Picard定理与泛函分析

2025-09-28  14:58:11       Sydney, Australia
Mathematics

在常微分方程(ODE)这门课中,有一个基础、重要但不易理解的定理:Picard存在唯一性定理。相信许多人首次翻开这本书,都会多少为其复杂的定义、莫名其妙的证明而困惑;它也是在学习ODE的过程中,首次涉足的、相比高等数学/数学分析中的「解方程」更为深入的内容。事实上,当你接触过一些泛函分析,回转过头来看,这一定理就会明朗许多。

我们先来回顾ODE课本上对Picard定理的定义

设初值问题 其中在矩形区域 内连续,而且对满足Lipschitz条件,即 在区间 上有且仅有一个解,其中常数

ODE书本上对其的证明是使用Picard迭代法构造Picard序列并证明其收敛且根存在。但是,并没有详解关于常数取值范围、存在区间的缘由。而在泛函分析中,压缩映射原理 (Contradiction Mapping Principle, 又称Banach不动点定理) 对Picard定理又有了新的诠释。

介绍一下压缩映射原理

是完备距离空间,映射 且存在一个 使得 则存在唯一的 , 使得 .

下面给出证明,相信它对数学系的小朋友们而言不难理解。对非数学系的小朋友而言,或许也不难理解。

易知 是一个连续映射。任取一个 通过下列迭代: 我们得到了中的一组点列 . 则对任意 因此,对于任意自然数 ,
因此, 是一个Cauchy列。又因为是完备空间,故 收敛。设其收敛到 ,则在 的两边取 即得 . 下证唯一性。若存在 使得 则有 由于 必有 .

这两条定理间有什么关系呢?先别急。回看初值问题 其中 满足Lipschitz条件,即 我们不难发现,初值问题可以转化为求解积分方程 这时,我们选取一个 使得 并在空间 上定义映射 那么, 是空间 到自身的映射。此时,有 不难发现, 前的系数 满足 且空间 是完备距离空间。因此,根据压缩映射原理,存在唯一的 使得 即上述积分方程存在唯一解。 这也解释了在Picard定理中,解的存在区间 的取值由来,即我们需要取满足 也就是说 另外,为了保证所得到的唯一解 位于矩形区域 内,我们还需对 作出进一步限制。由 易知 其中 大于 的上界。故应限制 因此最终有

参考文献:

[1] 丁同仁. 常微分方程教程[M]. 第三版. 北京: 高等教育出版社, 2022.
[2] 刘炳初. 泛函分析[M]. 第三版. 北京: 科学出版社, 2015.


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