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 则 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
设
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 有 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 且 则有 由于 必有 即 .
这两条定理间有什么关系呢?先别急。回看初值问题
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.