính r trong không gian metric X . Mỗi
hình cầu
mở

B  a, r được gọi là một lân cận của phần tử a trong X .



Định nghĩa 1.1.3. Dãy điểm xn được gọi là dãy cơ bản trong không gian


metric X nếu với mọi  0 cho trước, đều tồn tại một số n0 sao cho với mọi
n
n0

và m
n0

d xn , xm 

ta đều


Nói cách khác, ta


lim

d xn , xm 0

n,m

Dễ thấy mọi dãy điểm hội tụ trong không gian metric đều là dãy cơ bản.
Định nghĩa 1.1.4. Một không gian metric X được gọi là đầy đủ nếu mọi
dãy cơ bản trong X đều hội tụ tới một phần tử trong X .
Định nghĩa 1.1.5. Cho X và Y là hai không gian metric tùy ý. Ánh xạ
f :X
Y
với
mọi

được gọi là ánh xạ co nếu tồn tại một số  với 0 1 sao cho
x, x
'X

ta đều có
d f x  , f x 'd x, x '

Định lý 1.1.1. (Nguyên lý ánh xạ co) Mọi ánh xạ co A ánh xạ không gian
metric đầy X vào chính nó đều có điểm bất
động
*

x
X

thỏa
mãn:

Chứng minh:

*

*

x duy nhất, nghĩa là

*

Ax x

Lấy
một
điể

m bất
kỳ

x0 X

và lập dãy


xn Axn1

 n 1,
2,...

ta được

d x2 , x1 d Ax1, Ax0 d x1, x0  d Ax0 , x0  ,


d x , x
3

2

d
Ax

2

, x  d Ax , x

,

2

, Ax
 d x
1

2

1

0

0

…………………………………

d x

d
Ax

,
x
1

n

,
Ax

n

d x

1



,x

n

n

n

n

1

d Ax0 , x0 



n

Vớ n 1, 2,.... Từ đó suy ra n, p 1, 2,... ta có
i
d x

,x
np

p



n

xd x ,
nk

nk 1
0


 d Ax , x
0

n

np

d Ax0 , x0



Vì 0  1, nên lim 0 , do
đó
n

n



nk 1



k 1

k
1

 
1 

p

 d Ax0 , x0 
n

1


, x 0, p  Æ , nghĩa là
dãy
*

lim d
x

np

n

n

xn là dãy cơ bản trong không gian metric đầy M.

Từ đó tồn
tại

x* X . Ta có

lim
x
n

n

d Ax , x
Ax*, x
*

*

d
n

d
x

*

,x
Ax
n

d Ax , d
x
*

n1

,x

*



n

 d  xn1 , x* d , x*  , n 1, 2,...

x
d Ax*, x* 0
được động của ánh hay
Cho n   ta

n
*

*

*

Ax x , nghĩa là x là điểm bất

xạ A.
Giả sử tồn tại điểm

*

y
X

cũng là điểm bất động của ánh xạ A, thì


d  x* , y* d Ax*, Ay*  d  x * , y*  1  d

0
d  x , y
*

*

x y

vậy

*

0, 0 1

*

*

x là điểm bất động duy nhất của ánh xạ A.

Định lý được chứng minh.

x ,y
*

*


1.1.2 Không gian tuyến tính
Định nghĩa 1.1.6. Cho tập hợp X khác rỗng cùng với một phép toán hai ngôi
viết theo lối cộng và một ánh xạ : \ X , với mỗi k \ và với mỗi
X
x
X

thì phần tử  k,

được gọi là tích ngoài của số k với phần tử x và

x

được kí hiệu là kx . Giả sử rằng các điều kiện sau được thỏa mãn:
1.

X ,

là một nhóm Abel với phần tử trung hòa , nghĩa là:



a) x y z x y

x, y, z X

z ,

b) x y y
x,

x, y X

c) Trong X tồn tại phần tử  sao cho x   x
x,
d) x
X

tồn tại phần tử đối

 x 

sao
cho

x X

x  x 

2. Tích ngoài có tính chất:
a) 1.x x, x X
b) k  lx k.l

k,l  \,x X

x,

c) Giữa tích ngoài và phép toán hai ngôi viết theo lối cộng có luật
phân phối:
i)  k l x kx
lx,
ii) k x y kx
ky,

k,l  \,x X

k  \,x, y X .


Khi đó ta nói rằng X là một không gian tuyến tính trên \ và mỗi
phần
tử x
X

được gọi là một vecto; còn các điều kiện trên được gọi là các tiên đề

về không gian tuyến tính. Người ta cũng nói X là không gian tuyến tính thực.
Bằng cách tương tự, ta có định nghĩa không gian tuyến tính phức.
Định nghĩa 1.1.7. Cho hệ n
vecto

x1, x2 ,...,
xn

trong không gian tuyến tính X .

Xét đẳng thức vecto:

1x1  2 x2 ...  n xn .


Nếu đẳng thức trên xảy ra với 1 2 ...  n
0

thì ta nói hệ n vecto đó

độc lập tuyến tính. Nếu tồn tại một bộ số 1,2
,...,n

n

vớ
i



2
i

sao cho

0
i1

đẳng thức trên được thỏa mãn thì ta nói rằng hệ n vecto trên là phụ thuộc
tuyến tính.
Định nghĩa 1.1.8. Giả sử X là không gian tuyến tính trên X . Xét x1, x2 là
hai phần tử thuộc X , khi đó tập hợp các phần tử trong X có dạng
y 1 t x1
tx2 ,
được gọi là đoạn thẳng nối hai
điểm

x1


t 0;1
x2 .

Định nghĩa 1.1.9. Giả sử X là không gian tuyến tính trên \ . Tập con
X0
của X được gọi là một không gian tuyến tính con của không gian X , nếu
X 0 cùng với hai phép toán cảm sinh của X
trên

X 0 tạo thành một không

gian tuyến tính.
Định nghĩa 1.1.10. Giả sử X , Y là hai không gian tuyến tính trên \ .
Khi đó
ánh xạ T : X
Y

được gọi là tuyến tính, nếu:

a) T x y T x T x, y X
y  ,
b) T  kx kT

k  \,x X .

x  ,
Chú ý rằng, người ta có thể dùng thuật ngữ: “ ánh xạ tuyến tính” hoặc
“toán tử tuyến tính”.


Trong định nghĩa trên nếu thay Y \ thì T được gọi là phiếm
hàm tuyến tính.
1.1.3 Không gian định chuẩn
Cho X là không gian vecto thực hay phức.
Định nghĩa 1.1.11. Một chuẩn, kí hiệu . , trong X là một ánh xạ đi từ X
vào \ thỏa mãn điều kiện:


1)

x 0 x X
,
,

2) x
 

x 0 x


( là kí hiệu phần tử không)

x , \ hoặc Ø và x X

3) x y x


y , x, y X

Số x được gọi là chuẩn (hay độ dài) của vecto x X . Một không
gian vecto X cùng với một chuẩn xác định trong không gian ấy, được gọi là
một không gian định chuẩn thực (hay phức).
Định lý 1.1.2. Giả sử X là một không gian định chuẩn, với
mọi

x, y X , đặt

d x, y  x y
Khi đó d là một metric trên X .
Định nghĩa 1.1.12. Dãy xn trong không gian định chuẩn X được gọi là



hội tụ
đến

x0
X

nế li xn x0 0
u m
n

Khi đó ta kí
hiệu

lim xn
x0
n

Định nghĩa 1.1.13.
Dãy cơ bản nếu

hoặ xn
c
x0

khi n  .

xn trong không gian định chuẩn X được gọi là dãy
lim xm xn 0

m,n

Định nghĩa 1.1.14. Không gian định chuẩn X gọi là không gian Banach, nếu
mọi dãy cơ bản trong X đều hội tụ.
Định nghĩa 1.1.15. Cho hai không gian tuyến tính X và Y trên trường
P ( P \ hoặc P Ø ). Ánh xạ A từ không gian X vào không gian Y
được gọi là tuyến tính nếu A thỏa mãn:


1) Ax y Ax Ay , với
mọi
2) Ax Ax , với
mọi

x, y X ;

x X , P .


A cũng được gọi là toán tử tuyến tính. Khi đó, nếu A chỉ thỏa mãn 1) thì
A được gọi là toán tử cộng tính; nếu A chỉ thỏa mãn 2) thì A được gọi là
toán tử thuần nhất. Khi Y
P

thì toán tử tuyến tính A được gọi là phiếm hàm

tuyến tính.
Định nghĩa 1.1.16. Cho không gian định chuẩn X và Y . Toán tử tuyến tính
A từ không gian X vào không gian Y gọi là bị chặn nếu tồn tại hằng số c 0
sao cho:
Ax c x , với mọi x X .
Định nghĩa 1.1.17. Cho hai không gian định chuẩn X và Y. Kí hiệu L X ,Y 
là tập tất cả các toán tử tuyến tính bị chặn từ không gian X vào không gian Y.
Ta đưa vào L(X,Y) hai phép toán:
A, B L X
,Y 

 Tổng của hai toán
tử

là toán tử, kí hiệu A+B, xác

định bởi biểu thức

A B xAx Bx , với mọi x X
 Tích vô hướng của
P
AL X ,
Y

( P \ hoặc P Ø ) với toán tử

là toán tử, kí hiệu A, được xác định bởi biểu thức

AxAx  .

Dễ kiểm tra được rằng A B L X ,Y  , AL X và hai phép
,Y 
toán trên thỏa mãn tiên đề tuyến tính. Khi đó, tập L(X,Y) trở thành một không
gian tuyến tính trên trường P .
Định lý 1.1.3. Nếu Y là một không gian Banach, thì L(X,Y) là không gian
Banach.


1.1.4 Không gian Hilbert
Định nghĩa 1.1.17. Cho không gian tuyến tính X trên trường P ( P \
hoặc P Ø ). Ta gọi là tích vô hướng trên không gian X mọi ánh xạ từ
tích
Descartes X
X

vào trường P, kí hiệu , thỏa mãn các tiên đề:

1) y, x x, với
mọi
y
2)

x, y X ;

x y, z x, z y, z
với mọi

3) x, y x, y với mọi số
P
4) x, x 0 , nếu x

5)

x, x0 , nếu

x, y, z X ;


mọi

x, y X ;

( là kí hiệu phần tử không), với mọi x X ;

x , với mọi x X .

Các phần tử x, y, z,... gọi là các nhân tử của tích vô hướng. Số

x, y 

gọi là tích vô hướng của hai nhân tử x và y, các tiên đề 1), 2), 3), 4), 5) gọi là
hệ tiên đề tích vô hướng.
Nhận xét: Nếu X là một không gian tuyến tính, trên đó xác định một tích vô
hướng  ,, khi đó ánh
xạ

:
X

\ xác định
bởi

x  x, x là một

chuẩn trên X, và X cùng với chuẩn đó là một không gian tuyến tính định
chuẩn. Chuẩn xác định như trên được gọi là chuẩn cảm sinh bởi tích vô
hướng.
Định nghĩa 1.1.18. Không gian tuyến tính X trên trường P cùng với một tích
vô hướng trên X gọi là không gian tiền Hilbert.
Định lý 1.1.4. Cho X là một không gian tiền Hilbert. Với mỗi x X , ta đặt


x  x, x . Khi đó, ta có bất đẳng thức sau ( gọi là bất đẳng thức Schwarz)

x, y 

x . y , x, y X .

Định nghĩa 1.1.19. Ta gọi không gian tuyến tính H  trên trường P là
không gian Hilbert, nếu tập H thỏa mãn điều kiện:


1) H là không gian tiền Hilbert;

x  x, x với x X .

2) H là không gian Banach với
chuẩn

Ta gọi mỗi không gian tuyến tính con đóng của không gian Hilbert H là
không gian Hilbert con của không gian H.

1.2. Phương trình toán tử
1.2.1. Khái niệm
Cho A là toán tử tuyến tính liên tục từ không gian định chuẩn X vào
chính nó. Phương trình dạng
Ax  f

(1.1)

trong đó f cho trước, f X , được gọi là phương trình toán tử loại I.
Phương trình dạng
x Ax  f

(1.2)

trong đó f cho trước, f X , tham

 ( P \ hoặc P Ø ) được

số là phương trình toán tử loại II.

P

gọi

1.2.2. Một số khái niệm về toán tử đơn điệu
Cho X là không gian Banach, X * là không gian liên hợp của X và
toán tử A :
X

X

*

Định nghĩa 1.2.1. Toán tử A được gọi là toán tử đơn điệu nếu tích vô hướng

Au Av,u v0,u,v X
Định nghĩa 1.2.2. Toán tử A được gọi là đơn điệu nghiêm ngặt nếu

Au Av,u v0,u,v
X

,u v

Định nghĩa 1.2.3. Toán tử A được gọi là d _đơn điệu nếu


Au Av,u



v  u

v
  u

 v


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×