4. přednáška 22. října Úplné metrické prostory. Metrický prostor (M, d) je úplný, když každá cauchyovská posloupnost bodů v M konverguje.

Podobné dokumenty
VIII. Primitivní funkce a Riemannův integrál

V předchozích kapitolách byla popsána inverzní operace k derivování. Zatím nebylo jasné, k čemu tento nástroj slouží.

OBECNÝ URČITÝ INTEGRÁL

10 Určitý integrál Riemannův integrál. Definice. Konečnou posloupnost {x j } n j=0 nazýváme dělením intervalu [a,b], jestliže platí

NEWTONŮV INTEGRÁL. V předchozích kapitolách byla popsána inverzní operace k derivování. Zatím nebylo jasné, k čemu tento nástroj slouží.

Integrální počet - III. část (určitý vlastní integrál)

Obecně: K dané funkci f hledáme funkci ϕ z dané množiny funkcí M, pro kterou v daných bodech x 0 < x 1 <... < x n. (δ ij... Kroneckerovo delta) (4)

Integrální počet - II. část (určitý integrál a jeho aplikace)

množina, na které je zavedena určitá struktura. Zejména, součet každých dvou prvků X = [x 1,..., x n ] R n,

Řešené příklady k MAI III.

2. přednáška 8. října 2007

Důkaz Heineho Borelovy věty. Bez újmy na obecnosti vezmeme celý prostor A = M (proč? úloha 1). Implikace. Nechť je (M, d) kompaktní a nechť.

integrovat. Obecně lze ale říct, že pokud existuje určitý integrál funkce podle různých definic, má pro všechny takové definice stejnou hodnotu.

Riemannův určitý integrál.

VIII. Primitivní funkce a Riemannův integrál

6. Určitý integrál a jeho výpočet, aplikace

R n výběr reprezentantů. Řekneme, že funkce f je Riemannovsky integrovatelná na

Definice. Nechť k 0 celé, a < b R. Definujeme. x < 1. ϕ(x) 0 v R. Lemma [Slabá formulace diferenciální rovnice.] x 2 1

Až dosud jsme se zabývali většinou reálnými posloupnostmi, tedy zobrazeními s definičním

Přednáška 6, 6. listopadu 2013

Spojitost funkce v bodě, spojitost funkce v intervalu

3. přednáška 15. října 2007

ZÁKLADY. y 1 + y 2 dx a. kde y je hledanou funkcí proměnné x.

7. Integrální počet Primitivní funkce, Neurčitý integrál

2. Funkční řady Studijní text. V předcházející kapitole jsme uvažovali řady, jejichž členy byla reálná čísla. Nyní se budeme zabývat studiem

f dx S(f, E) M(b a), kde D a E jsou

INTEGRACE KOMPLEXNÍ FUNKCE KŘIVKOVÝ INTEGRÁL

x + F F x F (x, f(x)).

Z aklady funkcion aln ı anal yzy Kubr Milan 16. ˇ cervna 2005

1. přednáška 1. října Kapitola 1. Metrické prostory.

Jak již bylo uvedeno v předcházející kapitole, můžeme při výpočtu určitých integrálů ze složitějších funkcí postupovat v zásadě dvěma způsoby:

Učební text k přednášce Matematická analýza II (MAI055)

LINEÁRNÍ DIFERENCIÁLNÍ ROVNICE 2.ŘÁDU

je jedna z orientací určena jeho parametrizací. Je to ta, pro kterou je počátečním bodem bod ϕ(a). Im k.b.(c ) ( C ) (C ) Obr Obr. 3.5.

Zavedení a vlastnosti reálných čísel PŘIROZENÁ, CELÁ A RACIONÁLNÍ ČÍSLA

26. listopadu a 10.prosince 2016

Integrál a jeho aplikace Tomáš Matoušek

I Diferenciální a integrální počet funkcí jedné proměnné 3

Integrální počet - IV. část (aplikace na určitý vlastní integrál, nevlastní integrál)

Petr Hasil. Podpořeno projektem Průřezová inovace studijních programů Lesnické a dřevařské fakulty MENDELU v Brně (LDF)

17 Křivky v rovině a prostoru

Diferenciální počet. Spojitost funkce

Větu o spojitosti a jejich užití

NMAF061, ZS Písemná část zkoušky 25. leden 2018

+ c. n x ( ) ( ) f x dx ln f x c ) a. x x. dx = cotgx + c. A x. A x A arctgx + A x A c

Přednáška 9: Limita a spojitost

5.5 Elementární funkce

2. Pokud nedojde k nejasnostem, budeme horní a dolní součty značit pouze

1. Těleso komplexních čísel Definice. Množinou komplexních čísel rozumíme množinu R 2.

LDF MENDELU. Simona Fišnarová (MENDELU) Určitý integrál ZVMT lesnictví 1 / 26

KŘIVKOVÉ INTEGRÁLY. Křivka v prostoru je popsána spojitými funkcemi ϕ, ψ, τ : [a, b] R jako množina bodů {(ϕ(t), ψ(t), τ(t)); t

1. přednáška 1. října Kapitola 1. Metrické prostory.

I Diferenciální a integrální počet funkcí jedné proměnné 5

Úlohy krajského kola kategorie A

8. cvičení z Matematiky 2

56. ročník Matematické olympiády. b 1,2 = 27 ± c 2 25

Přehled základních vzorců pro Matematiku 2 1

Matematika 1A. PetrSalačaJiříHozman Fakulta přírodovědně-humanitní a pedagogická Technická univerzita v Liberci

A DIRACOVA DISTRIBUCE 1. δ(x) dx = 1, δ(x) = 0 pro x 0. (1) Graficky znázorňujeme Diracovu distribuci šipkou jednotkové velikosti (viz obr. 1).

Matematické metody v kartografii

Definice limit I

3.2.1 Shodnost trojúhelníků I

Přednáška 11, 12. prosince Část 5: derivace funkce

4. cvičení z Matematiky 2

rovnice 8.1 Úvod Kapitola 8

Křivkový integrál funkce

Limity, derivace a integrály Tomáš Bárta, Radek Erban

I. Diferenciální rovnice. 3. Rovnici y = x+y+1. převeďte vhodnou transformací na rovnici homogenní (vzniklou

Matematika II: Testy

Svazy. Def Svaz je algebra S ( M ;, ) = se dvěma binárními operacemi taková, že pro libovolné prvky c M platí následující podmínky axiomy svazu:

( a, { } Intervaly. Předpoklady: , , , Problém zapíšeme snadno i výčtem: { 2;3; 4;5}?

6.1. Limita funkce. Množina Z má dva hromadné body: ±. Tedy Z ={+, }.

Vzdělávací materiál. vytvořený v projektu OP VK. Název školy: Gymnázium, Zábřeh, náměstí Osvobození 20. Číslo projektu: CZ.1.07/1.5.00/34.

6. a 7. března Úloha 1.1. Vypočtěte obsah obrazce ohraničeného parabolou y = 1 x 2 a osou x.

Matice. a B =...,...,...,...,..., prvků z tělesa T (tímto. Definice: Soubor A = ( a. ...,..., ra

Souhrn základních výpočetních postupů v Excelu probíraných v AVT listopad r r. . b = A

11. přednáška 10. prosince Kapitola 3. Úvod do teorie diferenciálních rovnic. Obyčejná diferenciální rovnice řádu n (ODR řádu n) je vztah

DERIVACE A INTEGRÁLY VE FYZICE

Matematická analýza I (pro učitelské obory) Stanislav Trávníček Pavel Calábek Jaroslav Švrček

Matematická analýza II NMAI055

( a) Okolí bodu

Obsah. 1 Základy matematické logiky Typy důkazů Matematická indukce Množiny Zobrazení množin... 12

Technická univerzita v Liberci. Pedagogická fakulta. Katedra matematiky a didaktiky matematiky. Matematika I. (Obor: Informatika a logistika)

Drsná matematika III 1. přednáška Funkce více proměnných: křivky, směrové derivace, diferenciál

Matematika III. Miroslava Dubcová, Daniel Turzík, Drahoslava Janovská. Ústav matematiky

FI: JARO 2017 Verze: 9. února 2017

Přednáška 9, 28. listopadu 2014 Část 4: limita funkce v bodě a spojitost funkce

Obsah rovinného obrazce

1.1 Numerické integrování

NEWTONŮV INTEGRÁL. V předchozích kapitolách byla popsána inverzní operace k derivování. Zatím nebylo jasné, k čemu tento nástroj slouží.

Jensenova nerovnost David Hruška

Věta (princip vnořených intervalů). Jestliže pro uzavřené intervaly I n (n N) platí I 1 I 2 I 3, pak

Derivace funkce. Přednáška MATEMATIKA č Jiří Neubauer

Předpoklady: a 1, a 0, f spojité na intervalu I, a 1 0 na I. Vydělením a 1 (x) dostaneme LDR ve tvaru (p, q spojité):

Projekty - Úvod do funkcionální analýzy

Petriho sítě PES 2007/2008. Doc. Ing. Tomáš Vojnar, Ph.D.

1.1 Existence a jednoznačnost řešení. Příklad 1.1: [M2-P1] diferenciální rovnice (DR) řádu n: speciálně nás budou zajímat rovnice typu

Komplexní čísla tedy násobíme jako dvojčleny s tím, že použijeme vztah i 2 = 1. = (a 1 + ia 2 )(b 1 ib 2 ) b b2 2.

Definice 1.1. Nechť je M množina. Funkci ρ : M M R nazveme metrikou, jestliže má následující vlastnosti:

Integrály definované za těchto předpokladů nazýváme vlastní integrály.

Transkript:

4. přednášk 22. říjn 2007 Úplné metrické prostory. Metrický prostor (M, d) je úplný, když kždá cuchyovská posloupnost bodů v M konverguje. Příkldy. 1. Euklidovský prostor R je úplný, kždá cuchyovská posloupnost reálných čísel má limitu. Úplné jsou i podprostory [2, 3] [ 5, + ). Nopk podprostory Q (0, 1] úplné nejsou. Obecněji i euklidovské prostory R n jsou úplné. 2. Z Mtemtické nlýzy II víme, že prostor C[, b] funkcí spojitých n [, b] s mximovou metrikou je úplný. Je-li totiž posloupnost (f n ) cuchyovská, splňuje stejnoměrnou Bolznovu-Cuchyovu podmínku tedy n [, b] konverguje stejnoměrně k jisté funkci f. Funkce f je n M spojitá, protože je stejnoměrnou limitou spojitých funkcí. Tedy f C(M) v supremové metrice máme lim f n = f. n 3. Vezmeme znovu spojité funkce C[, b], le teď C[, b] vybvíme integrální metrikou. Vzniklý metrický prostor není úplný. Sestrojíme cuchyovskou posloupnost, která nemá limitu. Položíme = 1, b = 1 uvážíme funkce 1 pro 1 x n 1 f n (x) = nx pro n 1 x n 1 1 pro n 1 x 1. Pk (f n ) C[ 1, 1] (f n ) je cuchyovská, protože pro m n máme d(f m, f n ) = 1 1 f m (x) f n (x) dx 1/m 1/m 1 dx = 2/m. Neexistuje všk funkce f C[ 1, 1], pro níž by f n f pro n. Tková funkce f by podle definice f n musel být n intervlu [ 1, 0) identicky rovn 1 n intervlu (0, 1] identicky rovn 1, což je pro funkci spojitou n [ 1, 1] nemožné. 4. Kompktní metrický prostor je vždy úplný (úloh 1). Nopk to obecně nepltí, R je úplný nekompktní metrický prostor. 5. Uvžme euklidovské metrické prostory R ( π/2, π/2). Bijekce f(x) = rctn(x) : R ( π/2, π/2). je homeomorfismus, f i f 1 (x) = tn(x) : ( π/2, π/2) R jsou spojitá zobrzení. Ovšem R je úplný metrický prostor, le ( π/2, π/2) nikoli. Úplnost metrického prostoru není, n rozdíl od kompktnosti, topologická vlstnost, není určen pouze otevřenými množinmi, závisí i n metrice. Nicméně se úplnost se zchovává homeomorfismem, který je v obou směrech stejnoměrně spojitý (funkce tn x není n ( π/2, π/2) stejnoměrně spojitá). Tvrzení 1.9. Úplnost metrického prostoru se zchovává následujícími opercemi. 1

1. Přechodem k uzvřenému podprostoru. 2. Obrzem stejnoměrně spojitým prostým zobrzením, pokud je i inverzní zobrzení stejnoměrně spojité. 3. Krtézským součinem. Důkz. 1. Úloh 2. 2. Úloh 3. 3. Úloh 4. Bnchov vět o pevném bodu. Pomocí úplnosti se dá o mnohých rovnicích dokázt, že v úplném metrickém prostoru mjí řešení. Typickým příkldem je rovnice x 2 = 2, která sice nemá řešení v oboru rcionálních čísel, le v širším oboru reálných čísel se díky úplnosti dokáže existence řešení. Popíšeme obecný postup, který zručuje existenci řešení jisté třídy rovnic v úplných metrických prostorech. Zobrzení f : M M metrického prostoru (M, d) do sebe je kontrhující, když pro nějké číslo q R splňující 0 < q < 1 pro kždé dv body x, y v M pltí d(f(x), f(y)) qd(x, y). Kontrhující zobrzení tedy kontrhuje, zmenšuje vzdálenost kždých dvou bodů lespoň o pevný fktor q menší než 1. Je jsné, že kontrhující zobrzení je stejnoměrně spojité. Pevným bodem zobrzení f množiny X do sebe rozumíme bod z X splňující f() =. Posloupnost (x n ) X je posloupností itercí zobrzení f : X X, když pro n = 1, 2,... pltí x n+1 = f(x n ) (x 1 X je libovolný strtovcí bod posloupnosti itercí). Vět 1.10 (Bnchov vět o pevném bodu). Kontrhující zobrzení f úplného metrického prostoru (M, d) do sebe má právě jeden pevný bod kždá posloupnost itercí (x n ) M zobrzení f k němu konverguje. Důkz. Uvžme libovolnou posloupnost itercí (x n ) kontrhujícího zobrzení f. Protože x n = f(x n 1 ) f je kontrhující s konstntou q, pro kždé n N máme odhd d(x n+1, x n ) qd(x n, x n 1 ) q 2 d(x n 1, x n 2 )... q n 1 d(x 2, x 1 ). Pomocí trojúhelníkové nerovnosti pk pro kždé k, n N máme d(x n+k, x n ) d(x n+k, x n+k 1 ) + d(x n+k 1, x n+k 2 ) +... + d(x n+1, x n ) d(x 2, x 1 )(q n+k 2 + q n+k 3 +... + q n 1 ) < d(x 2, x 1 )(q n 1 + q n + q n+1 +...) = d(x 2, x 1 )q n 1 /(1 q) 0 pro n (neboť 0 < q < 1). Posloupnost (x n ) je tedy cuchyovská. Díky úplnosti prostoru M má limitu. Ze spojitosti f pk plyne, že je pevným bodem f: = lim n x n = lim n x n+1 = lim n f(x n) = f( lim n x n) = f(). 2

Nechť, b jsou dv pevné body f. Pk d(, b) = d(f(), f(b)) qd(, b), což vynucuje d(, b) = 0 = b. Pevný bod je jediný. Dá se ukázt (úloh 5), že vět pltí i z zdánlivě slbšího předpokldu, že kontrhující je jen nějká iterce f (n) (x) = f(f(... (f(x)))) zobrzení f. Ukážeme použití Věty 1.10 při řešení diferenciálních rovnic. Zčneme jednoduchou rovnicí y (x) = y(x), kdy chceme njít funkci rovnou své derivci. Řešením této rovnice je exponenciál y(x) = exp(x) spoust dlších funkcí, jko třeb 3 exp(x + 10). Pro kždou dvojici reálných čísel, b dokonce existuje tkové řešení, že y() = b, sice y(x) = b exp(x ). Jk uvidíme, s tímto poždvkem je řešení (lokálně) jednoznčné. Pomocí Bnchovy věty o pevném bodu se dá lokální existence jednoznčnost řešení dokázt pro širokou třídu diferenciálních rovnic { y() = b ( ) y (x) = f(x, y(x)). Zde f : R 2 R je zdná funkce (prvá strn rovnice), b R jsou zdná čísl. Hledáme reálnou funkci y(x) otevřený intervl I obshující, že y(x) je n I definovná, y() = b (říkáme, že y(x) splňuje počáteční podmínku y() = b) y(x) má I derivci splňující pro kždé x I druhý vzth v (*), tj. vlstní diferenciální rovnici. Vět 1.11 (Picrdov). Pokud je f : R 2 R spojitá existuje konstnt M > 0 tková, že pro kždá tři čísl u, v, w R pltí f(u, v) f(u, w) M v w, pk kždý bod R má okolí I = ( δ, + δ), n němž má úloh (*) jednoznčné řešení y(x). Důkz. Budeme prcovt n intervlu I = ( δ, + δ) pro nějké δ > 0 n jeho uzávěru J = [ δ, + δ]. Z vlstností Riemnnov integrálu (výpočet Riemnnov integrálu Newtonovým integrálem, Riemnnův integrál jko funkce horní integrční meze) plyne, že pro spojitou funkci f je úloh (*) ekvivlentní rovnici y(x) = b + f(t, y(t)) dt, x I je-li y(x) n I řešením úlohy (*), je řešením rovnice nopk. Ukážeme, že pro dosttečně mlé δ má n intervlu I poslední rovnice tedy i úloh (*) jednoznčné řešení y(x). Prvá strn poslední rovnice definuje zobrzení A, které funkci y(x) spojité n J přiřdí funkci z(x), z(x) = A(y(x)) = b + 3 f(t, y(t)) dt.

Integrál je spojitou funkcí své horní integrční meze, tkže z(x) je n J rovněž spojitá (dokonce má n J spojitou první derivci: z (x) = f(x, y(x))). Máme zobrzení A : C[ δ, + δ] C[ δ, + δ]. Odvodíme, že A má pro dosttečně mlé δ jednoznčný pevný bod y. Pro tento účel vybvíme C[ δ, + δ] mximovou metrikou d(, ), čímž dostneme úplný metrický prostor (viz příkld 2), použijeme Větu 1.10. Uvidíme, že pro dosttečně mlé δ je A kontrhující. Nechť y(x) z(x) jsou dvě funkce z C[ δ, + δ]. Pk d(a(y), A(z)) = mx = mx = mx mx mx mx = mx A(y)(x) A(z)(x) f(t, y(t)) dt f(t, z(t)) dt (f(t, y(t)) f(t, z(t))) dt f(t, y(t)) f(t, z(t)) dt M y(t) z(t) dt M mx y(t) z(t) dt t J Md(y, z) dt = Mδ d(y, z). Zvolíme-li δ 1 2M, máme d(a(y), A(z)) 1 2d(y, z) pro libovolné dvě funkce z C[ δ, + δ] zobrzení A je kontrhující. Podle Věty 1.10 má jednoznčný pevný bod Vět 1.11 je dokázán. Když reálná funkce dvou proměnných f(u, v) splňuje pro nějkou konstntu M > 0 n množině D R 2 podmínku Věty 1.11, to jest (u, v), (u, w) D : f(u, v) f(u, w) M v w, řekneme, že f je n D lipschitzovská nebo že n D splňuje Lipschitzovu podmínku (v druhé proměnné). Funkce f(u, v) = v z úvodního příkldu je lipschitzovská n celém R 2, třeb s konstntou M = 1. Funkce b exp(x ) je proto pro kždé dvě čísl, b R jednoznčným lokálním řešením diferenciální rovnice y() = b, y (x) = y(x). Podmínk lipschitzovskosti n celém R 2 je zbytečně silná v prxi čsto není splněn. Stčí všk její lokální splnění. Dokžte si (úloh 7), že Vět 1.11 pltí i z slbšího předpokldu lokální lipschitzovskosti. 4

Úlohy 1. Dokžte, že kompktní metrický prostor je úplný. 2. Dokžte, že podmnožin úplného metrického prostoru indukuje úplný podprostor, právě když je uzvřená. 3. Dokžte, že když f : M N je bijekce mezi metrickými prostory, přičemž f i f 1 je stejnoměrně spojité zobrzení, pk je prostor M úplný, právě když je prostor N úplný. 4. Krtézský součin dvou úplných metrických prostorů je úplný. 5. Ukžte, že zobrzení úplného metrického prostoru do sebe, jehož nějká iterce je kontrhující, má jediný pevný bod. 6. Dokžte pomocí Bnchovy věty o pevném bodu, že polynom x 2 2 má v R kořen. Jk bude vypdt posloupnost itercí konvergující k 2? Návod: grf funkce x 2 2 proximujte tečnou. 7. Nechť D R 2 je otevřená množin, (, b) D f : D R je spojitá funkce, která je n D lipschitzovská ve druhé proměnné. Pk má diferenciální rovnice (*) lokálně jednoznčné řešení. 5