Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Методичка ДЕРКАЧА

.pdf
Скачиваний:
36
Добавлен:
13.04.2015
Размер:
973.11 Кб
Скачать

Глава 6

Оператор Штурма-Лиувилля

Пусть q = q Lloc(a, b), (b ≤ ∞). Рассмотрим дифференциальное выражение Штурма-Лиувилля

d2

 

L = dx2 + q è q = q Lloc(R+)

(0.1)

и симметрический оператор, определяемый на функциях y C0(a, b) равенством

(L0y)(x) = −y00(x) + q(x)y(x).

Здесь C0(a, b)

пространство C-гладких функций с финитными носителями в

(a, b). Всюду в

дальнейшем Lloc1 (a, b) (Lloc(a, b)) обозначает множество функций,

которые принадлежат L1(α, β) (L(α, β)) äëÿ âñåõ α, β

 

(a, b). Аналогично, L1 [a, b)

 

 

loc

(Lloc[a, b)) обозначает множество функций, которые принадлежат L1(a, β) (L(a, β))

äëÿ âñåõ β (a, b).

2

(a, b)

определим минимальный Lmin, как замыкание

В пространстве

L

оператора L0, и максимальный оператор Lmax, полагая

 

Lmax = L dom (Lmax)

dom (Lmax) = {f L2(R+) : Lf L2(R+)}

(0.2)

è Lf понимается в смысле теории распределений.

EXE:13.1002

Предложение 6.0.19. Lmin = Lmax.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Доказательство. Вложение

L

max

 

L

очевидно. Пусть h

 

dom L

, ò.å.

 

 

2

 

 

 

min

 

 

min

 

 

существует функция f L

(a, b), такая что

 

 

 

 

 

 

 

b

 

 

 

 

b

 

 

 

 

 

 

 

 

Za

 

 

 

Za

f(x)

 

dx y C0(a, b).

 

 

 

 

h(x)(Ly)(x)dx =

y(x)

 

 

(0.3)

Последнее означает, что Lh = f в смысле распределений, и следовательно, h

dom Lmax. 2

E:100.13

E:13.11a

E:13.11c

131

132

ГЛАВА 6. ОПЕРАТОР ШТУРМА-ЛИУВИЛЛЯ

 

Функцию y(x) будем называть решением уравнения

 

 

 

l(y) = f(x), x [a, b],

 

 

 

(0.4)

144

 

 

в котором f

 

L1

(a, b), åñëè y, y0

 

AC[α, β] для любого компактного подинтервала

 

 

 

loc

 

 

144

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

[α, β] (a, b), и равенство

(0.4)

справедливо почти всюду.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Naj69

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lem:11.2

Лемма 6.0.20.

 

[10, Теорема 16.2] Пусть q, f Lloc1 (a, b), y0, y1 C, x0 (a, b). Тогда

 

 

 

 

 

задача Коши

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l(y) = f,

 

y(x0) = y0,

y0(x0) = y1

 

 

(0.5)

 

 

имеет единственное решение

y

в указанном выше смысле. Если к тому же

q, f

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Lloc[a, b), то утверждение Леммы верно и при x0 = a.

 

 

 

 

 

Теорема 6.0.21 (о регулярности). Пусть q

 

L(a, b). Тогда справедливо

 

T:13.10

 

 

соотношение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

loc

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dom (Lmax) Wloc2,2(a, b).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(0.6)

 

 

Åñëè ê òîìó æå q Lloc[a, b), òî dom (Lmax) Wloc2,2[a, b).

 

 

 

 

 

Доказательство. Òàê êàê C(

R+

) плотно в H0 = dom (L

min

) (по норме графика),

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

то равенство L h = f эквивалентно соотношению

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(h, Ly) = (f, y) y C0(R+),

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E:13.11c

 

 

 

 

 

 

 

 

то есть справедливо равенство (

 

0.3) äëÿ âñåõ y C0(R+), èëè

 

 

 

 

 

 

 

145

E:13.11b

ZZ

 

 

 

 

 

dx, y C0(R+).

 

 

h(x)y00(x)dx =

[f(x) − q(x)h(x)]

y(x)

(0.7)

E:13.12

0

 

 

0

 

 

 

 

Положим

 

 

Z

 

F (x) := (x − t)[f(t) − q(t)h(t)]dt,

E:13.12

0

и проинтегрируем в (0.7) дважды по частям. Получим

Z

y C0(R+).

[f(x) − F (x)]y0(x)dx = 0,

0

E:13.14

Из равенства (0.9) следует, что вторая обобщенная производная функции

(0.8) E:13.13

(0.9) E:13.14

[f(x) −

F (x)] равна нулю. Но все обобщенные решения ОДУ n-го порядка со старшим

коэффициентом, равным 1 являются классическими (этот же результат вытекает

E:4.11a

из леммы ??). Поэтому

 

 

E:13.13

 

f(x) = F (x) + ax + b,

a, b C+.

(0.10)

E:13.14a

 ñèëó

 

2,2

 

 

 

2

(R+). Утверждение теоремы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(0.8) F (·) Wloc (R+)

 

(f − qh) Lloc

 

 

 

 

 

E:13.14a

, òàê êàê

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

вытекает теперь из

(0.10). 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

133

 

 

 

lem:11.2

 

 

 

 

 

u dom Amax корректно

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В силу Леммы

6.0.20 для функции

определены

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

значения u(x), u0(x). Обозначим Вронскиан функций u è

 

через

 

 

v

 

 

 

[u, v]x = u0((x))

 

 

 

(u, v dom Amax)

(0.11) 142

 

v0((x))

 

 

 

 

 

u x

v x

 

 

 

 

 

 

b

:= [u, v]b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и положим [u, v]a

[u, v]a.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lem:11.1 Лемма 6.0.22. Пусть q L1loc(a, b). Для любых u, v dom Lmax тождество Лагранжа

(Lu, v) − (u, Lv) = [u, v]βα.

142

Доказательство. Действительно, дифференцируя (0.11), получим

dxd [u, v]x = u(x)v00(x) − u00(x)v(x) = Lu(x)v(x) − u(x)Lv(x).

143

Интегрируя это равенство по (α, β), получим (0.12). 2

lem:11.4 Лемма 6.0.23. Пусть q L1loc(a, b). Тогда для всех u, v dom Lmax предел

[u, v]= lim [u, v]β.

β→∞

справедливо

(0.12) 143

существует

(0.13) 1410

 

Доказательство. Для произвольных α, β (a, b) справедливо равенство (

 

143

 

 

 

 

 

 

 

0.12)

 

 

β

 

 

 

β

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Zα

 

 

dx − Zα

 

 

 

 

 

 

 

 

(Lu)(x)

v(x)

u(x)(Lv)(x)dx = [u, v]β − [u, v]α.

(0.14)

eq:13.1

 

 

 

 

 

Òàê êàê u, v, Lu, Lv L2(a, b), то существует предел (

 

145

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0.5). 2

 

 

 

 

 

Lloc1 (a, b). Область определения оператора

 

Lmin

 

cor:defLmin

Следствие 6.0.24. Пусть q

 

 

 

задается условиями

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dom (Lmin) = {f dom Lmax : [f, u]b − [f, u]a = 0 u dom Lmax}.

 

 

 

(0.15)

eq:13.3

6.0.1Регулярный случай

Предположим,eq:13.3что потенциал q удовлетворяет условию q L(a, b). В этом случае условия (0.15) значительно упрощаются.

lem:regLmin Лемма 6.0.25. Пусть q L(a, b). Тогда области определения операторов Lmax, Lmin задаются равенствами

dom Lmax = W 2,2(a, b);

dom (Lmin) = {f W 2,2(a, b) : f(a) = f0(a) = f(b) = f0(b) = 0}.

cor:11.3

rem:11.1

lem:Lmin

134

 

 

 

 

 

 

 

ГЛАВА 6. ОПЕРАТОР ШТУРМА-ЛИУВИЛЛЯ

 

 

 

Доказательство. Включение dom Lmax

W 2,2(a, b) следует из Теоремы

 

T:13.10

 

 

 

 

 

 

 

 

6.0.21.

 

 

 

 

 

 

 

Обратное включение обеспечивается условием q

 

L(a, b).

 

 

 

 

 

 

Рассмотрим

 

2,2

 

 

u1, u2 W

2,2

(a, b)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b è

 

 

 

 

 

 

 

 

финитные в окрестности точки

 

 

 

 

 

 

функции

 

 

 

 

 

 

 

 

 

функции v1, v2 W

 

 

(a, b)

финитные в окрестности точки a и удовлетворяющие

 

 

 

условиям

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u1(a) = 1, u2(a) = 0, v1(b) = 1, v2(b) = 0,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u10 (a) = 0, u20 (a) = 1,

 

v10 (b) = 0,

v20 (b) = 1.

(0.16)

 

eq:13.2

Тогда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

eq:13.3

[f, u1]b = [f, u2]b = 0, [f, v1]a = [f, v2]a = 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и из условий

 

(0.15) получим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f(a) = [f, u2]a = 0, f(b) = [f, v2]b = 0,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f0(a) = [f, u1]a = 0, f0(b) = [f, v1]b = 0

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Следствие 6.0.26. Совокупность

 

 

 

−y0(0(b)

, H = C2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0y = y(b) , 1y =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y(a)

 

 

 

y

 

a)

 

 

 

 

 

 

(0.17)

 

149

 

образует граничную тройку для оператора L.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lem:regLmin

 

 

 

cor:11.3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Замечание 6.0.27.

Утверждения Леммы

6.0.25 и Следствия

 

6.0.31 остаются в силе

 

 

 

äëÿ q L1(a, b) (ñì.

Naj69

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

[10, Теорема 16.2]).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6.0.2Случай одного сингулярного конца

Приведем описание области определения минимального оператора в случае, когда (a, b) = (0, ∞) è q Lloc[0, ∞), ò.å. q L(0, b) äëÿ âñåõ b > 0.

Лемма 6.0.28. Пусть q

 

L

[0,

). Тогда для всех f

 

dom L

max

è b > 0 χ

[0,b]

f

 

W 2,2(0, b) è

 

 

loc

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dom (Lmin) = {f dom Lmax : f(0) = f0(0) = 0, [f, u]= 0 u dom Lmax}.

 

 

Доказательство. Включение χ[0,b]f W 2,2(0, b) следует из Теоремы

 

T:13.10

 

 

 

 

 

 

 

6.0.21.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пусть

 

u , u.2

 

W 2,2

,

∞)

 

функцииeq:13.3 финитные вблизи

и удовлетворяющие

 

 

 

eq:13

(0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

условиям

 

(0.16). Тогда из условий (

0.15) получим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f(0) = [f, u2]0 = 0, f0(0) = [f, u1]0 = 0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

eq:13.3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 ñèëó

(0.15) это доказывает утверждение. 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

135

T:13.11 Теорема 6.0.29 (Вейля). Пусть q = q L1loc(R+). Тогда n+(L) = n(L) è n±(L) ≥

1, т.е. уравнение

Ly = −y00 + q(x)y = λy

(0.18)

E:13.15

при каждом λ C\R имеет по крайней мере одно решение, принадлежащее L2(R+).

Доказательство. Так как оператор L коммутирует с инволюцией комплексногосопряжения, то n+(L) = n(L) = n. Далее, по 1-й формуле Неймана получим

 

 

2n = n+(L) + n(L) = dim (dom Lmin/dom Lmin) .

(0.19)

E:13.17

Осталось заметить, что dim (dom L

/dom L

)

2, так как для функций u

, u

 

 

 

2,2

min

lem:Lmin

min

 

 

1

 

2

W

(0, ∞) из доказательства Леммы

 

 

 

 

 

 

 

6.0.28 имеем

 

 

 

 

 

 

span {u1, u2} dom Lmin \ dom Lmin.

2

lem:11.4

cor:11.3

Таким образом, в случае одной сингулярной точки индексы дефекта оператора Lmin либо равны 1, либо равны 2. Исследуя множества m-функций, соответствующих

различным самосопряженнымWeyl22 граничным условиям в правом конце b, Г.Вейль обнаружил в [?], что они представляют собой некоторые окружности, вложенные друг в друга при возрастании b. При этом в случае n±(Lmin) = 1 они сходятся к точке,

называемой "предельной точкой Вейля", а в случае n±(Lmin)LPLC= 2 к окружности, называемой "предельной окружностью Вейля"(см. параграф ??).

Лемма 6.0.30. Åñëè n±(Lmin) = 1, òî äëÿ âñåõ u, v dom Lmax существует предел

 

 

 

 

[u, v]= lim [u, v]β = 0

(0.20)

1410

è

 

 

 

 

β→∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dom Lmin = {f dom Lmax : f(0) = f0(0) = 0 }.

 

 

 

(0.21)

1411

Доказательство. Òàê êàê

 

n±(Lmin) = 1, òî

dim (dom Lmin/dom Lmin) =

2, è,

 

 

следовательно, всякая функция f dom Lmax представима в виде

 

 

 

 

 

 

 

u = u0 + C1u1 + C2u2,

 

 

 

ãäå u0 dom Lmin, u1, u2

 

eq:13W.2 2,2(0, ∞) функции финитные вблизи

è

 

 

 

 

 

удовлетворяющие условиям (

 

 

Тогда

[u0, v]= 0 äëÿ âñåõ v dom Lmax â ñèëó

 

 

 

0.16).

 

 

 

lem:Lmin

 

 

 

 

 

Леммы

6.0.28 è

 

 

[u1, v]= [u2, v]= 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

по построению. Следовательно, [u, v]= 0 äëÿ âñåõ v dom Lmax. 2

 

 

 

Следствие 6.0.31. Совокупность

 

 

 

 

 

 

 

0y = y(0), 1y = y0(0),

H = C

 

 

 

 

 

(0.22)

149

 

образует граничную тройку для оператора Lmax.

V:1.1

V:1.2

V:1.2

V:1.3

136

ГЛАВА 6. ОПЕРАТОР ШТУРМА-ЛИУВИЛЛЯ

6.0.3Полуограниченный потенциал

В случае потенциала, полуограниченного снизу, теорему можно дополнить

 

 

 

 

−y00

+ q(x)y = λy

 

 

 

 

(0.23)

 

W:1.1

 

Определение 6.0.32. Åñëè n±(L)

=

1,

 

 

 

 

 

 

 

W:1.1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

òî

решением

Вейля

уравнения

 

(0.23)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

yλ

называют единственное (с точностью до пропорциональности) решение

L2(R+).

 

 

 

 

 

 

 

 

W:1.1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определение 6.0.33. Говорят,

÷òî

 

äëÿ

уравнения

 

 

(0.23)

имеет

место

 

 

 

 

 

 

 

 

квазирегулярный случай, если при каждом

λ C это уравнение имеет два

решения из L2(R+).

 

 

 

 

 

Следствие 6.0.34.

 

ÅñëèW:1.1

n±(L)

= 2, òî

2ρ(L) = C и для каждого λ C âñå

 

 

 

 

 

 

 

 

решения уравнения

 

(0.23) принадлежат L (R+). При этом резольвента каждого

 

самосопряженного расширения является

оператором Гильберта - Шмидта.

 

 

 

 

 

 

b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Предложение 6.0.35. Пусть q ≥ c, тогда

(i)n±(L) = 1,

(ii)Ïðè λ (−∞; c) существует и единственно (с точностью до пропорциональности) решение yλ L2(R+),

(iii)Ïðè λ (−∞; c) решение Вейля y(·) & 0 ïðè x −→ ∞.

Доказательство.

(i) Пусть λ (−∞; c). Тогда qλ

= q(x) − λ ≥ 0. Пусть u(x, λ) решение следующей

 

задачи Коши

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−u00 + qλ(x)u = 0,

 

u(0, λ) = 1,

u0(0, λ) = α > 0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(0.24)

W:1.2

 

 

 

 

 

 

 

W:1.2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Интегрируя задачу

 

(0.24), придем к уравнению

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u(x, λ) = 1 + αx + Z0

(x − t)qλ(t)u(t, λ)dt.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(0.25)

W:1.3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решая

2

 

 

W:1.3

 

 

 

 

 

 

 

V:1.2

 

 

 

 

 

u(x, λ) ≥ 1

, следовательно

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

уравнение

(0.25) методом Пикара, получим, что

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u(·, λ) / L (R+). Согласно W:1.3

 

 

 

 

 

 

 

n±(L) = 1

 

 

 

 

u(x, λ) % ∞

ïðè

 

x

 

. Действительно из

следствию

6.0.34

 

 

 

 

. Более того,

 

1 + αx

 

 

% ∞

(0.25) следует, что u0(x, λ) > 0 è u(x, λ)

−→ ∞

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(iii) Òàê êàê u(·, λ) не имеет нулей при λ (−∞; c), то в силу теоремы Штурма

 

решение Вейля yλ(·) имеет не более одного нуля на R+. Значит, существует a > 0

 

такое, что yλ(x) > 0 ïðè x > a. Но тогда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

yλ00(x) = qλ(x)yλ(x) ≥ 0,

x > a.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Отсюда вытекает, что

y0

(x)

0 ïðè x > a. Действительно, если y0

(x

) > 0, òî

 

y0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

λ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. Тогда y0

 

 

 

λ

0

 

 

 

 

 

 

 

(x) > 0 ïðè x

 

x

 

и, значит y

 

(x)

% ∞

(x) < 0 ïðè x

 

a è y

(

)

 

λ

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

λ

 

 

 

2

λ

 

 

 

 

 

 

 

λ

·

 

 

монотонно убывает и, значит, yλ(x) & 0, ò.ê. yλ(·) L

 

(R+) 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

137

V:1.4 Следствие 6.0.36. Пусть q ≥ 0 ïðè x ≥ 0. Тогда каждое решение уравнения

 

−y00 + q(x)y = 0

(0.26) W:1.4

удовлетворяет одному из соотношений

(i)y(x) −→ ∞ ïðè x −→ ∞,

(ii)y(x) −→ 0 ïðè x −→ ∞. При этом, решение, удовлетворяющее условию (ii)

существует и единственно (с точностью до пропорциональности) и совпадает с решением Вейля.

ДоказательствоV:1.3. Пусть y1(·) -

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

W:1.4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

решение Вейля уравнения (

0.26). Â ñèëó

 

ïðè

 

 

. В силу того же предложения

 

 

 

 

 

 

 

предложения 6.0.38[(iii)] y1(x) −→

0

x

−→ ∞

W:1.4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

·

 

 

 

 

 

 

%

 

ïðè x

−→ ∞

òàê

существует решение y2(

) уравнения (0.26) такое, что y2(x)

 

 

 

 

 

êàê y1 è y2 линейно независимы, то общее решение уравнения (

 

W:1.4

 

 

 

 

 

 

0.26) имеет вид

 

 

 

 

 

 

y(x) = c1y1(x) + c2y2(x),

 

 

 

 

 

 

 

 

 

поэтому y(x) −→ 0 в точности тогда, когда c2 = 0. Åñëè æå c2 6= 0, òî y(x) −→ 0 ïðè

x −→ 0 2

V:1.5 Теорема 6.0.37. (Титчмарша - Сиерса) Пусть q(·) удовлетворяет условию q(x) ≥

−h(x), h(x) ≥ δ > 0, x R+ è

 

h(x) = +∞.

(0.27) W:1.4a

Z

 

 

dx

 

 

0

p

 

 

 

 

 

 

 

 

Если к тому же выполнено хотя бы одно из двух условий

(i)h(·) не убывает,

(ii)h C1(R+) è |hh3/0(2x(x) ) | ≤ c < ∞, x R+,

òî n±(L) = 1.

V:1.3 ОпределениеW:1.61.0.38. Пусть n±(L) = 1. Обозначим через uθ(x, λ), v(x, λ)- решение уравнения (0.23), удовлетворяющие начальным условиям

 

 

 

u(0, λ) = 1,

u0(0, λ) = θ,

 

 

 

 

 

 

v(0, λ) = 0,

v0(0, λ) = 1.

 

 

 

2

±(

 

) = 1

θ

 

λ

( W:1.1

θ

(λ)u(x, λ)

Òàê êàê n

 

L

, то найдется функция m

(λ) : y

 

(x, λ) = v x,

λ) + m

 

L (R+). Функцию mθ(·) называют функцией Вейля уравнения

 

 

 

 

 

 

 

(0.23).

 

 

 

 

 

 

 

138 ГЛАВА 6. ОПЕРАТОР ШТУРМА-ЛИУВИЛЛЯ

W:1.1

Пусть ϕ è ψ- решение уравнения (0.23), удовлетворяющие начальным условиям

ϕ(0, λ) = sin α, ϕ0(0, λ) = − cos α, ψ(0, λ) = cos α, ψ0(0, λ) = sin α. (0.28) W:1.5

Åñëè n±(L) = 1, то по теореме Вейля существует (единственное с точностью до пропорциональности) решение y(x, λ) = yλ(x) L2(R+). Тогда найдутся функции

c1(λ), c2(λ) такие, что

 

 

 

 

 

 

 

yλ(x) = c1(λ)ψ(x, y) + c2(λ)ϕ(x, λ) L2(R+).

 

(0.29)

W:1.6

 

 

Óïð. 6.0.39.

 

 

 

 

 

e

 

 

 

 

c1(λ)c2(λ) 6= 0,

 

λ C\R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Доказать, что

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Поэтому,

 

пологаяW:1.6 yλ := c−1(λ)yλ(x), m(λ) :=

 

 

 

c−1(λ)c2(λ).

 

 

 

 

 

Запишем

 

(0.29)

â âèäå

1

 

 

e

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

yλ(x) = ψ(x, λ) − m(λ)ϕ(x, λ) L2(R+).

 

 

(0.30)

W:1.7

 

 

 

 

 

 

n±(L) =

1, тогда для

 

âñåõ λ1, λ2

C\R справедливо

 

 

 

V:1.6

Лемма 6.0.40. Пусть

 

 

 

 

соотношение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xlim {y(x, λ1), y(x, λ2)} = 0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−→∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Доказательство. Пусть yj(x) := y(x, λj), j {1, 2}, тогда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−yj00(x) + q(x)yj(x) = λjyj(x),

 

 

 

 

j {1, 2}.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(0.31)

W:1.8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

W:1.8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Умножая первое уравнение (

 

0.31) íà y2, а второе на y1, вычитая первое

 

 

 

 

 

 

 

 

 

уравнение из второго и интегрируя, получаем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Z0

[y10 (t)y2(t) − y1(t)y2(t)]0dt = (λ1 − λ2) Z0

y1(t)y2(t)dt.

 

 

 

 

(0.32)

W:1.9

 

 

 

 

 

 

 

 

Òàê êàê y1, y2 L2(R+), òî y1y2 L1(R+)W:1, следовательно.9

ïðè x −→ ∞ существует

 

 

 

предел правой, а

 

значит и левой части в (

0.32).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

W:1.9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Записывая

 

(0.32) â âèäå

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

W {y1, y2}(x) − W {y1, y2}(0) = (λ1 − λ2) Z0

y1(t)y2(t)dt

 

 

 

 

 

Заключаем, что существует предел

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x−→∞

W

{

1

, y

2}

(x) = W

{

1

, y

2

}

(0) + (λ

2

1

Z0

1

2

(t)dt

 

 

 

 

 

 

lim

 

 

y

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

λ

)

 

y

(t)y

(0.33)

W:1.10

 

Òàê êàê n±(L) = 1. то по лемме

 

V:1.6

 

 

 

 

 

 

W:1.10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6.0.40, предел в

 

(0.33) равен нулю. 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

139

 

Следствие 6.0.41. В условиях леммы

 

V:1.6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V:7

 

6.0.40 справедливо тождество

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

λ2 − λ1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Z0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y(x, λ

)y(x, λ

)dx =

m(λ2) − m(λ1)

.

 

(0.34)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

W:1.5

 

 

 

W:1.6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Доказательство. Из начальных условий

 

(0.28) è

 

(0.29) получаем

 

 

 

 

 

 

 

 

W {y1, y2}(0) = [cos α − m(λ1) sin α][sin α + m(λ2) cos α]−

 

(0.35)

 

 

 

− [cos α − m(λ2) sin α][sin α + m(λ1) cos α] = m(λ2) − m(λ1).

 

 

 

 

W:1.11

 

 

W:1.10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xlim

W {y1, y2}(x) = 0,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Объединяя

(0.35) è

 

(0.33), учитывая, что

 

 

 

приходим к

 

 

W:1.11

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−→∞

 

 

 

 

 

 

 

равенству

(0.35). 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−y00 + q(x)y − λy = f.

 

(0.36)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(y0

(1)

h1y

λ(1) = 0.

 

(0.37)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y0

(0)

h0y

λ(0) = 0,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y(x, λ) = (Rλf)(x) Z

G(x, t; λ)f(λ)dt,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ãäå

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(

G(x, t; λ) = v(x; λ)u(t; λ), 0 ≤ t ≤ x, u(x; λ)v(t; λ), x ≤ t ≤ 1.

 

u(·, λ) решение уравнения

 

W:1.12

 

 

 

 

 

W:1.13

 

 

 

 

 

 

 

 

W:1.12

 

 

 

 

 

W:1.13

 

v(·, λ) решение уравнения

 

 

(0.36) и первого уравнения из системы (

 

 

0.37),

 

 

 

 

 

 

 

(0.36) и второго уравнения из системы (

0.37).

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y(x, λ) = v(x, λ) Z0

u(t, λ)f(t)dt + u(x, λ) Zx

v(t, λ)f(t)dt.

 

Теорема 6.0.42. Пусть q C(R+),

Rλ- резольвента некоторого собственного

v:1.8

 

расширения L оператора L = Lmin, с непустым резольвентным множеством

 

ïðè âñåõ t

e

 

и справедливо равенство

 

 

 

 

 

 

 

ρ(L) 6= . Тогда существует ядро K(·,

·; λ) íà R+ × R+, такое, что K(t, ·) L2(R+)

 

e

R+

(Rλt)(f) = Z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

K(t, s; λ)f(s)ds, f L2(R+).

 

 

 

 

 

 

 

R+

 

 

 

 

 

 

 

 

W:1.11

W:1.11

W:1.12

W:1.13

Более того

140

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ГЛАВА 6. ОПЕРАТОР ШТУРМА-ЛИУВИЛЛЯ

 

(i) для каждого c R+ функция K(c, ·; λ) W 2,2[0, c] ∩ C2[c, +∞) è Lmax(

 

 

K(c, s; λ)) =

 

0, ïðè s 6= c,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(ii) Åñëè K+(c, s) = K(c, s) ïðè s > c è K(c, s) = K(c, s) ïðè s < c, òî

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim K+(c, s) = lim K(c, s),

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim

K

 

c, s

 

s

 

lim

 

 

K

 

c, s

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

s

∂s

+(

)

 

0 ∂s lim

(

) = 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−→

c+0

 

 

 

 

 

c

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−→

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Доказательство.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(i) 2,2

 

 

 

 

2

(R+) −→ dom(L).

 

 

 

dom(L)

 

 

 

 

 

 

H+

 

H+

 

 

 

Rλ : L

Íî

подпространство в

è

Отображение

 

b > 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e

 

 

 

 

W [0, b]

 

 

 

 

 

 

 

(Rλfe)(t)

 

 

 

 

 

 

 

 

t R+ {0}.

 

 

 

 

 

äëÿ âñåõ

 

 

 

. Поэтому

 

 

 

 

 

непрерывен для всех

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rλ

 

 

 

lt=(Rλf)(t)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lt : L2 −→ H+ −−−−−−→ C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

По теореме Рисса функционал lt допускает представление

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lt(f) = (Rλf)(t) = Z

K(t, s; λ)f(s)ds, f L2(R+),

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

в котором K(t, ·; λ) L(R+).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6.1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Перемежаемость

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(i) Множество {an}1называется дискретным, если оно не

D:14.1

Определение 6.1.1.

 

имеет конечных предельных точек.

(ii)Говорят, что два дискретных множества {an}1 è {bn}1 пересекаются, если между 2-мя соседними элементами одного множества содержатся ровно один элемент другого, то есть после упорядочения последовательностей {an}1 è {bn}1 по возрастанию, справедливы неравенства

 

 

a1 < b1 < a2 < b2 < ... < ak < bk < ak+1 < ...

(1.1)

E:14.1

 

(iii) Говорят, что

 

 

E:14.1

{an}1

è {bn}1перемежаются нестрого,

 

 

 

 

последовательность

 

 

 

 

если неравенства

 

(6.1.4)

нестрогие.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F (·) R и допускает

мероморфное продолжение

через

 

L:14.1

Лемма 6.1.2. Åñëè

 

 

интервал (α, β) R, то ее нули и полюса перемежаются.