Đa tạp bất biến chấp nhận được đối với một số lớp phương trình vi phân

MÐ †U 1. Têng quan v· h÷îng nghi¶n cùu v  lþ do chån · t i C¡c ph÷ìng tr¼nh vi ph¥n ti¸n hâa n£y sinh tø c¡c h» thèng tü nhi¶n, kÿ thuªt a d¤ng, nh÷ l  h» khu¸ch t¡n, h» xû lþ t½n hi»u, h» sinh th¡i qu¦n thº,... B¬ng c¡ch chån khæng gian v  to¡n tû th½ch hñp, c¡c ph÷ìng tr¼nh â câ thº vi¸t d÷îi d¤ng ph÷ìng tr¼nh vi ph¥n trøu t÷ñng vîi c¡c to¡n tû t¡c ëng trong khæng gian Banach. X²t ph÷ìng tr¼nh d÷îi d¤ng trøu t÷ñng trong c¡c khæng gian h m têng qu¡t cho ph²p sû döng nhúng ph÷ìng ph¡p mîi düa tr¶n nhúng ph¡t triºn g¦n ¥y cõa to¡n håc º t¼m hiºu nhúng v§n · mang t½nh b£n ch§t cõa nghi»m ph÷ìng tr¼nh â. Luªn ¡n n y nh¬m nghi¶n cùu v  ¡nh gi¡ sü tçn t¤i c¡c a t¤p b§t bi¸n thuëc lîp ch§p nhªn ÷ñc, tø â câ thº t¼m hiºu nhúng t½nh ch§t ti»m cªn (ên ành, khæng ên ành,..) nghi»m cõa c¡c ph÷ìng tr¼nh ti¸n hâa mæ t£ c¡c h» thèng kº tr¶n khi thíi gian õ lîn thæng qua nhúng ph÷ìng ph¡p to¡n håc hi»n ¤i nh÷ l  lþ thuy¸t phê cõa to¡n tû ¤o h m ri¶ng, lþ thuy¸t nûa nhâm li¶n töc m¤nh, lþ thuy¸t c¡c khæng gian h m ch§p nhªn ÷ñc, lþ thuy¸t a t¤p b§t bi¸n, vv... B i to¡n v· sü tçn t¤i cõa a t¤p b§t bi¸n ch§p nhªn ÷ñc l  v§n · nhªn ÷ñc sü quan t¥m lîn cõa nhi·u t¡c gi£. º nghi¶n cùu sü tçn t¤i cõa a t¤p, ng÷íi ta th÷íng quan t¥m ¸n °c tr÷ng nhà ph¥n mô cõa ph¦n tuy¸n t½nh trong c¡c khæng gian h m. T½nh nhà ph¥n mô cõa ph¦n tuy¸n t½nh trong c¡c ph÷ìng tr¼nh ti¸n hâa ÷ñc tr¼nh b y trong c¡c t i li»u ([4, 20, 33, 34]). V  i·u ki»n quan trång cõa ph¦n phi tuy¸n cho sü tçn t¤i cõa a t¤p l  t½nh li¶n töc Lipschitz ·u vîi h¬ng sè Lipschitz õ nhä. Ta câ thº t¼m hiºu s¥u v§n · n y trong c¡c t i li»u tham kh£o ([2, 6, 10, 18, 29]). Tuy nhi¶n,

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ——————————- ĐINH XUÂN KHÁNH ĐA TẠP BẤT BIẾN CHẤP NHẬN ĐƯỢC ĐỐI VỚI MỘT SỐ LỚP PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN LUẬN ÁN TIẾN SĨ TỐN HỌC Hà Nội - 2018 MỤC LỤC MỤC LỤC i LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỘT SỐ KÍ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN ÁN MỞ ĐẦU Chương KHƠNG GIAN HÀM, NỬA NHĨM VÀ HỌ TIẾN HĨA 1.1 1.2 1.3 11 Khơng gian hàm 11 1.1.1 Không gian hàm Banach chấp nhận 11 1.1.2 Bất đẳng thức nón 15 Nửa nhóm liên tục mạnh, tính ổn định nhị phân mũ 16 1.2.1 Nửa nhóm liên tục mạnh 16 1.2.2 Tính ổn định nhị phân mũ 18 Họ tiến hoá, nhị phân mũ 20 Chương TÍNH HÚT CỦA ĐA TẠP BẤT BIẾN CHẤP NHẬN ĐƯỢC VÀ ỨNG DỤNG TRONG MƠ HÌNH FISHER-KOLMOGOROV 24 2.1 Nghiệm phương trình tiến hóa khơng gian E-lớp 25 2.2 Sự tồn đa tạp bất biến chấp nhận không ổn định không gian E-lớp tính hút 28 2.3 Ứng dụng mơ hình Fisher-Kolmogorov 38 Chương ĐA TẠP BẤT BIẾN CHẤP NHẬN ĐƯỢC KHÔNG ỔN ĐỊNH THUỘC E-LỚP CỦA PHƯƠNG TRÌNH TIẾN HĨA NỬA TUYẾN 45 TÍNH CĨ TRỄ i 3.1 Nghiệm phương trình tiến hóa nửa tuyến tính có trễ khơng gian E-lớp 46 3.2 Đa tạp bất biến chấp nhận khơng ổn định tính hút 54 3.3 Ứng dụng vào mơ hình Fisher-Kolmogorov 65 Chương ĐA TẠP BẤT BIẾN CHẤP NHẬN ĐƯỢC ỔN ĐỊNH ĐỊA PHƯƠNG THUỘC E-LỚP CỦA PHƯƠNG TRÌNH TIẾN HĨA NỬA 71 TUYẾN TÍNH CĨ TRỄ 4.1 Sự tồn nghiệm phương trình tiến hóa có trễ 72 4.2 Đa tạp bất biến chấp nhận ổn định địa phương thuộc E-lớp phương trình tiến hóa nửa tuyến tính có trễ 80 4.3 Ứng dụng vào mơ hình Hutchinson 84 KẾT LUẬN 89 TÀI LIỆU THAM KHẢO 91 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 96 ii LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi, hồn thành hướng dẫn PGS.TSKH Nguyễn Thiệu Huy, TS Phan Xuân Thành Tất kết trình bày luận án hoàn toàn trung thực chưa tác giả khác công bố Hà Nội, ngày 15 tháng năm 2018 T/M tập thể hướng dẫn Tác giả TS Phan Xuân Thành Đinh Xuân Khánh LỜI CẢM ƠN Luận án thực hướng dẫn khoa học PGS.TSKH Nguyễn Thiệu Huy, TS Phan Xuân Thành, người thầy vơ mẫu mực tận tình giúp đỡ đường nghiên cứu khoa học Thầy bảo tơi suốt q trình nghiên cứu, giúp tơi tiếp cận lĩnh vực tốn học đầy thú vị, tạo thử thách giúp tự học hỏi, tìm tòi sáng tạo, tơi may mắn tiếp nhận từ người thầy đáng kính Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Trong thời gian làm NCS Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, nhận nhiều tình cảm giúp đỡ từ thầy Bộ mơn Tốn bản, thầy Viện Tốn ứng dụng Tin học Tơi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy cô Nhân dịp này, bày tỏ cảm ơn chân thành đến Ban Giám hiệu, Khoa Tốn Trường Đại học Hải Phòng tạo điều kiện thuận lợi cho học tập nghiên cứu Cuối cùng, tơi xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, đồng nghiệp tồn thể bạn bè ln khuyến khích, động viên để tơi vững bước đường tốn học chọn Tác giả MỘT SỐ KÍ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN ÁN N : tập số tự nhiên R : tập số thực R+ : tập số thực không âm R− : tập số thực không dương C : tập số phức 1/p Lp (R) := u:R→R u p p |u(x)| dx = < +∞ , ≤ p < ∞ R L∞ (R) := u : R → R u ∞ = ess sup |u(x)| < +∞ x∈R L1,loc (R) := u : R → R u ∈ L1 (ω) với tập đo ω ⊂⊂ R , ω ⊂⊂ R nghĩa bao đóng ω tập compact R C := C([−r, 0], X) không gian hàm liên tục [−r, 0], r > 0, nhận giá trị X với chuẩn u C = sup u(t) t∈[−r,0] L(X), L(C, X) : khơng gian tốn tử tuyến tính bị chặn   t+1   M := f ∈ L1, loc (R+ ) sup |f (τ )|dτ < ∞ ,   t≥0 t t+1 với chuẩn f M |f (τ )|dτ := sup t≥0 t EI : không gian hàm Banach chấp nhận I X, Y : không gian Banach Cb (R+ , X) := v : R+ → X | v liên tục sup v(t) < ∞ , t∈R+ với chuẩn v Cb (R, X) Cb (R+ ,X) := sup v(t) t∈R+ := v : R → X | v liên tục sup v(t) < ∞ t∈R với chuẩn v Cb (R,X) := sup v(t) t∈R Cb ([−r, ∞), X) := v : [−r, ∞) → X | v liên tục sup t∈[−r,∞) với chuẩn v Cb := sup t∈[−r,∞) v(t) v(t) < ∞, r > MỞ ĐẦU Tổng quan hướng nghiên cứu lý chọn đề tài Các phương trình vi phân tiến hóa nảy sinh từ hệ thống tự nhiên, kỹ thuật đa dạng, hệ khuếch tán, hệ xử lý tín hiệu, hệ sinh thái quần thể, Bằng cách chọn không gian tốn tử thích hợp, phương trình viết dạng phương trình vi phân trừu tượng với tốn tử tác động khơng gian Banach Xét phương trình dạng trừu tượng khơng gian hàm tổng quát cho phép sử dụng phương pháp dựa phát triển gần toán học để tìm hiểu vấn đề mang tính chất nghiệm phương trình Luận án nhằm nghiên cứu đánh giá tồn đa tạp bất biến thuộc lớp chấp nhận được, từ tìm hiểu tính chất tiệm cận (ổn định, khơng ổn định, ) nghiệm phương trình tiến hóa mơ tả hệ thống kể thời gian đủ lớn thơng qua phương pháp tốn học đại lý thuyết phổ toán tử đạo hàm riêng, lý thuyết nửa nhóm liên tục mạnh, lý thuyết không gian hàm chấp nhận được, lý thuyết đa tạp bất biến, vv Bài toán tồn đa tạp bất biến chấp nhận vấn đề nhận quan tâm lớn nhiều tác giả Để nghiên cứu tồn đa tạp, người ta thường quan tâm đến đặc trưng nhị phân mũ phần tuyến tính khơng gian hàm Tính nhị phân mũ phần tuyến tính phương trình tiến hóa trình bày tài liệu ([4, 20, 33, 34]) Và điều kiện quan trọng phần phi tuyến cho tồn đa tạp tính liên tục Lipschitz với số Lipschitz đủ nhỏ Ta tìm hiểu sâu vấn đề tài liệu tham khảo ([2, 6, 10, 18, 29]) Tuy nhiên, mơ hình thực tế phần phi tuyến có hệ số Lipschitz phụ thuộc vào thời gian không đủ nhỏ Gần đây, cách sử dụng phương pháp Lyapunov-Perron không gian hàm chấp nhận người ta đưa điều kiện tổng quát cho phần phi tuyến tồn đa tạp tích phân (xem [23, 22, 21]), điều kiện liên tục Lipschitz khơng (tính ϕ-Lipschitz) với ϕ hàm thực dương thuộc không gian hàm chấp nhận Sự tồn đa tạp bất biến kiểu chứng minh kết PGS.TSKH Nguyễn Thiệu Huy Luận án "Đa tạp bất biến chấp nhận số lớp phương trình vi phân" nghiên cứu tồn đa tạp bất biến chấp nhận ổn định không ổn định thuộc không gian E-lớp, chứng minh tính hút đa tạp bất biến chấp nhận khơng ổn định Từ đó, áp dụng kết thu cho số mơ hình thực tế Cụ thể sau: Chúng nghiên cứu lớp phương trình tiến hóa nửa tuyến tính có dạng d u(t) = A(t)u(t) + f (t, u), dt t ∈ R, (1) phương trình tiến hóa nửa tuyến tính có trễ liên tục d u(t) = A(t)u(t) + f (t, ut ), dt t ∈ R t ∈ R+ , (2) A(t) tốn tử tuyến tính (có thể khơng bị chặn) khơng gian Banach X sinh họ tiến hóa U (t, s), phần phi tuyến f toán tử ϕ-Lipschitz; ut hàm lịch sử ut (s) = u(t + s) Một số kết ban đầu không gian hàm chấp nhận được, nhị phân mũ đa tạp bất biến chấp nhận được Nguyễn Thiệu Huy số tác giả khác nghiên cứu Luận án nhằm phát triển bổ sung kết tồn đa tạp bất biến chấp nhận phương trình để nhận kết tổng quát ứng dụng vào mơ hình hệ thống cụ thể Mục đích, đối tượng phạm vi nghiên cứu • Mục đích nghiên cứu Luận án: Việc xét tính chất nghiệm phương trình (1), (2) mang đến hiểu biết sâu sắc chất trình biến đổi vật chất theo thời gian xảy thực tế vấn đề kỹ thuật cơng nghệ Từ đưa nhận định ước lượng quy mô tính chất tương lai q trình thông qua liệu ban đầu phổ hệ thống vốn tính khứ Nghiên cứu tồn đa tạp bất biến ổn định không ổn định đưa cấu trúc hình học nghiệm phương trình vi phân nửa tuyến tính, mặt khác giúp làm đơn giản hóa nghiên cứu tính chất nghiệm đa tạp thay cho việc nghiên cứu nghiệm phương trình • Đối tượng phạm vi nghiên cứu Luận án: Các phương trình vi phân đạo hàm riêng; Đa tạp bất biến chấp nhận ổn định không ổn định phương trình (1), (2) tính hút đa tạp không ổn định Phương pháp nghiên cứu Trong Luận án, sử dụng phương pháp sau: • Sử dụng phương pháp lý thuyết nửa nhóm giải tích (Analytic Semigroup) khái niệm nghiệm đủ tốt để xây dựng họ tiến hóa biểu diễn nghiệm phương trình kể • Sử dụng lý thuyết đặt chỉnh tốn khơng ơ-tơ-nơm tuyến tính • Lý thuyết không gian hàm chấp nhận được, lý thuyết nhiễu tuyến tính phi tuyến hệ động lực vô hạn chiều Lý thuyết đa tạp bất biến thông thường đa tạp chấp nhận u(·) nghiệm phương trình (4.4) [−r + t, ∞) thỏa mãn P (t)ut = φ χ[t,∞) ut ∈ Bρ ⊂ E(R+ , C) (Chú ý tồn nghiệm u(·) suy Định lý 4.1.4) Mặt khác, định nghĩa hàm Green G (xem phương trình (1.8)) có Φt (φ) ∈ KerP (t) Tiếp theo chứng minh đa tạp S thỏa mãn điều kiện Định nghĩa 4.2.1 Trước tiên, chứng minh Φt0 liên tục Lipschitz địa phương với số Lipschitz không phụ thuộc vào t0 Thật vậy, với φ ∈ Bl ∩ ImP (t0 ) có ∞ Φt0 (φ)(θ) e−ν|t0 −θ−τ | ϕ(τ ) uτ ≤ N (1 + H) t0 C dτ ∞ e−ν|t0 −τ | ϕ(τ ) uτ νr ≤ N (1 + H)e t0 ≤ N (1 + H)eνr hν u E ≤ E C dτ ρ với θ ∈ [−r, 0].(4.11) Do Φt0 (φ)(·) ∈ Bρ/2 ⊂ Bρ Hơn nữa, với φ1 φ2 thuộc Bl ∩ ImP (t0 ) có ∞ Φt0 (φ1 )(θ) − Φt0 (φ2 )(θ) e−ν|t0 −θ−τ | ϕ(τ ) uτ − vτ ≤ N (1 + H) C dτ t0 ∞ ≤ N (1 + H) ϕ(τ ) uτ − vτ C dτ t0 ≤ N (1 + H) ϕ E u − v E (4.12) Hơn nữa, theo phương trình Lyapunov-Perron u(·) v(·) (xem phương trình (4.5)) có u−v E ≤ N eνr e−ν(t−t0 ) φ1 − φ2 C + N (1 + H)eνr hν (t) u − v E với t ≥ t0 Bởi tính chất lưới Banach E e−ν(t−t0 ) = Tt+0 eν (t), đạt u−v E ≤ N eνr Tt+0 eν E φ1 − φ2 C + N (1 + H)eνr hν E u−v ≤ N N1 eνr eν E φ1 − φ2 C + N (1 + H)eνr hν E u − v E 82 E Điều suy u−v E N N1 eνr eν E ≤ − N (1 + H)eνr hν φ1 − φ2 C E Thay bất đẳng thức vào (4.11) thu Φt0 (φ1 ) − Φt0 (φ2 ) C N (1 + H)N1 eνr eν E ϕ ≤ − N (1 + H)eνr hν E E φ1 − φ2 C Do đó, Φt0 liên tục Lipschitz với số Lipschitz N (1 + H)N1 eνr eν E ϕ k := − N (1 + H)eνr hν E E (4.14) Γ := {λ ∈ C : |λ| = 1} Đặt A(t) := a(t)A, ta có họ (A(t))t≥0 sinh họ tiến hóa U (t, s)t≥s≥0 định nghĩa công thức U (t, s) = T( t s a(τ )dτ ) Bởi (4.14) có nửa nhóm giải tích (T(t))t≥0 hyperbolic (hoặc có nhị phân mũ) với phép chiếu P thỏa mãn T(t)x ≤ N e−βt x với x ∈ P X, t ≥ 0, T(−t)| x = (T(t)| )−1 x ≤ N e−βt x với x ∈ KerP, t ≥ 0, tốn tử khả nghịch T(t)| hạn chế T (t) KerP N , β số dương 85 Sử dụng tính chất hyperbolic (T(t))t≥0 suy họ tiến hóa U (t, s)t≥s≥0 có nhị phân mũ với phép chiếu P (t) = P với t ≥ số nhị phân N ν := βγ0 thỏa mãn ước lượng sau: U (t, s)x ≤ N e−ν(t−s) x với x ∈ P X, t ≥ s ≥ 0, U (s, t)| x ≤ N e−ν(t−s) x với x ∈ KerP, t ≥ s ≥ Sau định nghĩa hàm f : R+ ×C → X f (t, ϕ) := ψ(t)(δ−1 ϕ)(1+ ϕ) với ϕ ∈ C := C([−1, 0], X) δ−1 hàm Dirac delta tập trung −1,   d u(·, t) = A(t)u(·, t) + f (t, ut (·, θ)), dt u (·, θ) = φ(·, θ) ∈ C Hơn nữa, f (t, ut (·, θ)) − f (t, vt (·, θ)) = ψ(t) ut (·, θ)(1 + u(·, t)) − vt (·, θ)(1 + v(·, t)) = ψ(t) ut (·, θ) − vt (·, θ) + ut (·, θ)u(·, t) − vt (·, θ)u(·, t)+ + vt (·, θ)u(·, t) − vt (·, θ)v(·, t) ≤ ψ(t)( ut (·, θ) − vt (·, θ) + ut (·, θ)u(·, t) − vt (·, θ)u(·, t) + + vt (·, θ)u(·, t) − vt (·, θ)v(·, t)) ≤ (1 + 2ρ)ψ(t) sup ut − vt với ut , vt ∈ Bρ θ∈[−1,0] Chọn ψ(t) := be−αt với t ∈ R+ , với số α > ν, b > Đặt ϕ(t) = (1 + 2ρ)ψ(t) với t ∈ R+ thấy ϕ ∈ Lp (R+ ) với ≤ p < +∞ ∞ ϕ Lp e−pαt dt = (1 + 2ρ)b p = (1 + 2ρ)b αp Tiếp theo, chứng minh hàm ∞ hν (t) = e −pν|t−τ | p ϕ (τ )dτ 86 p với t ∈ R+ p thuộc Lq với q thỏa mãn 1 + = Thật vậy, với t ≥ tính p q p ∞ hν (t) = e −pν|t−τ | p ϕ (τ )dτ = e t ((1 + 2ρ)be −ατ p ) dτ +∞ e−pν|t−τ | e−αpτ dτ + −pνt e = (1 + 2ρ)b −pαt e + p(α + ν) p p 1 + = q p ∞ Lq e−pν|t−τ | e−αpτ dτ t −pαt −e p(α − ν) Do đó, hν ∈ Lq (R+ ) với hν −pν|t−τ | = (1 + 2ρ)b p ∞ = (hν (t))q dt q 2α ≤ (1 + 2ρ)b p(α + ν)(α − ν) p q νq (4.15) Theo Định lý 4.2.2, (1 + 2ρ)bN (1 + H)eνr νq q N N1 (1 + 2ρ)bN (1 + H)eνr αp νq q p + 2α p(α + ν)(α − ν) 2α p(α + ν)(α − ν) p < p