Mathematics · Buku 5 · Bachelor Year 3

Matematika Universitas — Tahun 3

Matematika Universitas — Tahun 3 · Bachelor Year 3

7Ruang Lengkap: Baire, Ascoli, Stone–Weierstrass

Kelengkapan — yakni setiap barisan Cauchy konvergen — adalah sifat yang membuat analisis dapat menghasilkan objek: titik tetap kontraksi, jumlah deret, penyelesaian persamaan yang diperoleh sebagai limit. Bab ini merakit ketiga mesin keberadaan terbesar pada teori metrik. Teorema Baire menunjukkan bahwa ruang lengkap tak mungkin menjadi gabungan terbilang kepingan yang dapat diabaikan, dan ia memanggil objek (yaitu fungsi kontinu yang tak dapat diturunkan di mana pun!) keluar dari penalaran bergaya kardinalitas semata. Arzelà–Ascoli mengenali himpunan bagian kompak dari C(K)\mathcal C(K) dan menjadi kuda beban kekompakan dalam analisis — dan soal akhir pekan memakainya untuk membuktikan teorema keberadaan Peano bagi persamaan diferensial. Stone–Weierstrass menunjukkan bahwa polinomial, dan banyak hal lain, padat di C(K)\mathcal C(K): sehingga penghampiran menjadi pemeriksaan aljabar. Di sepanjang jalan kita membangun pelengkapan dan membuktikan teorema perluasan bagi pemetaan kontinu seragam, yaitu roti sehari-hari Bab 12, 13 dan 14.

7.1 Ruang lengkap, pelengkapan, perluasan

Definisi 7.1

Sebuah ruang metrik disebut lengkap jika setiap barisan Cauchy konvergen (Tahun ke-2: Rn\R^n lengkap; dan C([0,1])\mathcal C(\intcc01) dengan \norm\cdot_\infty lengkap). Himpunan bagian tertutup dari ruang lengkap bersifat lengkap; sedangkan himpunan bagian lengkap dari sembarang ruang metrik bersifat tertutup.

Bukti. Untuk kedua pernyataannya: barisan Cauchy pada FF yang tertutup konvergen di XX, dan limitnya, yang melekat pada FF, terletak di FF; sedangkan barisan yang konvergen di XX pada AA yang lengkap bersifat Cauchy, sehingga konvergen di AA, dan limitnya tunggal.

Teorema 7.2 (Perluasan pemetaan kontinu seragam)

Misalkan DXD \subseteq X padat, YY lengkap, dan f ⁣:DYf \colon D \to Y kontinu seragam. Maka ff dapat diperluas secara tunggal menjadi fˉ ⁣:XY\bar f \colon X \to Y yang kontinu, dan fˉ\bar f kontinu seragam.

Bukti. Ketunggalannya: dua perluasan kontinu bersesuaian pada DD yang padat, sehingga di mana-mana (sebab himpunan kesesuaiannya {g=h}\{g = h\} tertutup: yakni prapeta diagonal tertutup di bawah x(g(x),h(x))x\mapsto(g(x), h(x))). Keberadaannya: untuk xXx \in X ambillah dnxd_n \to x dengan dnDd_n \in D. Barisan (f(dn))(f(d_n)) bersifat Cauchy: diberikan ε\varepsilon, kekontinuan seragamnya menyediakan δ\delta dengan d(u,v)<δd(f(u),f(v))<εd(u,v) < \delta \Rightarrow d(f(u), f(v)) < \varepsilon, sedangkan (dn)(d_n) bersifat Cauchy. Definisikan fˉ(x)=limf(dn)\bar f(x) = \lim f(d_n); limitnya tidak bergantung pada barisan yang dipilih (selipkan dua di antaranya). Lalu fˉ\bar f memperluas ff (lewat barisan konstan) dan mewarisi modulus kekontinuannya: sebab jika d(x,x)<δd(x, x') < \delta, menghampiri keduanya dengan titik DD yang berjarak <δd(x,x)2< \frac{\delta - d(x,x')}2 memberikan d(fˉ(x),fˉ(x))εd(\bar f(x), \bar f(x')) \leq \varepsilon pada limitnya — jadi fˉ\bar f kontinu seragam.

Teorema 7.3 (Pelengkapan)

Setiap ruang metrik XX terbenam secara isometrik sebagai himpunan bagian padat dari sebuah ruang metrik lengkap X^\hat X, yang tunggal sampai pada isometri yang menetapkan XX titik demi titik: yaitu pelengkapannya.

Bukti. Keberadaan. Misalkan X\mathcal X himpunan barisan Cauchy di XX, dengan pseudojarak

D((xn),(yn))=limnd(xn,yn),D\bigl((x_n), (y_n)\bigr) = \lim_n d(x_n, y_n),

dengan limitnya ada karena d(xn,yn)d(xm,ym)d(xn,xm)+d(yn,ym)\abs{d(x_n, y_n) - d(x_m, y_m)} \leq d(x_n, x_m) + d(y_n, y_m) membuat barisan realnya Cauchy. Misalkan X^=X/\hat X = \mathcal X/{\sim}, dengan mengenali barisan yang berjarak-DD sama dengan 00; lalu DD turun menjadi sebuah jarak. Benamkan XX lewat barisan konstan: sebuah isometri, dengan peta yang padat (sebab barisan Cauchy dihampiri secara DD oleh barisan konstan yang dibangun dari sukunya sendiri: D((xn),(xk)const)=limnd(xn,xk)0D\bigl((x_n), (x_k)_{\rm const}\bigr) = \lim_n d(x_n, x_k) \to 0 ketika kk \to \infty menurut sifat Cauchynya). Kelengkapan X^\hat X: misalkan (ξk)(\xi^k) Cauchy di X^\hat X; menurut kepadatannya pilihlah xkXx_k \in X dengan D(ξk,xk)2kD(\xi^k, x_k) \leq 2^{-k}; maka (xk)(x_k) Cauchy di XX (lewat ketaksamaan segitiga melalui ξ\xi), sehingga mendefinisikan titik ξX^\xi \in \hat X, dan D(ξk,ξ)2k+D(xk,ξ)0D(\xi^k, \xi) \leq 2^{-k} + D(x_k, \xi) \to 0 (sebab jarak dari konstanta xkx_k ke kelas (xj)j(x_j)_j adalah limjd(xk,xj)\lim_j d(x_k, x_j), yang kecil untuk kk besar).

Ketunggalan: dua pelengkapan X^1,X^2\hat X_1, \hat X_2 memuat XX secara padat; identitas XX, yang merupakan isometri, bersifat kontinu seragam, sehingga meluas menjadi X^1X^2\hat X_1 \to \hat X_2 (Teorema 7.2), yang tetap isometri pada himpunan padat sehingga di mana-mana; secara simetris pada arah sebaliknya, dan komposisinya menetapkan XX yang padat: jadi keduanya identitas.

Teorema 7.4 (Titik tetap Banach)

Misalkan XX lengkap dan tak kosong, serta f ⁣:XXf \colon X \to X sebuah kontraksi: d(f(x),f(y))kd(x,y)d(f(x), f(y)) \leq k\,d(x,y) dengan k<1k < 1. Maka ff mempunyai titik tetap tunggal xx^*, dan setiap orbit konvergen kepadanya, dengan laju eksplisit d(xn,x)kn1kd(x1,x0)d(x_n, x^*) \leq \frac{k^n}{1-k}\,d(x_1, x_0).

Bukti. (Tahun ke-2 sudah membuktikannya; kita catat ulang argumen dua barisnya demi kemandirian.) Orbit xn+1=f(xn)x_{n+1} = f(x_n) memenuhi d(xn+1,xn)knd(x1,x0)d(x_{n+1}, x_n) \leq k^nd(x_1, x_0), sehingga bersifat Cauchy (lewat deret geometri); limitnya xx^* bersifat tetap (karena ff kontinu), dan tunggal sebab dua titik tetap memenuhi dkdd \leq k\,d. Lajunya: jumlahkan ekor geometrinya.

Contoh 7.5 (Mengusik identitas)

Misalkan g ⁣:RdRdg \colon \R^d \to \R^d Lipschitz-kk dengan k<1k < 1. Maka φ=id+g\varphi = \mathrm{id} + g merupakan homeomorfisma Rd\R^d pada Rd\R^d. Keinjektifannya, beserta modulus kuantitatifnya:

φ(x)φ(y)xyg(x)g(y)(1k)xy.\norm{\varphi(x) - \varphi(y)} \geq \norm{x - y} - \norm{g(x) - g(y)} \geq (1 - k)\norm{x - y} .

Kesurjektifannya adalah teorema titik tetap: sebab menyelesaikan φ(x)=y\varphi(x) = y berarti x=yg(x)x = y - g(x), sedangkan xyg(x)x \mapsto y - g(x) merupakan kontraksi-kk pada Rd\R^d yang lengkap — jadi ada penyelesaian tunggal x=ψ(y)x = \psi(y) untuk setiap yy. Ketaksamaan yang ditampilkan itu membuat invers ψ\psi bersifat Lipschitz dengan konstanta 11k\frac1{1-k}: jadi sebuah homeomorfisma, dengan batas eksplisit pada kedua modulusnya. Pernyataan yang tampak sepele ini adalah mesin di dalam teorema fungsi invers (Bab 20): sebab di dekat titik tempat DfDf terbalikkan, ff memang berupa pemetaan linear terbalikkan ditambah usikan Lipschitz yang kecil, dan contoh hari ini mengerjakan sisanya. Ia juga mengukur ketegaran numerik: sistem yang diusik kurang dari margin inversnya tetap dapat diselesaikan, dengan penyelesaiannya bergeser paling banyak 11k\frac{1}{1-k} kali usikannya.

7.2 Teorema Baire

Teorema 7.6 (Baire)

Di dalam ruang metrik lengkap, irisan terbilang himpunan terbuka yang padat tetap padat. Setara dengan itu: jika X=nFnX = \bigcup_{n}F_n dengan setiap FnF_n tertutup, maka ada FnF_n yang interiornya tak kosong.

Bukti. Misalkan (Un)(U_n) himpunan terbuka yang padat dan B0=B(x0,r0)B_0 = B(x_0, r_0) sembarang bola terbuka; kita cari titik Un\bigcap U_n di dalam B0B_0. Secara induktif: karena UnU_{n} padat dan terbuka, ia memotong bola terbuka Bn1B_{n-1} pada sebuah himpunan terbuka, yang memuat bola tertutup Bˉ(xn,rn)\bar B(x_n, r_n) dengan 0<rnrn1/20 < r_n \leq r_{n-1}/2 dan Bˉ(xn,rn)Bn1Un\bar B(x_n, r_n) \subseteq B_{n-1}\cap U_n. Pusatnya membentuk barisan Cauchy (sebab xmBnx_m \in B_n untuk mnm \geq n, dan jari-jarinya 0\to 0); lalu limitnya xx terletak di setiap Bˉ(xn,rn)\bar B(x_n, r_n) (karena tertutup), sehingga di setiap UnU_n dan di B0B_0. Untuk bentuk keduanya: jika tak ada FnF_n yang berinterior, maka Un=XFnU_n = X \setminus F_n terbuka dan padat, dan sebuah titik Un\bigcap U_n lolos dari Fn=X\bigcup F_n = X: mustahil.

Catatan 7.7

Kosakatanya: sebuah himpunan disebut tak padat di mana pun jika penutupnya berinterior kosong, dan disebut kurus (kategori pertama) jika ia gabungan terbilang himpunan yang tak padat di mana pun. Baire mengatakan: ruang metrik lengkap tidak kurus di dalam dirinya sendiri, dan komplemen himpunan kurus bersifat padat. “Kurus” adalah gagasan kekecilan yang ortogonal terhadap ukuran (Bab 9 akan menghasilkan himpunan kurus yang berukuran penuh), dan argumen Baire membuktikan keberadaan lewat kelimpahan: untuk menampilkan satu objek tanpa sifat P, tunjukkan bahwa objek berciri P membentuk himpunan yang kurus.

Akibat 7.8

(a) R\R tak terbilang. (b) Q\Q bukan irisan terbilang himpunan bagian terbuka R\R, dan ruang metrik lengkap tak kosong tanpa titik terisolasi bersifat tak terbilang.

Bukti. (a) Jika R=x{x}\R = \bigcup_{x}\{x\} atas himpunan terbilang, maka suatu himpunan tunggal akan berinterior. (b) Jika Q=nVn\Q = \bigcap_n V_n dengan VnV_n terbuka (dan tentu padat, sebab Q\supseteq \Q), maka himpunan VnV_n beserta komplemen R{q}\R\setminus\{q\} dengan qQq \in \Q membentuk keluarga terbilang himpunan terbuka padat yang irisannya kosong — dan itu bertentangan dengan Baire. Jika XX lengkap tanpa titik terisolasi dan terbilang, maka X=xX{x}X = \bigcup_{x \in X}\{x\} menampilkannya sebagai gabungan terbilang himpunan tertutup berinterior kosong (karena tanpa titik terisolasi): sekali lagi Baire.

Teorema 7.9 (Monster Weierstrass memang ada)

Ada fungsi kontinu pada [0,1]\intcc01 yang tak dapat diturunkan di satu titik pun. Bahkan, himpunan fC([0,1])f \in \mathcal C(\intcc01) yang mempunyai turunan (berhingga) walau di satu titik saja bersifat kurus di (C([0,1]),)(\mathcal C(\intcc01), \norm\cdot_\infty).

Bukti. Untuk n1n \geq 1 misalkan

Fn={f:x[0,1], h0 dengan x+h[0,1], f(x+h)f(x)nh}.F_n = \Bigl\{f : \exists x \in \intcc01,\ \forall h \neq 0 \text{ dengan } x + h \in \intcc01,\ \abs{f(x+h) - f(x)} \leq n\abs h \Bigr\}.

Jika ff dapat diturunkan di xx, maka fFnf \in F_n untuk suatu nn: sebab hasil bagi f(x+h)f(x)/h\abs{f(x+h)-f(x)}/\abs h terbatas untuk hδ\abs h \leq \delta (menurut keterdiferensialannya: ia menuju f(x)\abs{f'(x)}) dan terbatas oleh 2f/δ2\norm f_\infty/\delta untuk hδ\abs h \geq \delta. Jadi Fn\bigcup F_n memuat semua fungsi yang dapat diturunkan di suatu tempat, sehingga cukup ditunjukkan bahwa setiap FnF_n tertutup dan berinterior kosong.

Tertutup: misalkan fkff_k \to f secara seragam, dengan fkFnf_k \in F_n beserta saksinya xkxx_k \to x (lewat kekompakan, setelah ekstraksi). Untuk hh dengan x+h[0,1]x + h \in \intcc01: pilihlah hkhh_k \to h dengan xk+hk[0,1]x_k + h_k \in \intcc01 (misalnya hk=h+xxkh_k = h + x - x_k yang dipangkas); maka f(x+h)f(x)=limfk(xk+hk)fk(xk)limnhk=nh\abs{f(x + h) - f(x)} = \lim \abs{f_k(x_k + h_k) - f_k(x_k)} \leq \lim n\abs{h_k} = n\abs h, dengan memakai kekonvergenan seragam dan kekontinuan ff di titik yang bersangkutan: jadi fFnf \in F_n.

Interior kosong: diberikan fFnf \in F_n dan ε>0\varepsilon > 0, kita cari gg dengan gfε\norm{g - f}_\infty \leq \varepsilon dan gFng \notin F_n. Pertama hampiri ff dalam ε/2\varepsilon/2 oleh fungsi afin sepotong-sepotong φ\varphi (lewat kekontinuan seragamnya: interpolasikan pada kisi yang halus), yang kemiringannya terbatas oleh suatu MM. Lalu tambahkan gigi gergaji kecil: g=φ+ε2sNg = \varphi + \frac\varepsilon2\,s_N, dengan sN(x)s_N(x) berupa zigzag berperiode 1N\frac1N, beramplitudo 11 dan berkemiringan ±2N\pm 2N. Di setiap xx, pada salah satu sisinya ada hh sekecil apa pun dengan gigi gergajinya menyumbang kemiringan ±2Nε2=±εN\pm 2N\cdot\frac\varepsilon2 = \pm\varepsilon N sepanjang [x,x+h][x, x+h]: sehingga hasil bagi selisih gg melampaui εNM>n\varepsilon N - M > n untuk NN besar. Jadi gFng \notin F_n, pada jarak seragam ε\leq \varepsilon berapa pun dari ff. Kesimpulannya: Fn\bigcup F_n bersifat kurus; dan menurut Baire komplemennya — yang terdiri atas fungsi tak dapat diturunkan di mana pun — bersifat padat di C([0,1])\mathcal C(\intcc01): jadi fungsi semacam itu ada dengan berlimpah.

7.3 Arzelà–Ascoli

Sepanjang bagian ini, KK adalah ruang metrik kompak dan C(K)=C(K,Rd)\mathcal C(K) = \mathcal C(K, \R^d), dengan f=supKf(x)\norm f_\infty = \sup_K \norm{f(x)}: sebuah ruang lengkap (sebab limit seragam fungsi kontinu tetap kontinu — Tahun ke-2).

Definisi 7.10

Sebuah keluarga FC(K)\mathcal F \subseteq \mathcal C(K) disebut ekuikontinu jika untuk setiap ε>0\varepsilon > 0 ada δ>0\delta > 0 sedemikian sehingga

d(x,y)<δ    f(x)f(y)<εuntuk setiap fFd(x, y) < \delta \implies \norm{f(x) - f(y)} < \varepsilon \quad\text{untuk \emph{setiap} } f \in \mathcal F

(yakni satu δ\delta untuk seluruh keluarganya — misalnya keluarga apa pun dengan konstanta Lipschitz bersama, atau modulus Hölder bersama), dan disebut terbatas titik demi titik jika supff(x)<\sup_{f}\norm{f(x)} < \infty untuk setiap xx.

Teorema 7.11 (Arzelà–Ascoli)

Sebuah himpunan bagian FC(K)\mathcal F \subseteq \mathcal C(K) bersifat kompak relatif (yakni penutupnya kompak) jika dan hanya jika ia ekuikontinu dan terbatas titik demi titik. Khususnya, setiap barisan yang ekuikontinu dan terbatas titik demi titik mempunyai subbarisan yang konvergen seragam.

Bukti. (\Leftarrow) Misalkan (fk)(f_k) sebuah barisan di F\mathcal F. Ruang KK metrik kompak bersifat separabel: sebab untuk setiap nn, berhingga banyak bola berjari-jari 1n\frac1n menyelimuti KK (Teorema 6.16); dan pusatnya membentuk himpunan padat terbilang D={x1,x2,}D = \{x_1, x_2, \dots\}. Menurut keterbatasan titik demi titik dan Bolzano–Weierstrass, ekstraklah berturut-turut subbarisan yang konvergen di x1x_1, lalu juga di x2x_2, dan seterusnya, lalu ambil subbarisan diagonalnya (gj)(g_j): ia konvergen di setiap titik DD. Keekuikontinuannya meningkatkan hal ini menjadi Cauchy seragam: diberikan ε\varepsilon, ambillah δ\delta seperti pada definisinya, selimuti KK dengan berhingga bola B(xi,δ)B(x_i, \delta) dengan xiDx_i \in D (imi \leq m), lalu pilihlah JJ sedemikian besar sehingga gj(xi)gj(xi)<ε\norm{g_j(x_i) - g_{j'}(x_i)} < \varepsilon untuk j,jJj, j' \geq J dan imi \leq m. Untuk sembarang xB(xi,δ)x \in B(x_i, \delta):

gj(x)gj(x)gj(x)gj(xi)+gj(xi)gj(xi)+gj(xi)gj(x)<3ε.\norm{g_j(x) - g_{j'}(x)} \leq \norm{g_j(x) - g_j(x_i)} + \norm{g_j(x_i) - g_{j'}(x_i)} + \norm{g_{j'}(x_i) - g_{j'}(x)} < 3\varepsilon .

Jadi (gj)(g_j) Cauchy seragam, sehingga konvergen di C(K)\mathcal C(K) yang lengkap. Dengan demikian setiap barisan di F\mathcal F mempunyai subbarisan konvergen: jadi Fˉ\bar{\mathcal F} kompak (secara barisan, sehingga menurut Teorema 6.16 kompak).

(\Rightarrow) Jika Fˉ\bar{\mathcal F} kompak: maka keterbatasan titik demi titiknya jelas (sebab pemasukan nilai bersifat kontinu). Untuk keekuikontinuannya, selimuti F\mathcal F dengan berhingga bola B(fi,ε)B(f_i, \varepsilon) di C(K)\mathcal C(K); setiap fif_i bersifat kontinu seragam (menurut Heine, Akibat 6.17), sehingga memberikan δ\delta bersama untuk imi \leq m; lalu untuk fB(fi,ε)f \in B(f_i, \varepsilon) dan d(x,y)<δd(x,y) < \delta: f(x)f(y)2ε+fi(x)fi(y)<3ε\norm{f(x)-f(y)} \leq 2\varepsilon + \norm{f_i(x)-f_i(y)} < 3\varepsilon.

Contoh 7.12

Bola satuan tertutup di C([0,1])\mathcal C(\intcc01) tidak kompak (sebab fn(x)=xnf_n(x) = x^n tak punya subbarisan yang konvergen seragam: limit titik demi titiknya tak kontinu), dan memang (xn)(x^n) tidak ekuikontinu di 11. Sebaliknya {f:f1, Lip(f)1}\{f : \norm f_\infty \leq 1,\ \operatorname{Lip}(f) \leq 1\} bersifat kompak: sebab terbatas dan ekuikontinu lewat Lipschitz-11, serta tertutup. Ascoli menjelaskan mengapa kekompakan gagal pada dimensi tak berhingga (Riesz, Tahun ke-2) dan apa yang harus ditambahkan untuk memulihkannya: yaitu modulus kekontinuan yang seragam.

7.4 Stone–Weierstrass

Lema 7.13 (Dini)

Misalkan KK kompak dan (fn)(f_n) barisan monoton berisi fungsi real kontinu yang konvergen titik demi titik ke ff yang kontinu. Maka kekonvergenannya bersifat seragam.

Bukti. Katakanlah fnff_n \uparrow f; misalkan gn=ffn0g_n = f - f_n \downarrow 0, yang kontinu. Diberikan ε\varepsilon, himpunan terbuka Un={gn<ε}U_n = \{g_n < \varepsilon\} naik dan menyelimuti KK (menurut kekonvergenan titik demi titiknya); ekstraklah subselimut berhingga: maka K=Un0K = U_{n_0} untuk suatu n0n_0 (karena keluarganya naik), yakni 0gn<ε0 \leq g_n < \varepsilon di mana-mana untuk nn0n \geq n_0.

Lema 7.14

Ada barisan polinomial unu_n dengan un(t)tu_n(t) \to \sqrt t secara seragam pada [0,1]\intcc01.

Bukti. Definisikan u0=0u_0 = 0 dan un+1(t)=un(t)+12(tun(t)2)u_{n+1}(t) = u_n(t) + \frac12\bigl(t - u_n(t)^2\bigr): semuanya polinomial. Dengan induksi, 0un(t)t0 \leq u_n(t) \leq \sqrt t pada [0,1]\intcc01: sebab dengan mengandaikannya untuk nn,

tun+1(t)=(tun(t))(112(t+un(t)))0,\sqrt t - u_{n+1}(t) = \bigl(\sqrt t - u_n(t)\bigr) \Bigl(1 - \tfrac12\bigl(\sqrt t + u_n(t)\bigr)\Bigr) \geq 0,

karena t+un2\sqrt t + u_n \leq 2; lalu un+1un0u_{n+1} \geq u_n \geq 0. Jadi (un(t))(u_n(t)) tak turun dan terbatas oleh t\sqrt t: sehingga ia konvergen titik demi titik, dan limitnya (t)\ell(t) memenuhi =+12(t2)\ell = \ell + \frac12(t - \ell^2): jadi (t)=t\ell(t) = \sqrt t, yang kontinu. Lalu Dini (Lema 7.13) meningkatkannya menjadi seragam.

Teorema 7.15 (Stone–Weierstrass, versi real)

Misalkan KK sebuah ruang kompak (Hausdorff) dan AC(K,R)\mathcal A \subseteq \mathcal C(K, \R) sebuah subaljabar (yang stabil terhadap penjumlahan, perkalian, dan kelipatan skalar) yang memuat konstanta serta memisahkan titik (yakni untuk xyx \neq y ada fAf \in \mathcal A dengan f(x)f(y)f(x) \neq f(y)). Maka A\mathcal A padat di (C(K,R),)(\mathcal C(K,\R), \norm\cdot_\infty).

Bukti. Misalkan Aˉ\bar{\mathcal A} penutupnya, yang kembali menjadi aljabar (sebab hasil kali limit seragam pada himpunan terbatas tetap konvergen).

Langkah 1: Aˉ\bar{\mathcal A} merupakan latis, yakni stabil terhadap max\max dan min\min. Karena max(f,g)=f+g+fg2\max(f,g) = \frac{f + g + \abs{f-g}}2 dan demikian pula min\min, cukup dibuktikan bahwa fAˉfAˉf \in \bar{\mathcal A} \Rightarrow \abs f \in \bar{\mathcal A}: dengan M=f>0M = \norm f_\infty > 0 berlaku f=M(f/M)2\abs f = M\sqrt{(f/M)^2}, dan Lema 7.14 memberikan polinomial unu_n dengan un((f/M)2)f/Mu_n\bigl((f/M)^2\bigr) \to \abs f/M secara seragam; sedangkan polinomial atas anggota aljabarnya (dengan suku konstan: konstantanya memang ada) tetap berada di Aˉ\bar{\mathcal A}.

Langkah 2: interpolasi dua titik. Untuk xyx \neq y dan a,bRa, b \in \R, ada gAg \in \mathcal A dengan g(x)=ag(x) = a, g(y)=bg(y) = b: ambil hh yang memisahkan x,yx, y lalu tetapkan g=a+(ba)hh(x)h(y)h(x)g = a + (b - a)\frac{h - h(x)}{h(y) - h(x)}.

Langkah 3. Misalkan fC(K)f \in \mathcal C(K) dan ε>0\varepsilon > 0. Untuk setiap pasangan x,yx, y pilihlah gx,yAg_{x,y} \in \mathcal A dengan gx,y(x)=f(x)g_{x,y}(x) = f(x), gx,y(y)=f(y)g_{x,y}(y) = f(y) (lewat Langkah 2; sedangkan untuk x=yx = y ambillah fungsi konstan gx,x=f(x)g_{x,x} = f(x)). Tetapkan xx: untuk setiap yy, himpunan terbuka Vy={gx,y<f+ε}V_y = \{g_{x,y} < f + \varepsilon\} memuat yy; lalu kekompakannya mengekstrak y1,,ymy_1, \dots, y_m dengan K=VyjK = \bigcup V_{y_j}, dan hx=minjgx,yjAˉh_x = \min_j g_{x, y_j} \in \bar{\mathcal A} (Langkah 1) memenuhi hx<f+εh_x < f + \varepsilon di mana-mana serta hx(x)=f(x)h_x(x) = f(x). Kini ragamkan xx: Wx={hx>fε}W_x = \{h_x > f - \varepsilon\} terbuka dan memuat xx; ekstraklah x1,,xlx_1, \dots, x_l yang menyelimuti KK, lalu h=maxihxiAˉh = \max_i h_{x_i} \in \bar{\mathcal A} memenuhi fε<h<f+εf - \varepsilon < h < f + \varepsilon: sehingga fhε\norm{f - h}_\infty \leq \varepsilon. Karena itu fAˉf \in \bar{\mathcal A}.

Akibat 7.16

(a) (Weierstrass) Polinomial padat di C([a,b],R)\mathcal C(\intcc ab, \R); dan polinomial dalam nn variabel padat di C(K,R)\mathcal C(K, \R) untuk KRnK \subseteq \R^n yang kompak. (b) (Versi kompleks) Jika AC(K,C)\mathcal A \subseteq \mathcal C(K, \C) sebuah subaljabar yang memuat konstanta, memisahkan titik, dan stabil terhadap konjugasi, maka ia padat. (c) (Versi trigonometri) Polinomial trigonometri nNcneint\sum_{\abs n \leq N}c_n\eu^{\iu n t} padat di ruang berisi fungsi kontinu berperiode 2π2\pi dengan \norm\cdot_\infty.

Bukti. (a) Polinomial membentuk aljabar yang memuat konstanta; dan fungsi koordinatnya memisahkan titik Rn\R^n. (b) Bagian real dan imajiner f+fˉ2\frac{f + \bar f}2 dan ffˉ2i\frac{f - \bar f}{2\iu} dari anggota A\mathcal A membentuk aljabar real ARC(K,R)\mathcal A_\R \subseteq \mathcal C(K, \R) yang memuat konstanta; ia memisahkan titik (sebab f(x)f(y)f(x) \ne f(y) memaksa Ref\operatorname{Re}f atau Imf\operatorname{Im}f memisahkannya). Lalu terapkan teorema realnya dan gabungkan kembali. (c) Pandanglah fungsi berperiode 2π2\pi sebagai C(S1,C)\mathcal C(S^1, \C) (dengan S1=R/2πZS^1 = \R/2\pi\Z yang kompak: Latihan 6.5); maka aljabar yang dibangun oleh eit,eit\eu^{\iu t}, \eu^{-\iu t} dan konstanta bersifat stabil terhadap konjugasi dan memisahkan titik lingkarannya (sebab eit\eu^{\iu t} injektif di sana). Lalu terapkan (b).

Catatan 7.17

Versi trigonometrinya memperbaiki, dan menyamaratakan secara luas, celah yang ditinggalkan bab Fourier pada Tahun ke-2: sebab kepadatan polinomial trigonometri di (C(S1),2)(\mathcal C(S^1), \norm\cdot_2) menyusul secara a fortiori (karena 2\norm\cdot_2 \leq \norm\cdot_\infty sampai pada konstanta penormalannya), dan itulah yang akan menjadikan sistem Fourier sebuah basis ortonormal pada Bab 13, sehingga akhirnya membuktikan Parseval dalam keumuman penuh.

7.5 Latihan

Latihan 7.1

(a) Tunjukkan bahwa C([0,1],R)\mathcal C(\intcc01, \R) dengan f1=01f\norm f_1 = \int_0^1\abs f tidak lengkap: sebab fungsi fnf_n yang bernilai 00 pada [0,12]\intcc0{\frac12}, 11 pada [12+1n,1]\intcc{\frac12 + \frac1n}1, dan afin di antaranya, bersifat Cauchy-1\norm\cdot_1 tanpa limit yang kontinu. (b) Tunjukkan bahwa ruang bernorma yang setiap deret konvergen mutlaknya konvergen bersifat lengkap. (Ekstraklah dari sebuah barisan Cauchy sebuah subbarisan dengan xnk+1xnk2k\norm{x_{n_{k+1}} - x_{n_k}} \leq 2^{-k}.)

Solusi

Solusi Latihan 7.1.

(a) Untuk mnm \geq n, selisih fnfmf_n - f_m lenyap di luar sebuah selang berpanjang 1n\frac1n dan terbatas oleh 11: sehingga fnfm11n0\norm{f_n - f_m}_1 \leq \frac1n \to 0: jadi Cauchy. Jika fnff_n \to f dalam 1\norm\cdot_1 dengan ff kontinu: maka untuk α<12\alpha < \frac12 yang tetap, 0αf=lim0αffn+fnlim(ffn1+0)=0\int_0^{\alpha}\abs f = \lim \int_0^\alpha\abs{f - f_n + f_n} \leq \lim\bigl(\norm{f - f_n}_1 + 0\bigr) = 0 (sebab fn0f_n \equiv 0 di sana untuk nn besar), sehingga f0f \equiv 0 pada [0,12)[0, \frac12) (menurut kekontinuannya); demikian pula f1f \equiv 1 pada (12,1](\frac12, 1]: dan tak ada fungsi kontinu yang melakukan keduanya. Jadi ruangnya tidak lengkappelengkapannya adalah L1L^1, yang dibangun pada Bab 12.

(b) Misalkan (xn)(x_n) Cauchy; pilihlah n1<n2<n_1 < n_2 < \cdots dengan xnk+1xnk2k\norm{x_{n_{k+1}} - x_{n_k}} \leq 2^{-k}. Maka deret k(xnk+1xnk)\sum_k (x_{n_{k+1}} - x_{n_k}) konvergen mutlak, sehingga konvergen; jumlah parsialnya xnk+1xn1x_{n_{k+1}} - x_{n_1}, sehingga (xnk)(x_{n_k}) konvergen, dan barisan Cauchy yang mempunyai subbarisan konvergen akan konvergen.

Latihan 7.2

Dengan memakai Baire: (a) tunjukkan bahwa ruang bernorma yang lengkap tak punya basis (aljabar) yang terbilang — lalu simpulkan bahwa ruang polinomial tidak lengkap terhadap norma apa pun; (b) tunjukkan bahwa jika barisan fungsi kontinu fn ⁣:RRf_n \colon \R \to \R konvergen titik demi titik ke ff, maka himpunan titik kekontinuan ff bersifat padat. (Untuk (b): terimalah atau buktikan bahwa Ωδ={x:oscxf<δ}\Omega_\delta = \{x : \operatorname{osc}_x f < \delta\} terbuka, lalu tunjukkan bahwa ia padat dengan memakai FN={x:fn(x)fm(x)δ/3 n,mN}F_{N} = \{x: \abs{f_n(x) - f_m(x)} \leq \delta/3\ \forall n,m \geq N\}, yaitu himpunan tertutup yang menyelimuti R\R; bekerjalah di sembarang bola tertutup agar Baire dapat diterapkan.)

Solusi

Solusi Latihan 7.2.

(a) Andaikan EE lengkap dengan basis aljabar (en)nN(e_n)_{n\in\N} lalu misalkan Fn=Vect(e1,,en)F_n = \operatorname{Vect}(e_1, \dots, e_n): yang tertutup (sebab subruang berdimensi berhingga bersifat lengkap, sehingga tertutup — Tahun ke-2), dan berinterior kosong: sebab jika B(x,r)FnB(x, r) \subseteq F_n, ambillah vFnv \notin F_n; maka x+r2vvB(x,r)Fnx + \frac{r}{2\norm v}v \in B(x,r) \setminus F_n, mustahil. Padahal E=FnE = \bigcup F_n (sebab setiap vektor berupa kombinasi berhingga): dan itu bertentangan dengan Baire (Teorema 7.6). Ruang R[X]\R[X] mempunyai basis terbilang (Xn)(X^n), sehingga tak ada norma yang membuatnya lengkap.

(b) Tetapkan δ>0\delta > 0 dan sebuah bola terbuka tak kosong BB; kita cari di BB sebuah titik Ωδ={x:oscxf<δ}\Omega_\delta = \{x : \operatorname{osc}_xf < \delta\}, dengan oscxf=infVxdiamf(V)\operatorname{osc}_xf = \inf_{V \ni x}\operatorname{diam} f(V). (Himpunan Ωδ\Omega_\delta terbuka: sebab jika diamf(V)<δ\operatorname{diam}f(V) < \delta untuk suatu VxV \ni x yang terbuka, maka setiap yVy \in V berosilasi <δ< \delta.) Himpunan

FN={x:fn(x)fm(x)δ3  n,mN}F_N = \bigl\{x : \abs{f_n(x) - f_m(x)} \leq \tfrac\delta3\ \ \forall\, n, m \geq N \bigr\}

bersifat tertutup (sebagai irisan prapeta himpunan tertutup) dan menyelimuti R\R (karena kekonvergenan titik demi titik membuat (fn(x))(f_n(x)) Cauchy). Dengan menerapkan Baire di dalam Bˉ\bar B yang lengkap: ada FNBˉF_N \cap \bar B yang memuat sebuah bola B=B(x0,ρ)B' = B(x_0, \rho). Dengan membiarkan mm \to \infty: fNfδ3\abs{f_N - f} \leq \frac\delta3 pada BB'. Menurut kekontinuan fNf_N di x0x_0, ciutkan menjadi Bx0B'' \ni x_0 tempat fNfN(x0)δ3\abs{f_N - f_N(x_0)} \leq \frac\delta3; maka untuk xBx \in B'',

f(x)f(x0)ffN(x)+fN(x)fN(x0)+fNf(x0)δ:\abs{f(x) - f(x_0)} \leq \abs{f - f_N}(x) + \abs{f_N(x) - f_N(x_0)} + \abs{f_N - f}(x_0) \leq \delta:

sehingga diamf(B)2δ\operatorname{diam} f(B'') \leq 2\delta, jadi x0Ω3δBx_0 \in \Omega_{3\delta} \cap B. Dengan demikian setiap Ωδ\Omega_\delta terbuka dan padat; lalu kΩ1/k\bigcap_k\Omega_{1/k} — yakni himpunan titik kekontinuannya — bersifat padat menurut Baire.

Latihan 7.3 ★★

(a) Tunjukkan bahwa f(x)=12(x+ax)f(x) = \frac12\bigl(x + \frac ax\bigr) (dengan a>1a > 1) merupakan kontraksi pada [a,+)[\sqrt a, +\infty) lalu kenali titik tetapnya — yakni metode Heron. Taksirlah banyaknya iterasi untuk ketelitian 101210^{-12} mulai dari x0=ax_0 = a, untuk a=2a = 2. (b) (Persamaan Kepler) Untuk 0e<10 \leq e < 1 dan mRm \in \R, tunjukkan bahwa x=m+esinxx = m + e\sin x mempunyai penyelesaian tunggal yang bergantung kontinu pada mm.

Solusi

Solusi Latihan 7.3.

(a) Pemetaan f(x)=12(x+ax)f(x) = \frac12(x + \frac ax) memetakan [a,)[\sqrt a, \infty) ke dirinya sendiri (lewat AM–GM: f(x)xax=af(x) \geq \sqrt{x \cdot \frac ax} = \sqrt a), dan f(x)=12(1ax2)[0,12)f'(x) = \frac12(1 - \frac a{x^2}) \in [0, \frac12) di sana: jadi kontraksi Lipschitz-12\frac12 pada himpunan tertutup (yang lengkap). Titik tetapnya: x=f(x)    x2=ax = f(x) \iff x^2 = a: jadi x=ax^* = \sqrt a. Lajunya (Teorema 7.4): d(xn,a)2n+1d(x1,x0)d(x_n, \sqrt a) \leq 2^{-n+1}\,d(x_1, x_0). Untuk a=2a = 2 dan x0=2x_0 = 2: d(x1,x0)=12d(x_1, x_0) = \frac12, sehingga n=40n = 40 menjamin 240<10122^{-40} < 10^{-12}. (Dalam kenyataannya metode Newton konvergen secara kuadrat: segelintir iterasi sudah cukup; taksiran kontraksinya pesimistis tetapi gratis.)

(b) Pemetaan fm(x)=m+esinxf_m(x) = m + e\sin x bersifat Lipschitz-ee dengan e<1e < 1 pada R\R yang lengkap: jadi titik tetapnya tunggal, sebut x(m)x(m). Untuk dua parameter:

x(m)x(m)=fm(x(m))fm(x(m))mm+ex(m)x(m),\abs{x(m) - x(m')} = \abs{f_m(x(m)) - f_{m'}(x(m'))} \leq \abs{m - m'} + e\abs{x(m) - x(m')},

sehingga x(m)x(m)mm1e\abs{x(m) - x(m')} \leq \frac{\abs{m - m'}}{1 - e}: jadi bahkan Lipschitz terhadap mm.

Latihan 7.4 ★★

(a) Misalkan XX lengkap dan f ⁣:XXf \colon X \to X sedemikian sehingga suatu iterasinya fpf^p merupakan kontraksi. Tunjukkan bahwa ff mempunyai titik tetap tunggal. Terapannya: operator integral TT pada C([0,a])\mathcal C(\intcc0a) dengan Tf(x)=0xfTf(x) = \int_0^x f memenuhi Tpap/p!\norm{T^p} \leq a^p/p! — lalu simpulkan bahwa u=g+λTuu = g + \lambda Tu terselesaikan untuk setiap λ\lambda. (b) (Edelstein) Misalkan KK kompak dan f ⁣:KKf\colon K \to K dengan d(f(x),f(y))<d(x,y)d(f(x), f(y)) < d(x, y) untuk xyx \neq y. Tunjukkan bahwa ff mempunyai titik tetap tunggal, tetapi laju kontraksinya dapat hilang: pada X=[1,+)X = [1, +\infty) (yang lengkap tetapi tak kompak), f(x)=x+1xf(x) = x + \frac1x tak punya titik tetap meskipun jaraknya menurun sejati.

Solusi

Solusi Latihan 7.4.

(a) Misalkan xx^* titik tetap tunggal fpf^p. Maka fp(f(x))=f(fp(x))=f(x)f^p(f(x^*)) = f(f^p(x^*)) = f(x^*): sehingga f(x)f(x^*) menjadi titik tetap fpf^p, jadi f(x)=xf(x^*) = x^*. Dan titik tetap ff juga titik tetap fpf^p: sehingga ketunggalannya berpindah. Untuk TT: dengan induksi Tpf(x)fxp/p!\abs{T^pf(x)} \leq \norm f_\infty x^p/p! (sebab setiap pengintegralan menambahkan faktor xk\frac xk), sehingga Tpap/p!\norm{T^p} \leq a^p/p!. Pemetaan S(u)=g+λTuS(u) = g + \lambda Tu memenuhi Sp(u)Sp(v)=λpTp(uv)S^p(u) - S^p(v) = \lambda^pT^p(u - v), yang bernorma λpap/p!uv0\leq \abs\lambda^pa^p/p!\,\norm{u - v} \to 0: jadi suatu SpS^p merupakan kontraksi, sehingga SS bertitik tetap tunggal: berarti persamaan Volterra u=g+λTuu = g + \lambda Tu terselesaikan secara tunggal untuk setiap λ\lambda.

(b) Fungsi φ(x)=d(x,f(x))\varphi(x) = d(x, f(x)) kontinu pada KK yang kompak: sehingga ia mencapai minimumnya di suatu x0x_0. Jika f(x0)x0f(x_0) \neq x_0, maka φ(f(x0))=d(f(x0),f2(x0))<d(x0,f(x0))=minφ\varphi(f(x_0)) = d(f(x_0), f^2(x_0)) < d(x_0, f(x_0)) = \min\varphi: mustahil. Ketunggalannya: dua titik tetap xyx \ne y akan memberikan d(x,y)=d(f(x),f(y))<d(x,y)d(x,y) = d(f(x), f(y)) < d(x,y). Tanpa kekompakan: f(x)=x+1xf(x) = x + \frac1x pada [1,)[1, \infty) memenuhi, untuk x<yx < y, f(y)f(x)=(yx)(11xy)<yxf(y) - f(x) = (y - x)\bigl(1 - \frac1{xy}\bigr) < y - x, namun f(x)>xf(x) > x selalu: jadi tak ada titik tetap — sebab penurunan jarak yang sejati lebih lemah daripada faktor kontraksi yang seragam.

Latihan 7.5 ★★

(a) Dua pemetaan kontinu ke ruang Hausdorff yang bersesuaian pada himpunan bagian padat akan bersesuaian di mana-mana; di manakah hal ini dipakai pada bab ini? (b) Misalkan DXD \subseteq X padat dan f ⁣:DYf \colon D \to Y sebuah bijeksi isometrik pada himpunan bagian padat dari YY yang lengkap, dengan XX lengkap. Tunjukkan bahwa ff meluas menjadi bijeksi isometrik XYX \to Y. Lalu simpulkan kembali ketunggalan pelengkapannya.

Solusi

Solusi Latihan 7.5.

(a) Himpunan A={g=h}A = \{g = h\} adalah prapeta diagonal ΔY\Delta_Y di bawah x(g(x),h(x))x \mapsto (g(x), h(x)) yang kontinu; sedangkan ΔY\Delta_Y tertutup karena YY bersifat Hausdorff (sebab untuk y1y2y_1 \neq y_2, persekitaran terbuka yang saling lepas memberikan kotak terbuka di sekitar (y1,y2)(y_1, y_2) yang saling lepas dengan diagonalnya, sehingga komplemen ΔY\Delta_Y terbuka): jadi AA tertutup, memuat himpunan padat, sehingga sama dengan XX. Dipakai pada: ketunggalan di Teorema 7.2, dan karenanya pada ketunggalan pelengkapannya.

(b) Karena ff merupakan isometri, ia kontinu seragam: sehingga meluas menjadi F ⁣:XYF\colon X \to Y (Teorema 7.2), yang tetap isometrik (sebab relasi d(F(x),F(x))=d(x,x)d(F(x), F(x')) = d(x, x') berlaku pada himpunan pasangan yang padat dan kedua ruasnya kontinu). Demikian pula f1 ⁣:f(D)Xf^{-1}\colon f(D) \to X meluas menjadi G ⁣:YXG \colon Y \to X. Komposisi GFG \circ F kontinu dan menetapkan DD yang padat: jadi ia idX\mathrm{id}_X (menurut bagian (a)); secara simetris FG=idYF \circ G = \mathrm{id}_Y. Jadi FF merupakan bijeksi isometrik. Ketunggalan pelengkapannya: terapkan hal ini pada D=XD = X yang duduk secara padat di dua pelengkapan.

Latihan 7.6 ★★

Manakah di antara keluarga berikut yang ekuikontinu, terbatas titik demi titik, dan kompak relatif di C([0,1])\mathcal C(\intcc01)?

{xsin(nx)}n,{xxn}n,\{x \mapsto \sin(nx)\}_{n},\qquad \{x \mapsto x^n\}_n,
{fC1:f1, f1},{f:Lip(f)1, f(0)=0}.\Bigl\{f \in \mathcal C^1 : \norm f_\infty \leq 1,\ \norm{f'}_\infty \leq 1\Bigr\},\qquad \{f : \operatorname{Lip}(f)\leq 1,\ f(0) = 0\}.

Berilah alasan bagi setiap jawabannya dengan Ascoli atau dengan barisan penyangkal.

Solusi

Solusi Latihan 7.6.

Untuk {sin(nx)}\{\sin(nx)\}: terbatas titik demi titik oleh 11; tetapi tidak ekuikontinu: sebab di x=0x = 0 berlaku sin(nπ2n)=1\sin(n\cdot\frac{\pi}{2n}) = 1 dengan π2n0\frac\pi{2n} \to 0, sehingga melanggar δ\delta bersama mana pun untuk ε=12\varepsilon = \frac12. Jadi tidak kompak relatif (menurut keperluan Ascoli, Teorema 7.11).

Untuk {xn}\{x^n\}: terbatas; tetapi tidak ekuikontinu di 11: sebab 1(1δ)n11 - (1 - \delta)^n \to 1 ketika nn \to \infty untuk δ\delta tetap. Jadi tidak kompak relatif — dan sejalan dengan itu, limit titik demi titiknya tak kontinu, sehingga tak ada subbarisan yang konvergen seragam.

Untuk {f1,f1}\{\norm f_\infty \leq 1, \norm{f'}_\infty \leq 1\}: ketaksamaan nilai rata-rata membuat keluarganya Lipschitz-11, sehingga ekuikontinu; dan terbatas: jadi kompak relatif menurut Ascoli. (Tetapi tidak kompak: sebab ia tidak tertutup — limit seragamnya tak harus C1\mathcal C^1; penutupnya adalah fungsi Lipschitz-11 yang bernorma 1\leq 1.)

Untuk {Lip(f)1,f(0)=0}\{\operatorname{Lip}(f) \leq 1, f(0) = 0\}: ekuikontinu; terbatas titik demi titik (sebab f(x)x1\abs{f(x)} \leq x \leq 1); dan tertutup terhadap limit seragam (sebab ketaksamaan Lipschitz dan nilainya di 00 beralih ke limitnya): jadi kompak.

Latihan 7.7 ★★★

(Operator integral yang kompak) Misalkan kC([0,1]2)k \in \mathcal C(\intcc01^2) dan, untuk fC([0,1])f \in \mathcal C(\intcc01), Tf(x)=01k(x,y)f(y) ⁣dyTf(x) = \int_0^1k(x,y)f(y)\,\dd y. (a) Tunjukkan bahwa TT memetakan bola satuan C([0,1])\mathcal C(\intcc01) ke himpunan yang ekuikontinu dan terbatas seragam; lalu simpulkan bahwa TT merupakan operator kompak: yakni peta himpunan terbatas bersifat kompak relatif. (b) Simpulkan bahwa jika (fn)(f_n) terbatas, maka (Tfn)(Tf_n) mempunyai subbarisan yang konvergen seragam, dan bahwa TT tak mungkin menjadi bijeksi dengan invers yang kontinu. (Sebab peta bola satuannya akan menjadi persekitaran kompak 00 di C([0,1])\mathcal C(\intcc01): dan itu dilarang teorema Riesz dari Tahun ke-2.)

Solusi

Solusi Latihan 7.7.

(a) Untuk f1\norm f_\infty \leq 1: Tf(x)k\abs{Tf(x)} \leq \norm k_\infty, dan

Tf(x)Tf(x)01k(x,y)k(x,y) ⁣dyωk(xx),\abs{Tf(x) - Tf(x')} \leq \int_0^1\abs{k(x,y) - k(x',y)}\,\dd y \leq \omega_k\bigl(\abs{x - x'}\bigr),

dengan ωk\omega_k berupa modulus kekontinuan seragam kk pada persegi kompaknya (menurut Heine): jadi peta bola satuannya terbatas seragam dan ekuikontinu, sehingga kompak relatif (menurut Ascoli). Lewat kelinearannya setiap himpunan terbatas berpeta kompak relatif: jadi TT merupakan operator kompak.

(b) Pernyataan subbarisannya adalah definisi kekompakan relatif yang diterapkan pada {Tfn}\{Tf_n\}. Seandainya TT bijektif dengan invers yang kontinu, maka T(B(0,1))B(0,ε)T(B(0,1)) \supseteq B(0, \varepsilon) untuk suatu ε>0\varepsilon > 0 (sebab T1T^{-1} kontinu di 00); lalu bola tertutup Bˉ(0,ε)\bar B(0,\varepsilon), sebagai himpunan bagian tertutup dari T(B(0,1))\overline{T(B(0,1))} yang kompak, akan menjadi kompak — dan itu mustahil di C([0,1])\mathcal C(\intcc01) yang berdimensi tak berhingga menurut teorema Riesz (Tahun ke-2).

Latihan 7.8 ★★

Buktikan atau sanggahlah, untuk fn ⁣:[0,1]Rf_n \colon \intcc01 \to \R yang kontinu: (a) fn0f_n \downarrow 0 titik demi titik \Rightarrow secara seragam (yakni Dini — buktikan ulang); (b) sama tetapi tanpa kemonotonan; (c) sama dengan kemonotonan tetapi ff tak kontinu; (d) sama dengan kemonotonan, dengan limit kontinu, tetapi pada (0,1)\intoo01.

Solusi

Solusi Latihan 7.8.

(a) Dini: lihat Lema 7.13 — yaitu argumen penyelimutannya. (b) Salah: sebab gundukan berjalan fn(x)=max(0,1nx1)f_n(x) = \max(0, 1 - \abs{nx - 1}) menuju 00 titik demi titik (sebab untuk x>0x > 0, fn(x)=0f_n(x) = 0 begitu n>2/xn > 2/x; dan fn(0)=0f_n(0) = 0) padahal fn=1\norm{f_n}_\infty = 1. (c) Salah: sebab fn(x)=xnf_n(x) = x^n turun ke 1{1}\mathbf 1_{\{1\}} yang tak kontinu; dan sup[0,1]fnf=sup[0,1)xn=1\sup_{[0,1]}\abs{f_n - f} = \sup_{[0,1)} x^n = 1. (d) Salah: sebab xn0x^n \downarrow 0 titik demi titik pada (0,1)\intoo01 yang tak kompak, dengan sup(0,1)xn=1\sup_{(0,1)}x^n = 1. Jadi setiap hipotesis Dini memang diperlukan.

Latihan 7.9 ★★

(a) (Momen menentukan) Misalkan fC([0,1])f \in \mathcal C(\intcc01) dengan 01f(x)xn ⁣dx=0\int_0^1 f(x)\,x^n\,\dd x = 0 untuk setiap nNn \in \N. Tunjukkan f=0f = 0. (Hampiri ff secara seragam dengan polinomial lalu hitunglah f2\int f^2.) (b) Tunjukkan bahwa polinomial genap padat di C([0,1])\mathcal C(\intcc01) tetapi tidak di C([1,1])\mathcal C(\intcc{-1}1); di manakah hipotesis Stone–Weierstrass gagal? (c) Apakah aljabar yang dibangun oleh xeixx \mapsto \eu^{\iu x} saja (tanpa eix\eu^{-\iu x}) padat di C(S1,C)\mathcal C(S^1, \C)? (Tinjaulah 02πf(t)eit ⁣dt\int_0^{2\pi}f(t)\,\eu^{\iu t}\dd t.)

Solusi

Solusi Latihan 7.9.

(a) Lewat kelinearannya 01fP=0\int_0^1 fP = 0 untuk setiap polinomial PP. Pilihlah PnfP_n \to f secara seragam (Akibat 7.16): maka 01f2=lim01fPn=0\int_0^1 f^2 = \lim\int_0^1 fP_n = 0, dan f20f^2 \geq 0 yang kontinu dengan integral nol pastilah lenyap secara identik.

(b) Pada [0,1]\intcc01: polinomial dalam x2x^2 membentuk aljabar yang memuat konstanta dan memisahkan titik (sebab xx2x \mapsto x^2 injektif pada [0,1]\intcc01): jadi padat menurut Stone–Weierstrass. Pada [1,1]\intcc{-1}1: x2x^2 bernilai sama di ±x\pm x, dan demikian pula setiap polinomial dalam x2x^2: sehingga limit seragamnya berupa fungsi genap. Seandainya fungsi genap gng_n konvergen seragam ke identitasnya, maka x=limgn(x)=limgn(x)=xx = \lim g_n(x) = \lim g_n(-x) = -x untuk setiap xx: mustahil — jadi tidak padat. Hipotesis pemisahannya gagal pada pasangan {x,x}\{x, -x\}.

(c) Tidak. Sebab untuk ff di dalam aljabar A\mathcal A yang dibangun oleh konstanta dan eit\eu^{\iu t} — yakni kombinasi linear eint\eu^{\iu nt} dengan n0n \geq 0 — berlaku Λ(f)=02πf(t)eit ⁣dt=0\Lambda(f) = \int_0^{2\pi}f(t)\,\eu^{\iu t}\,\dd t = 0 (sebab setiap 02πei(n+1)t ⁣dt=0\int_0^{2\pi}\eu^{\iu(n+1)t}\dd t = 0). Fungsional Λ\Lambda bersifat kontinu terhadap \norm\cdot_\infty (sebab Λ(f)2πf\abs{\Lambda(f)}\leq 2\pi\norm f_\infty), sehingga Λ\Lambda lenyap pada Aˉ\bar{\mathcal A}; padahal Λ(eit)=2π0\Lambda(\eu^{-\iu t}) = 2\pi \neq 0: jadi eitAˉ\eu^{-\iu t} \notin \bar{\mathcal A}. (Stone–Weierstrass tak berlaku di sini: sebab A\mathcal A tidak stabil terhadap konjugasi — dan halangannya persis yang akan disistematiskan teori fungsi holomorfik pada Bab 16.)

Latihan 7.10 ★★★

(Keterbatasan seragam, versi metrik) Misalkan XX sebuah ruang metrik yang lengkap dan FC(X,R)\mathcal F \subseteq \mathcal C(X, \R) sebuah keluarga yang terbatas titik demi titik: supfFf(x)<\sup_{f \in \mathcal F}\abs{f(x)} < \infty untuk setiap xx. Tunjukkan bahwa ada UXU \subseteq X terbuka dan tak kosong yang di atasnya F\mathcal F terbatas seragam: supfsupUf<\sup_{f}\sup_U \abs f < \infty. (Tinjaulah Fn={x:f(x)n f}F_n = \{x : \abs{f(x)} \leq n\ \forall f\}.) Inilah mesin di balik Banach–Steinhaus pada Bab 8.

Solusi

Solusi Latihan 7.10.

Himpunan Fn=fF{x:f(x)n}F_n = \bigcap_{f \in \mathcal F}\{x : \abs{f(x)} \leq n\} merupakan irisan himpunan tertutup: jadi tertutup. Keterbatasan titik demi titiknya memberikan X=nFnX = \bigcup_n F_n. Lalu Baire (Teorema 7.6) menyediakan n0n_0 dengan U=F˚n0U = \mathring F_{n_0} \neq \varnothing: sehingga pada UU berlaku fn0\abs f \leq n_0 untuk setiap fFf \in \mathcal F serentak.

Latihan 7.11 ★★

(C1\mathcal C^1 memerlukan normanya sendiri) Pada E=C1([0,1],R)E = \mathcal C^1(\intcc01, \R) tinjaulah fC1=f+f\norm f_{\mathcal C^1} = \norm f_\infty + \norm{f'}_\infty. (a) Tunjukkan bahwa (E,C1)(E, \norm\cdot_{\mathcal C^1}) lengkap (barisan Cauchy-C1\mathcal C^1 mempunyai fnff_n \to f dan fngf_n' \to g secara seragam; kenalilah g=fg = f' dengan mengambil limit pada fn(x)=fn(0)+0xfnf_n(x) = f_n(0) + \int_0^xf_n'). (b) Tunjukkan bahwa (E,)(E, \norm\cdot_\infty) tidak lengkap: tampilkan limit seragam fungsi C1\mathcal C^1 yang tak dapat diturunkan (misalnya penghampiran mulus dari x12\abs{x - \tfrac12}). (c) Simpulkan dari (a), (b) dan lingkaran gagasan pemetaan terbuka — atau secara langsung — bahwa tak ada konstanta CC yang memenuhi fCf\norm{f'}_\infty \leq C\,\norm f_\infty pada EE: tampilkan barisan yang menjadi saksinya. Jadi pendiferensialan tak terbatas; dan inilah jurang di balik Teorema 7.9.

Solusi

Solusi Latihan 7.11.

(a) Barisan Cauchy terhadap C1\norm\cdot_{\mathcal C^1} bersifat Cauchy seragam bersama turunannya: sehingga fnff_n \to f dan fngf_n' \to g secara seragam, dengan f,gf, g kontinu. Mengambil limitnya (kekonvergenan seragam mengizinkannya di bawah integral) pada fn(x)=fn(0)+0xfn(t) ⁣dtf_n(x) = f_n(0) + \int_0^xf_n'(t)\,\dd t memberikan f(x)=f(0)+0xgf(x) = f(0) + \int_0^xg: jadi ff bersifat C1\mathcal C^1 dengan f=gf' = g, dan fnfC10\norm{f_n - f}_{\mathcal C^1} \to 0. Jadi lengkap.

(b) Fungsi h(x)=x12h(x) = \abs{x - \frac12} merupakan limit seragam fungsi C1\mathcal C^1, misalnya hn(x)=(x12)2+1nh_n(x) = \sqrt{(x - \frac12)^2 + \frac1n} (sebab hnh1n\abs{h_n - h} \leq \frac1{\sqrt n} lewat batas kuantitas sekawan), padahal hEh \notin E: jadi norma sup\sup pada EE tidak lengkappelengkapannya adalah C([0,1])\mathcal C(\intcc01).

(c) Barisan fn(x)=sin(2πnx)f_n(x) = \sin(2\pi nx) mempunyai fn=1\norm{f_n}_\infty = 1 dan fn=2πn\norm{f_n'}_\infty = 2\pi n \to \infty: jadi tak ada CC yang berlaku. (Secara konseptual: seandainya pendiferensialan terbatas terhadap norma sup, kedua norma pada (a)–(b) akan setara, sehingga membuat (E,)(E, \norm\cdot_\infty) lengkap — dan itu bertentangan dengan (b). Ketakterbatasan inilah yang persis membuat fungsi kontinu yang umum dapat gagal diturunkan di mana pun, Teorema 7.9.)

Latihan 7.12 ★★★

(Lema Croft) Misalkan f ⁣:(0,)Rf\colon\intoo0\infty\to\R kontinu dan andaikan bahwa untuk setiap x>0x > 0 berlaku f(nx)0f(nx) \to 0 ketika bilangan bulat nn \to \infty. Tunjukkan bahwa f(t)0f(t) \to 0 ketika t+t \to +\infty. (Tetapkan ε>0\varepsilon > 0; maka himpunan FN={x>0:f(nx)ε  nN}F_N = \{x > 0 : \abs{f(nx)} \leq \varepsilon\ \ \forall n \geq N\} bersifat tertutup dan menyelimuti (0,)\intoo0\infty; lalu Baire pada suatu selang [a,b]\intcc ab memberikan NN dan subselang [a,b]FN\intcc{a'}{b'} \subseteq F_N; kemudian dilatasi [na,nb]\bigl[na', nb'\bigr] dengan nNn \geq N menyelimuti seluruh persekitaran ++\infty begitu n(ba)an(b' - a') \geq a'.) Di manakah hipotesis “untuk setiap xx” (bukan hanya xx rasional) dipakai?

Solusi

Solusi Latihan 7.12.

Tetapkan ε>0\varepsilon > 0. Setiap FNF_N merupakan irisan atas nNn \geq N dari prapeta [ε,ε]\intcc{-\varepsilon} \varepsilon yang tertutup di bawah xf(nx)x \mapsto f(nx) yang kontinu: jadi tertutup. Hipotesisnya mengatakan bahwa setiap x>0x > 0 terletak di suatu FNF_N. Menurut Baire yang diterapkan di dalam [a,b]\intcc ab yang lengkap (untuk sembarang 0<a<b0 < a < b), ada FNF_N yang padat pada suatu subselang; dan karena tertutup, ia memuat sebuah selang [a,b]\intcc{a'}{b'} dengan 0<a<b0 < a' < b'. Lalu untuk setiap nmax(N,aba)n \geq \max(N, \frac{a'}{b' - a'}), kedua selang [na,nb]\intcc{na'}{nb'} dan [(n+1)a,(n+1)b]\intcc{(n+1)a'}{(n+1)b'} bertindih (sebab nb(n+1)anb' \geq (n+1)a'), sehingga

nn0[na,nb][n0a,+),\bigcup_{n \geq n_0}\intcc{na'}{nb'} \supseteq \intco{n_0a'}{+\infty},

dan setiap tn0at \geq n_0a' berbentuk t=nxt = nx dengan nNn \geq N dan x[a,b]FNx \in \intcc{a'}{b'} \subseteq F_N: jadi f(t)ε\abs{f(t)} \leq \varepsilon. Karena itu lim suptfε\limsup_{t\to\infty}\abs f \leq \varepsilon untuk setiap ε\varepsilon: sehingga f0f \to 0. Hipotesis penuhnya diperlukan karena FNF_N harus menyelimuti sekumpulan xx sebesar selang — sebab dengan xx rasional saja gabungan FNF_N bersifat terbilang dan Baire tak memberikan apa pun; dan memang ada contoh penyangkal yang kontinu, yang lenyap sepanjang semua sinar rasional tetapi tidak di tak hingga.

7.6 Soal: teorema keberadaan Peano

Soal 7.1

Soal akhir pekan — keberadaan penyelesaian x=f(t,x)x' = f(t, x) tanpa Lipschitz

Cauchy–Lipschitz (Tahun ke-2; dibuktikan ulang pada Bab 19) menuntut ff bersifat Lipschitz terhadap xx. Peano (1890): kekontinuan ff sudah melahirkan keberadaannya — meski bukan ketunggalannya. Kita membuktikannya dengan poligon Euler dan Ascoli. Latarnya: f ⁣:RRdf \colon R \to \R^d kontinu pada persegi panjang R=[t0a,t0+a]×Bˉ(x0,b)R×RdR = \intcc{t_0 - a}{t_0 + a}\times \bar B(x_0, b) \subseteq \R\times\R^d, dengan M=supRfM = \sup_R\norm f, dan

T=min(a, b/M)(jika M=0 soalnya trivial).T = \min\bigl(a,\ b/M\bigr) \qquad (\text{jika } M = 0 \text{ soalnya trivial}).

Bagian I — Poligon Euler. Untuk n1n \geq 1, bagilah [t0,t0+T][t_0, t_0 + T] oleh tk=t0+kT/nt_k = t_0 + kT/n (0kn0 \leq k \leq n) lalu definisikan φn\varphi_n secara afin sepotong-sepotong: φn(t0)=x0\varphi_n(t_0) = x_0 dan, pada [tk,tk+1][t_k, t_{k+1}],

φn(t)=φn(tk)+(ttk)f(tk,φn(tk)).\varphi_n(t) = \varphi_n(t_k) + (t - t_k)\,f\bigl(t_k, \varphi_n(t_k)\bigr).
  1. Tunjukkan dengan induksi bahwa φn\varphi_n terdefinisi dengan baik, dengan φn(t)x0M(tt0)b\norm{\varphi_n(t) - x_0} \leq M(t - t_0) \leq b pada [t0,t0+T][t_0, t_0 + T] — sehingga titik pemasukan nilainya tetap di RR. (Di sinilah Tb/MT \leq b/M masuk.)
  2. Tunjukkan bahwa setiap φn\varphi_n bersifat Lipschitz-MM.
  3. Simpulkan dari Arzelà–Ascoli (Teorema 7.11) bahwa ada subbarisan (φnj)(\varphi_{n_j}) yang konvergen seragam pada [t0,t0+T][t_0, t_0 + T] ke suatu φ\varphi, yang sendirinya Lipschitz-MM dengan φ(t0)=x0\varphi(t_0) = x_0.

Bagian II — Limitnya menyelesaikan persamaan. Definisikan cacatnya Δn(t)=φn(t)f(t,φn(t))\Delta_n(t) = \varphi_n'(t) - f\bigl(t, \varphi_n(t)\bigr) di titik bukan kisi.

  1. Tunjukkan bahwa ff kontinu seragam pada RR, lalu simpulkan: untuk setiap ε>0\varepsilon > 0 ada n0n_0 sedemikian sehingga untuk nn0n \geq n_0 dan setiap tt bukan kisi berlaku Δn(t)ε\norm{\Delta_n(t)} \leq \varepsilon. (Pada (tk,tk+1)(t_k, t_{k+1}) berlaku φn(t)=f(tk,φn(tk))\varphi_n'(t) = f(t_k, \varphi_n(t_k)), sedangkan (t,φn(t))(t, \varphi_n(t)) berjarak paling banyak (1+M)T/n(1 + M)\,T/n dari (tk,φn(tk))(t_k, \varphi_n(t_k)).)
  2. Tegakkan bentuk integralnya: untuk setiap tt,

    φn(t)=x0+t0tf(s,φn(s)) ⁣ds+t0tΔn(s) ⁣ds,\varphi_n(t) = x_0 + \int_{t_0}^{t} f\bigl(s, \varphi_n(s)\bigr)\dd s + \int_{t_0}^t \Delta_n(s)\,\dd s,

    dengan integran di tengahnya kontinu sepotong-sepotong.

  3. Ambil limitnya sepanjang (nj)(n_j): tunjukkan f(s,φnj(s))f(s,φ(s))f(s, \varphi_{n_j}(s)) \to f(s, \varphi(s)) secara seragam (sekali lagi lewat kekontinuan seragam ff), lalu simpulkan

    φ(t)=x0+t0tf(s,φ(s)) ⁣ds.\varphi(t) = x_0 + \int_{t_0}^t f\bigl(s, \varphi(s)\bigr)\dd s .
  4. Simpulkan bahwa φ\varphi bersifat C1\mathcal C^1 pada [t0,t0+T][t_0, t_0 + T] dan menyelesaikan x=f(t,x)x' = f(t, x), x(t0)=x0x(t_0) = x_0; lalu perluaslah konstruksinya ke [t0T,t0][t_0 - T, t_0] (lewat pembalikan waktu). Inilah teorema Peano.

Bagian III — Ketunggalannya sungguh gagal. Tinjaulah x=2xx' = 2\sqrt{\abs x}, x(0)=0x(0) = 0, pada R\R.

  1. Periksalah bahwa f(x)=2xf(x) = 2\sqrt{\abs x} kontinu tetapi tidak Lipschitz pada persekitaran 00 mana pun.
  2. Periksalah bahwa x0x \equiv 0 dan, untuk setiap c0c \geq 0,

    xc(t)={0tc,(tc)2tc,x_c(t) = \begin{cases} 0 & t \leq c,\\ (t - c)^2 & t \geq c,\end{cases}

    semuanya merupakan penyelesaian yang melalui (0,0)(0,0): jadi ada kontinum penyelesaian yang berbeda.

  3. Di manakah argumen iterasi Picard (lewat titik tetap Banach) runtuh untuk ff ini?

Bagian IV — Batas metodenya.

  1. Tunjukkan bahwa teorema Peano gagal pada dimensi tak berhingga: kita terima (atau Anda boleh percaya saja) contoh klasik Dieudonné di ruang c0c_0 berisi barisan yang menuju nol; sebagai gantinya, buktikan bahan berdimensi berhingga yang gagal di sana: bahwa bola satuan tertutup c0c_0 (dengan norma sup) tidak kompak — tampilkan barisan terbatas yang tak punya subbarisan konvergen, lalu jelaskan langkah Bagian I mana yang runtuh.
  2. Rangkumlah: hipotesis mana yang memberikan keberadaan? dan mana yang memberikan keberadaan sekaligus ketunggalan? Nyatakan kedua teorema itu secara tepat (Peano; Cauchy–Lipschitz) berdampingan.

Bagian V — Osgood: ketunggalan di luar Lipschitz. Misalkan ω ⁣:(0,)(0,)\omega\colon\intoo0\infty\to\intoo0\infty kontinu dan tak turun, dengan

01 ⁣drω(r)=+(divergen di 0),\int_0^1\frac{\dd r}{\omega(r)} = +\infty \qquad(\text{divergen di } 0),

lalu andaikan ff memenuhi f(t,x)f(t,y)ω(xy)\norm{f(t, x) - f(t, y)} \leq \omega\bigl(\norm{x - y}\bigr) pada RR.

  1. Periksalah bahwa ω(r)=Lr\omega(r) = Lr memenuhinya (yakni Lipschitz), bahwa ω(r)=rlog1r\omega(r) = r\log\frac1r (yang diperluas secara kontinu untuk rr kecil) juga memenuhinya walaupun ia bukan O(r)O(r), dan bahwa ω(r)=2r\omega(r) = 2\sqrt r tidak. Hitunglah integralnya pada setiap kasus.
  2. Misalkan x1,x2x_1, x_2 menyelesaikan persamaan itu pada [t0,t0+T][t_0, t_0 + T] dengan x1(t0)=x2(t0)x_1(t_0) = x_2(t_0), dan δ(t)=x1(t)x2(t)\delta(t) = \norm{x_1(t) - x_2(t)}. Tunjukkan, hanya dari bentuk integralnya, bahwa untuk t0stt_0 \leq s \leq t berlaku

    δ(t)δ(s)+stω(δ(v)) ⁣dv.\delta(t) \leq \delta(s) + \int_s^t\omega\bigl(\delta(v)\bigr)\dd v .
  3. (Teorema Osgood) Andaikan δ(t1)>0\delta(t_1) > 0 untuk suatu t1t_1, lalu misalkan τ=sup{tt1:δ(t)=0}\tau = \sup\{t \leq t_1 : \delta(t) = 0\}. Untuk s(τ,t1)s \in \intoo\tau{t_1}, tetapkan u(t)=δ(s)+stω(δ(v)) ⁣dvu(t) = \delta(s) + \int_s^t\omega(\delta(v))\,\dd v. Tunjukkan δu\delta \leq u, u=ω(δ)ω(u)u' = \omega(\delta) \leq \omega(u), lalu simpulkan

    δ(s)u(t1) ⁣drω(r)t1st1τ.\int_{\delta(s)}^{u(t_1)}\frac{\dd r}{\omega(r)} \leq t_1 - s \leq t_1 - \tau .

    Biarkan sτs \downarrow \tau lalu turunkan kontradiksi dengan divergennya integral itu. Simpulkan: penyelesaian yang melalui syarat awal yang sama pastilah berimpit — yakni ketunggalan di bawah syarat Osgood.

  4. Tariklah akibatnya: ketunggalan Cauchy–Lipschitz merupakan kasus ω(r)=Lr\omega(r) = Lr; persamaan x=xlog1xx' = x\log\frac1{\abs x} (yang diperluas dengan 00 di 00) berpenyelesaian tunggal walaupun ruas kanannya tidak Lipschitz di 00; dan untuk x=2xx' = 2\sqrt{\abs x} konvergennya 0 ⁣dr2r\int_0\frac{\dd r}{2\sqrt r} persis merupakan hal yang membiarkan sebuah penyelesaian meninggalkan 00 dalam waktu berhingga — cocokkan nilai integral 0h2 ⁣dr2r=h\int_0^{h^2}\frac{\dd r}{2\sqrt r} = h dengan perilaku lolosnya xcx_c.

Bagian VI — Laju, skema, corong.

  1. (Lema Grönwall integral) Misalkan e,η0e, \eta \geq 0 kontinu pada [t0,t0+T][t_0, t_0+T] dengan e(t)t0t(Le(s)+η(s)) ⁣dse(t) \leq \int_{t_0} ^t\bigl(L\,e(s) + \eta(s)\bigr)\dd s untuk setiap tt. Tunjukkan

    e(t)supηL(eL(tt0)1)e(t) \leq \frac{\sup\eta}{L}\bigl(\eu^{L(t - t_0)} - 1\bigr)

    (tetapkan G(t)=t0t(Le+η)G(t) = \int_{t_0}^t(Le + \eta), catat bahwa GLG+supηG' \leq LG + \sup\eta, lalu turunkan eLtG(t)\eu^{-Lt}G(t)).

  2. (Euler konvergen dengan laju) Andaikan kini ff bersifat Lipschitz-LL terhadap xx dan Lipschitz-LL' terhadap tt pada RR. Dengan menggabungkan batas cacat pada pertanyaan 4 (yang dibuat kuantitatif: Δn(L+LM)T/n\norm{\Delta_n} \leq (L' + LM)T/n) dengan pertanyaan 17, buktikan

    sup[t0,t0+T]φnφ    (L+LM)TneLT1L=O(1n),\sup_{[t_0, t_0+T]}\norm{\varphi_n - \varphi} \;\leq\; \frac{(L' + LM)\,T}{n}\cdot \frac{\eu^{LT} - 1}{L} = O\Bigl(\frac1n\Bigr),

    dengan φ\varphi berupa satu-satunya penyelesaiannya: jadi dengan data Lipschitz seluruh barisannya konvergen, dengan laju yang eksplisit — tanpa perlu subbarisan. Mengapa ketunggalannya meningkatkan kekonvergenan subbarisan menjadi kekonvergenan penuh bahkan tanpa perhitungan ini?

  3. (Skemanya memilih) Untuk x=2xx' = 2\sqrt{\abs x}, x(0)=0x(0) = 0: tunjukkan bahwa setiap poligon Euler identik nol, sehingga skemanya konvergen ke penyelesaian x0x \equiv 0; tetapi bila dimulai di x(0)=ε>0x(0) = \varepsilon > 0 ia konvergen (ketika nn \to \infty, lalu ε0\varepsilon \to 0) ke tt2t \mapsto t^2, yaitu penyelesaian yang berbeda melalui titik asalnya. Jadi ketaktunggalannya muncul kembali sebagai kepekaan skema numeriknya terhadap usikan.
  4. Tunjukkan bahwa himpunan S\mathcal S berisi semua penyelesaian x=f(t,x)x' = f(t,x), x(t0)=x0x(t_0) = x_0 pada [t0,t0+T][t_0, t_0+T] (dengan nilai di Bˉ(x0,b)\bar B(x_0, b)) bersifat tak kosong (Bagian II), Lipschitz-MM secara seragam, dan tertutup di (C([t0,t0+T],Rd),)\bigl(\mathcal C([t_0, t_0+T], \R^d), \norm\cdot_\infty\bigr); lalu simpulkan lewat Ascoli bahwa S\mathcal S bersifat kompak. (Teorema Kneser menambahkan bahwa S\mathcal S terhubung; kita tak akan membuktikannya.)
  5. Periksalah gejala Kneser pada contohnya: untuk x=2xx' = 2\sqrt{\abs x}, x(0)=0x(0) = 0, pada [0,1][0, 1], tunjukkan S={xc:c[0,]}\mathcal S = \{x_c : c \in \intcc0\infty\} dengan x0x_\infty \equiv 0 (untuk sembarang penyelesaian, misalkan c=sup{t:x(t)=0}c = \sup\{t : x(t) = 0\} lalu integralkan (x)=1(\sqrt x)' = 1 pada {x>0}\{x > 0\}), bahwa cxcc \mapsto x_c kontinu dari [0,]\intcc0\infty (yakni kompaktifikasi satu titiknya, dengan c=c = \infty direkatkan sebagai limitnya) ke C([0,1])\mathcal C([0,1]), lalu simpulkan bahwa S\mathcal S memang kompak dan terhubung — yaitu corong berbentuk ruas garis.
  6. (Himpunan tercapai) Simpulkan dari pertanyaan 20 bahwa untuk setiap tt yang tetap, himpunan tercapai S(t)={x(t):xS}\mathcal S(t) = \{x(t) : x \in \mathcal S\} bersifat kompak; lalu hitunglah untuk contoh pada pertanyaan 21 dan periksalah bahwa ia juga terhubung: S(t)=[0,t2]\mathcal S(t) = \intcc0{t^2} — jadi setiap keadaan antaranya dicapai oleh suatu penyelesaian.

Bagian VII — Pelengkap: kebergantungan, keoptimalan, dan sebuah skema yang dihitung dengan tangan.

  1. (Kebergantungan kontinu) Andaikan ff bersifat Lipschitz-LL terhadap xx pada RR, lalu misalkan x,yx, y dua penyelesaian dengan nilai awal x0,y0x_0, y_0 di t0t_0. Dengan menyesuaikan bukti pertanyaan 17 pada ketaksamaan e(t)x0y0+t0tLe(s) ⁣dse(t) \leq \norm{x_0 - y_0} + \int_{t_0}^tL\,e(s)\dd s, tunjukkan

    x(t)y(t)x0y0eL(tt0),\norm{x(t) - y(t)} \leq \norm{x_0 - y_0}\, \eu^{L(t - t_0)},

    lalu periksalah pada x=Lxx' = Lx bahwa batasnya tercapai: jadi Grönwall bersifat tajam. Simpulkan kembali ketunggalannya (untuk x0=y0x_0 = y_0), dan bahwa pemetaan aliran x0x(t;x0)x_0 \mapsto x(t; x_0) bersifat Lipschitz dengan konstanta eLT\eu^{LT}, di mana pun ia terdefinisi.

  2. (Osgood bersifat optimal) Sebaliknya, misalkan ω\omega kontinu, tak turun, dan positif pada (0,)\intoo0\infty, dengan ω(r)0\omega(r) \to 0 ketika r0+r \to 0^+ tetapi

    01 ⁣drω(r)<+,\int_0^1\frac{\dd r}{\omega(r)} < +\infty,

    lalu perluas f(x)=ω(x)f(x) = \omega(\abs x) dengan f(0)=0f(0) = 0. Tunjukkan bahwa Ω(x)=0x ⁣drω(r)\Omega(x) = \int_0^x\frac{\dd r}{\omega(r)} merupakan bijeksi naik dari (0,1]\intoc0{1} pada (0,Ω(1)]\intoc0{\Omega(1)}, bahwa inversnya gg menyelesaikan g=ω(g)g' = \omega(g) dengan g(0+)=0g(0^+) = 0, dan bahwa gg, setelah diperluas dengan 00 untuk t0t \leq 0, merupakan penyelesaian C1\mathcal C^1 bagi x=f(x)x' = f(x) yang melalui (0,0)(0, 0) dan berbeda dari x0x \equiv 0 (untuk g(0)=0g'(0) = 0, batasilah g(t)t\frac{g(t)}t oleh ω(g(t))\omega(g(t))). Simpulkan: hipotesis divergensi pada pertanyaan 15 bukanlah kemudahan melainkan perbatasan ketunggalan yang persis; lalu perolehlah kembali Bagian III dari ω(r)=2r\omega(r) = 2\sqrt r, Ω(x)=x\Omega(x) = \sqrt x.

  3. (Euler dihitung dengan tangan) Untuk x=xx' = x, x(0)=1x(0) = 1 pada [0,1][0, 1]: tunjukkan bahwa poligon Eulernya memenuhi φn(1)=(1+1n)n\varphi_n(1) = \bigl(1 + \frac1n\bigr)^n. Buktikan penjabaran

    (1+1n)n=e(112n+O(1n2)),\Bigl(1 + \frac1n\Bigr)^{n} = \eu\Bigl(1 - \frac1{2n} + O\Bigl(\frac1{n^2}\Bigr) \Bigr),

    sehingga galatnya di t=1t = 1 adalah e2n+O(n2)\frac{\eu}{2n} + O(n^{-2}): yaitu laju O(1n)O(\frac1n) pada pertanyaan 18, dengan konstanta yang eksak. Periksalah secara numerik untuk n=10n = 10: 1.110=2.593741.1^{10} = 2.59374 berbanding e2.71828\eu \approx 2.71828, yakni galat 0.124540.12454 yang dibandingkan dengan e200.13591\frac{\eu}{20} \approx 0.13591.

Solusi

Solusi Soal 7.1.

1. Induksi pada kk: jika φn(tk)x0M(tkt0)MTb\norm{\varphi_n(t_k) - x_0} \leq M(t_k - t_0) \leq MT \leq b, maka titik (tk,φn(tk))(t_k, \varphi_n(t_k)) terletak di RR, sehingga kemiringan f(tk,φn(tk))f(t_k, \varphi_n(t_k)) terdefinisi dan bernorma M\leq M; lalu untuk t[tk,tk+1]t \in [t_k, t_{k+1}] berlaku φn(t)x0φn(tk)x0+M(ttk)M(tt0)MTb\norm{\varphi_n(t) - x_0} \leq \norm{\varphi_n(t_k) - x_0} + M(t - t_k) \leq M(t - t_0) \leq MT \leq b.

2. Setiap kepingan afinnya berkemiringan bernorma M\leq M; dan fungsi afin sepotong-sepotong yang kemiringannya terbatas oleh MM bersifat Lipschitz-MM (rantaikan lewat titik kisinya).

3. Keluarga (φn)(\varphi_n) terbatas titik demi titik (sebab nilainya di Bˉ(x0,b)\bar B(x_0, b)) dan ekuikontinu (dengan konstanta Lipschitz bersama MM): sehingga Ascoli (Teorema 7.11) mengekstrak φnjφ\varphi_{n_j} \to \varphi secara seragam pada [t0,t0+T][t_0, t_0 + T]. Batasnya beralih ke limitnya: jadi φ\varphi bersifat Lipschitz-MM dengan φ(t0)=x0\varphi(t_0) = x_0.

4. Karena RR kompak dan ff kontinu: maka ia kontinu seragam (menurut Heine, Akibat 6.17); misalkan δ(ε)\delta(\varepsilon) sebuah modulusnya. Untuk t(tk,tk+1)t \in (t_k, t_{k+1}) yang bukan kisi: φn(t)=f(tk,φn(tk))\varphi_n'(t) = f(t_k, \varphi_n(t_k)), sedangkan kedua titik pemasukan nilai ff berbeda sebesar ttkT/n\abs{t - t_k} \leq T/n pada waktunya dan φn(t)φn(tk)MT/n\norm{\varphi_n(t) - \varphi_n(t_k)} \leq MT/n pada ruangnya. Jadi untuk nn0n \geq n_0 dengan (1+M)T/n0<δ(ε)(1 + M)T/n_0 < \delta(\varepsilon): Δn(t)ε\norm{\Delta_n(t)} \leq \varepsilon.

5. Pada setiap [tk,tk+1][t_k, t_{k+1}], φn\varphi_n bersifat afin, sehingga φn(tk+1)φn(tk)=tktk+1φn(s) ⁣ds\varphi_n(t_{k+1}) - \varphi_n(t_k) = \int_{t_k}^{t_{k+1}} \varphi_n'(s)\dd s, dengan turunannya berupa kemiringan yang konstan; lalu menjumlahkan atas kepingannya (dan memotong yang terakhir di tt): φn(t)=x0+t0tφn(s) ⁣ds\varphi_n(t) = x_0 + \int_{t_0}^t\varphi_n'(s)\,\dd s. Menuliskan φn=f(s,φn(s))+Δn(s)\varphi_n' = f(s, \varphi_n(s)) + \Delta_n(s) (dengan integran kontinu sepotong-sepotong, berlompatan berhingga banyak) memberikan tampilan itu.

6. Diberikan ε\varepsilon: untuk jj besar berlaku φnjφ<δ(ε)\norm{\varphi_{n_j} - \varphi}_\infty < \delta(\varepsilon), sehingga f(s,φnj(s))f(s,φ(s))ε\norm{f(s, \varphi_{n_j}(s)) - f(s, \varphi(s))} \leq \varepsilon untuk setiap ss: jadi integrannya konvergen seragam, dan t0tf(s,φnj(s)) ⁣dst0tf(s,φ(s)) ⁣ds\int_{t_0}^t f(s,\varphi_{n_j}(s))\dd s \to \int_{t_0}^tf(s, \varphi(s))\dd s seragam terhadap tt. Lagi pula t0tΔnjTsupΔnj0\norm{\int_{t_0}^t\Delta_{n_j}} \leq T\sup\norm{\Delta_{n_j}} \to 0 (pertanyaan 4). Dengan mengambil limit pada identitas pertanyaan 5: φ(t)=x0+t0tf(s,φ(s)) ⁣ds\varphi(t) = x_0 + \int_{t_0}^tf(s, \varphi(s))\,\dd s.

7. Integran sf(s,φ(s))s \mapsto f(s, \varphi(s)) bersifat kontinu, sehingga ruas kanannya C1\mathcal C^1 terhadap tt dengan turunan f(t,φ(t))f(t, \varphi(t)): jadi φ\varphi menyelesaikan masalah Cauchy pada [t0,t0+T][t_0, t_0 + T]. Untuk separuh kirinya, tetapkan g(t,x)=f(2t0t,x)g(t, x) = -f(2t_0 - t, x), yang kontinu pada persegi panjang cerminannya dengan batas MM yang sama; lalu penyelesaian ψ\psi dari y=g(t,y)y' = g(t,y), y(t0)=x0y(t_0) = x_0 pada [t0,t0+T][t_0, t_0 + T] melahirkan φ(t)=ψ(2t0t)\varphi(t) = \psi(2t_0 - t) yang menyelesaikan persamaan aslinya pada [t0T,t0][t_0 - T, t_0]; dan kedua separuhnya merekat menjadi penyelesaian C1\mathcal C^1 (sebab kedua turunan sepihaknya di t0t_0 sama dengan f(t0,x0)f(t_0, x_0)). — Inilah teorema Peano: ff yang kontinu mempunyai penyelesaian lokal melalui setiap syarat awal.

8. Kekontinuannya jelas. Sifat Lipschitz di dekat 00 gagal: sebab f(h)f(0)=2h\abs{f(h) - f(0)} = 2\sqrt h, dan 2hLh2\sqrt h \leq L h salah untuk h<4/L2h < 4/L^2.

9. Untuk tct \leq c: xc0x_c \equiv 0 menyelesaikannya. Untuk tct \geq c: xc(t)=2(tc)=2(tc)2=2xcx_c'(t) = 2(t - c) = 2\sqrt{(t-c)^2} = 2\sqrt{\abs{x_c}}. Di t=ct = c kedua turunan sepihaknya bernilai 00: jadi xcx_c bersifat C1\mathcal C^1 dan menyelesaikannya secara global, dengan xc(0)=0x_c(0) = 0 untuk setiap c0c \geq 0 — dan bersama x0x \equiv 0, terbentuklah kontinum penyelesaian melalui titik asalnya.

10. Iterasi Picard menyusun Φ(x)(t)=x0+0tf(x(s)) ⁣ds\Phi(x)(t) = x_0 + \int_0^t f(x(s))\dd s dan menuntut Φ(x)Φ(y)kxy\norm{\Phi(x) - \Phi(y)} \leq k\norm{x - y} dengan k<1k < 1 pada bola yang sesuai — dan itu menyusul dari batas Lipschitz pada ff, yang dipindahkan ke bawah integralnya. Di sini \sqrt\cdot tak punya batas Lipschitz di dekat 00, dan tak ada pilihan selang atau bola yang memperbaikinya. Dan memang tak ada bukti ketunggalan yang bisa berhasil: sebab ketunggalannya salah (pertanyaan 9).

11. Di c0c_0, vektor satuan en=(0,,0,1,0,)e_n = (0, \dots, 0, 1, 0, \dots) memenuhi enem=1\norm{e_n - e_m}_\infty = 1 untuk nmn \neq m: sehingga tak ada subbarisan yang Cauchy, jadi bola satuan tertutupnya tidak kompak. Langkah yang runtuh adalah ekstraksinya (pertanyaan 3): sebab Ascoli untuk C([t0,t0+T],E)\mathcal C([t_0, t_0+T], E) menuntut nilainya hidup di ruang tempat himpunan terbatas bersifat kompak relatif — benar di Rd\R^d (lewat Bolzano–Weierstrass), salah di c0c_0; sehingga ekstraksi titik demi titik tak lagi tersedia (dan memang contoh Dieudonné sama sekali tak punya penyelesaian lokal).

12. Peano: jika ff kontinu pada persekitaran (t0,x0)(t_0, x_0) di R×Rd\R\times\R^d, \Rightarrow maka ada penyelesaian C1\mathcal C^1 bagi x=f(t,x)x' = f(t,x), x(t0)=x0x(t_0) = x_0, pada suatu [t0T,t0+T][t_0 - T, t_0 + T]. Cauchy–Lipschitz (Bab 19): jika di samping itu ff bersifat Lipschitz lokal terhadap variabel xx, maka penyelesaiannya tunggal (sebab dua penyelesaian bersesuaian pada selang bersamanya) — yakni keberadaan sekaligus ketunggalan. Pasangan (x=2x, x(0)=0)(x' = 2\sqrt{\abs x},\ x(0) = 0) memisahkan kedua teorema itu.

13. Untuk ω(r)=Lr\omega(r) = Lr: 01 ⁣drLr=+\int_0^1\frac{\dd r}{Lr} = +\infty: jadi memenuhi. Untuk ω(r)=rlog1r\omega(r) = r\log\frac1r (di dekat 00):  ⁣drrlog(1/r)=[loglog1r]+\int\frac{\dd r}{r\log(1/r)} = \bigl[-\log\log\frac1r\bigr] \to +\infty ketika r0r \to 0: jadi memenuhi — padahal ω(r)/r=log1r\omega(r)/r = \log\frac1r \to \infty: jadi tidak Lipschitz. Untuk ω(r)=2r\omega(r) = 2\sqrt r: 01 ⁣dr2r=[r]01=1<\int_0^1\frac{\dd r}{2\sqrt r} = \bigl[\sqrt r\bigr]_0^1 = 1 < \infty: jadi gagal.

14. Kurangkan kedua bentuk integralnya:

x1(t)x2(t)=x1(s)x2(s)+st(f(v,x1(v))f(v,x2(v))) ⁣dv,x_1(t) - x_2(t) = x_1(s) - x_2(s) + \int_s^t\bigl(f(v, x_1(v)) - f(v, x_2(v))\bigr)\dd v,

lalu ambil normanya dan pakai modulus Osgoodnya: sehingga δ(t)δ(s)+stω(δ(v)) ⁣dv\delta(t) \leq \delta(s) + \int_s^t\omega(\delta(v))\,\dd v.

15. Bilangan τ\tau terdefinisi dengan baik (sebab δ(t0)=0\delta(t_0) = 0) dengan δ(τ)=0\delta(\tau) = 0 (menurut kekontinuannya) dan δ>0\delta > 0 pada (τ,t1]\intoc\tau{t_1}. Tetapkan s(τ,t1)s \in \intoo\tau{t_1}. Maka uu bersifat C1\mathcal C^1, u(s)=δ(s)>0u(s) = \delta(s) > 0, uδu \geq \delta pada [s,t1][s, t_1] (pertanyaan 14), dan u=ω(δ)ω(u)u' = \omega(\delta) \leq \omega(u) (sebab ω\omega tak turun dan u>0u > 0). Bagilah lalu integralkan:

δ(s)u(t1) ⁣drω(r)=st1u(v)ω(u(v)) ⁣dvt1st1τ.\int_{\delta(s)}^{u(t_1)}\frac{\dd r}{\omega(r)} = \int_s^{t_1}\frac{u'(v)}{\omega(u(v))}\,\dd v \leq t_1 - s \leq t_1 - \tau .

Meski uu bergantung pada ss, batas u(t1)δ(t1)u(t_1) \geq \delta(t_1) berlaku untuk setiap ss, sehingga ruas kirinya sekurang-kurangnya δ(s)δ(t1) ⁣drω(r)\int_{\delta(s)}^{\delta(t_1)}\frac{\dd r}{\omega(r)}, yang menuju ++\infty ketika sτs \downarrow \tau (sebab lalu δ(s)δ(τ)=0\delta(s) \to \delta(\tau) = 0, dan integralnya divergen di 00): jadi ruas kanannya yang terbatas terbantahkan. Karena itu δ0\delta \equiv 0: yakni ketunggalannya.

16. Lipschitz adalah kasus ω=Lr\omega = Lr: sehingga ketunggalannya diperoleh kembali. Untuk x=xlog1xx' = x\log\frac1{\abs x}: ruas kanannya memenuhi modulus Osgood ω(r)=rlog1r\omega(r) = r\log\frac1r di dekat 00 (lewat ketaksamaan nilai rata-rata pada xxlog1xx \mapsto x\log\frac1x, yang turunannya log1x1\log\frac1x - 1 tak terbatas — jadi Lipschitz gagal, Osgood berlaku): sehingga penyelesaiannya tunggal; catat bahwa x0x \equiv 0 salah satunya, sehingga tak ada penyelesaian lain yang dapat menyentuh 00. Untuk ω(r)=2r\omega(r) = 2\sqrt r: 0h2 ⁣dr2r=h\int_0^{h^2}\frac{\dd r}{2\sqrt r} = h — jadi “anggaran Osgood” untuk mendaki dari 00 ke ketinggian h2h^2 tepat sebesar waktu hh, dan memang xc(c+h)=h2x_c(c + h) = h^2: penyelesaiannya memakai waktu hh untuk melakukan persis apa yang diizinkan integral yang konvergen itu. Divergennya integral berarti kemustahilan meninggalkan 00 dalam waktu berhingga; sedangkan konvergennya adalah jalan lolosnya.

17. Fungsi G(t)=t0t(Le(s)+η(s)) ⁣dsG(t) = \int_{t_0}^t(Le(s) + \eta(s))\dd s bersifat C1\mathcal C^1 dengan G=Le+ηLG+supηG' = Le + \eta \leq LG + \sup\eta (menurut hipotesis eGe \leq G). Maka (eLt(G+supηL))=eLt(GLGsupη)0\bigl(\eu^{-Lt}(G + \tfrac{\sup\eta}L)\bigr)' = \eu^{-Lt}(G' - LG - \sup\eta) \leq 0: sehingga kurungnya menurun, jadi G(t)+supηLeL(tt0)(G(t0)+supηL)=eL(tt0)supηLG(t) + \frac{\sup\eta}L \leq \eu^{L(t - t_0)}\bigl(G(t_0) + \frac{\sup\eta}L\bigr) = \eu^{L(t-t_0)}\frac{\sup\eta}L, yakni e(t)G(t)supηL(eL(tt0)1)e(t) \leq G(t) \leq \frac{\sup\eta}L(\eu^{L(t-t_0)} - 1).

18. Cacat kuantitatifnya: pada (tk,tk+1)(t_k, t_{k+1}) berlaku Δn(t)=f(tk,φn(tk))f(t,φn(t))\Delta_n(t) = f(t_k, \varphi_n(t_k)) - f(t, \varphi_n(t)) dengan ttkT/n\abs{t - t_k} \leq T/n dan φn(t)φn(tk)MT/n\norm{\varphi_n(t) - \varphi_n(t_k)} \leq MT/n, sehingga ΔnLT/n+LMT/n\norm{\Delta_n} \leq L'T/n + LMT/n. Dengan mengurangkan identitas integral φn\varphi_n (pertanyaan 5) dan φ\varphi lalu memakai batas Lipschitznya:

φn(t)φ(t)t0tLφnφ(s) ⁣ds+t0tΔn(s) ⁣ds,\norm{\varphi_n(t) - \varphi(t)} \leq \int_{t_0}^t L\,\norm{\varphi_n - \varphi}(s)\,\dd s + \int_{t_0}^t\norm{\Delta_n(s)}\,\dd s,

lalu pertanyaan 17 dengan η=Δn\eta = \norm{\Delta_n} memberikan batas O(1/n)O(1/n) yang dinyatakan itu, dengan φ\varphi yang tunggal menurut Cauchy–Lipschitz (atau Osgood). Bahkan tanpa laju: setiap subbarisan dari (φn)(\varphi_n) yang terbatas dan Lipschitz secara seragam mempunyai sub-subbarisan yang konvergen (lewat Ascoli + Bagian II) ke suatu penyelesaian, yang oleh ketunggalannya terpaksa menjadi φ\varphi: dan barisan yang setiap subbarisannya mempunyai sub-subbarisan berlimit sama pastilah konvergen.

19. Dari φn(tk)=0\varphi_n(t_k) = 0: kemiringan 20=02\sqrt0 = 0 memberikan φn(tk+1)=0\varphi_n(t_{k+1}) = 0; lalu dengan induksi φn0\varphi_n \equiv 0, sehingga konvergen ke penyelesaian nolnya. Dari ε>0\varepsilon > 0: pada [ε,)[\varepsilon', \infty) dengan ε<ε\varepsilon' < \varepsilon fungsi 2x2\sqrt x bersifat Lipschitz, sehingga pertanyaan 18 berlaku dan Euler konvergen ke penyelesaian tunggal melalui (0,ε)(0, \varepsilon), yakni x(t)=(t+ε)2x(t) = (t + \sqrt\varepsilon)^2 (periksa: x=2(t+ε)=2xx' = 2(t + \sqrt \varepsilon) = 2\sqrt x). Ketika ε0\varepsilon \to 0, (t+ε)2t2(t + \sqrt\varepsilon)^2 \to t^2 seragam pada [0,1][0,1]: jadi limit gandanya mendarat pada x0(t)=t2x_0(t) = t^2, bukan pada 00. Usikan sekecil apa pun pada data awalnya mengalihkan skemanya dari satu penyelesaian ke penyelesaian lain: jadi ketaktunggalannya terbaca sebagai ketakstabilan numerik.

20. Ketakkosongannya: lihat Bagian II. Setiap penyelesaian memenuhi x=f(t,x)M\norm{x'} = \norm{f(t, x)} \leq M: sehingga S\mathcal S bersifat Lipschitz-MM secara seragam dan terbatas seragam (sebab nilainya di Bˉ(x0,b)\bar B(x_0, b)). Ketertutupannya: jika xnSxx_n \in \mathcal S \to x secara seragam, ambillah limit pada xn(t)=x0+t0tf(s,xn(s)) ⁣dsx_n(t) = x_0 + \int_{t_0}^tf(s, x_n(s))\dd s (sebab integrannya konvergen seragam menurut kekontinuan seragam ff pada RR yang kompak): maka xSx \in \mathcal S. Lewat Ascoli: S\mathcal S merupakan himpunan bagian C([t0,t0+T],Rd)\mathcal C([t_0, t_0+T], \R^d) yang tertutup, terbatas, dan ekuikontinu: jadi kompak.

21. Setiap penyelesaian bersifat tak turun (sebab x=2x0x' = 2\sqrt{\abs x} \geq 0) dengan x(0)=0x(0) = 0, sehingga x0x \geq 0. Misalkan c=sup{t[0,1]:x(t)=0}c = \sup\{t \in [0,1] : x(t) = 0\} (yang mungkin c=c = \infty bila x0x \equiv 0, dan dalam hal itu x=xx = x_\infty). Untuk t>ct > c: x>0x > 0 (menurut kemonotonannya dan definisi cc), dan di sana (x)=x2x=1(\sqrt x)' = \frac{x'}{2\sqrt x} = 1, sehingga x(t)=tc\sqrt{x(t)} = t - c (menurut kekontinuannya di cc): jadi x=xcx = x_c. Kekontinuan cxcc \mapsto x_c: untuk c,c[0,1]c, c' \in [0, 1] berlaku sup[0,1](tc)+2(tc)+22cc\sup_{[0,1]}\abs{(t - c)_+^2 - (t - c')_+^2} \leq 2\abs{c - c'} (sebab pemetaan c(tc)+2c \mapsto (t-c)_+^2 bersifat Lipschitz-22 seragam terhadap t[0,1]t \in [0,1]), dan karena xc0x_c \equiv 0 pada [0,1][0,1] untuk setiap c1c \geq 1, keluarganya menyusut menjadi S={xc:c[0,1]}\mathcal S = \{x_c : c \in [0,1]\} (dengan x1=0=xx_1 = 0 = x_\infty). Jadi S\mathcal S merupakan peta [0,1][0,1] yang kompak dan terhubung di bawah pemetaan kontinu cxcc \mapsto x_c: sehingga kompak dan terhubung. Corong penyelesaiannya berupa ruas garis kontinu yang membentang dari t2t^2 (lolos seketika) turun ke 00 (istirahat abadi).

22. Pemasukan nilai evt ⁣:C([0,1])R\operatorname{ev}_t\colon \mathcal C([0,1]) \to \R, xx(t)x \mapsto x(t), bersifat kontinu (sebab x(t)y(t)xy\abs{x(t) - y(t)} \leq \norm{x - y}_\infty), sehingga S(t)=evt(S)\mathcal S(t) = \operatorname{ev}_t(\mathcal S) merupakan peta kontinu sebuah kompak: jadi kompak — dan peta himpunan terhubung: jadi terhubung. Untuk contohnya: xc(t)=(tc)+2x_c(t) = (t - c)_+^2 menyapu, ketika cc menjelajahi [0,1][0, 1], semua nilai dari t2t^2 (di c=0c = 0) turun ke 00 (di ctc \geq t), secara kontinu: jadi S(t)=[0,t2]\mathcal S(t) = \intcc0{t^2}. Pada setiap saat, penampang corongnya berupa ruas garis penuh: jadi di antara istirahat dan pelolosan maksimal, setiap kompromi diwujudkan oleh sebuah penyelesaian yang sesungguhnya.

23. Dengan mengurangkan bentuk integral x(t)=x0+t0tf(s,x(s)) ⁣dsx(t) = x_0 + \int_{t_0}^tf(s, x(s))\dd s dan padanannya untuk yy, lalu menetapkan e(t)=x(t)y(t)e(t) = \norm{x(t) - y(t)} dan d=x0y0d = \norm{x_0 - y_0}:

e(t)d+t0tLe(s) ⁣ds=G(t).e(t) \leq d + \int_{t_0}^tL\,e(s)\dd s = G(t).

Maka G(t0)=dG(t_0) = d dan G=LeLGG' = Le \leq LG, sehingga (eL(tt0)G)0\bigl(\eu^{-L(t - t_0)}G\bigr)' \leq 0 dan G(t)deL(tt0)G(t) \leq d\,\eu^{L(t - t_0)}; karena itu e(t)deL(tt0)e(t) \leq d\,\eu^{L(t-t_0)}. Ketajamannya: untuk x=Lxx' = Lx, penyelesaian melalui x0x_0 dan y0y_0 adalah x0eL(tt0)x_0\eu^{L(t - t_0)} dan y0eL(tt0)y_0\eu^{L(t-t_0)}, yang jaraknya tepat deL(tt0)d\,\eu^{L(t-t_0)}. Dengan d=0d = 0 diperoleh e0e \equiv 0: yakni ketunggalan Cauchy–Lipschitz, yang diturunkan ulang dalam dua baris. Dan untuk t[t0,t0+T]t \in [t_0, t_0 + T] yang tetap, x(t;x0)x(t;y0)eLTx0y0\norm{x(t; x_0) - x(t; y_0)} \leq \eu^{LT}\norm{x_0 - y_0}: jadi alirannya bersifat Lipschitz terhadap syarat awalnya — yakni kebergantungan deterministik, dengan harga eksponensial yang terkendali.

24. Pada (0,1]\intoc01, Ω\Omega terdefinisi dengan baik (sebab integralnya konvergen di 00 menurut hipotesis) dan bersifat C1\mathcal C^1 dengan Ω=1ω>0\Omega' = \frac1\omega > 0: jadi bijeksi naik pada (0,Ω(1)]\intoc0{\Omega(1)}, dengan Ω(x)0\Omega(x) \to 0 ketika x0+x \to 0^+. Inversnya g ⁣:(0,Ω(1)](0,1]g \colon \intoc0{\Omega(1)} \to \intoc01 bersifat C1\mathcal C^1 dengan

g(t)=1Ω(g(t))=ω(g(t))>0,g(t)t0+0.g'(t) = \frac1{\Omega'(g(t))} = \omega\bigl(g(t)\bigr) > 0, \qquad g(t) \xrightarrow[t \to 0^+]{} 0 .

Perluaslah gg dengan 00 pada t0t \leq 0: kekontinuannya jelas, dan di t=0t = 0, untuk t>0t > 0,

g(t)t=1t0tg(s) ⁣ds=1t0tω(g(s)) ⁣dsω(g(t))t0+0\frac{g(t)}t = \frac1t\int_0^tg'(s)\dd s = \frac1t\int_0^t\omega\bigl(g(s)\bigr)\dd s \leq \omega\bigl(g(t)\bigr) \xrightarrow[t\to0^+]{} 0

(sebab ω\omega tak turun, gg naik, dan ω(0+)=0\omega(0^+) = 0): sehingga g(0)=0=f(g(0))g'(0) = 0 = f(g(0)), dan g=f(g)g' = f(g) berlaku pada kedua sisi 00. Jadi x0x \equiv 0 dan gg merupakan dua penyelesaian C1\mathcal C^1 berbeda yang melalui (0,0)(0, 0): jadi ketika 0 ⁣drω(r)\int_0\frac{\dd r} {\omega(r)} konvergen, ketunggalannya gagal — sehingga divergensi pada pertanyaan 15 tepat merupakan perbatasannya. Untuk ω(r)=2r\omega(r) = 2\sqrt r: Ω(x)=0x ⁣dr2r=x\Omega(x) = \int_0^x\frac{\dd r}{2\sqrt r} = \sqrt x, g(t)=t2g(t) = t^2, dan translasi waktu memberikan seluruh keluarga xcx_c pada Bagian III.

25. Dengan langkah h=1nh = \frac1n: φn(tk+1)=φn(tk)+hφn(tk)=(1+h)φn(tk)\varphi_n(t_{k+1}) = \varphi_n(t_k) + h\,\varphi_n(t_k) = (1 + h)\varphi_n(t_k), sehingga φn(1)=(1+1n)n\varphi_n(1) = (1 + \frac1n)^n setelah nn langkah. Penjabarannya:

nlog(1+1n)=n(1n12n2+O(1n3))=112n+O(1n2),n\log\Bigl(1 + \frac1n\Bigr) = n\Bigl(\frac1n - \frac1{2n^2} + O\Bigl(\frac1{n^3}\Bigr) \Bigr) = 1 - \frac1{2n} + O\Bigl(\frac1{n^2}\Bigr),

lalu dengan mengeksponenkannya, (1+1n)n=ee1/(2n)+O(n2)=e(112n+O(n2))(1 + \frac1n)^n = \eu\,\eu^{-1/(2n) + O(n^{-2})} = \eu\bigl(1 - \frac1{2n} + O(n^{-2})\bigr). Jadi galat di t=1t = 1 adalah eφn(1)=e2n+O(n2)\eu - \varphi_n(1) = \frac{\eu}{2n} + O(n^{-2}): yakni O(1n)O(\frac1n) pada pertanyaan 18, di sini beserta konstanta eksaknya e2\frac\eu2. Secara numerik, untuk n=10n = 10: 1.110=2.59374246011.1^{10} = 2.5937424601 (sebab 1.12=1.211.1^2 = 1.21, 1.14=1.46411.1^4 = 1.4641, 1.18=2.143588811.1^8 = 2.14358881, dikalikan 1.211.21), dan e2.593740.12454\eu - 2.59374 \approx 0.12454, berbanding ramalan asimtotiknya e200.13591\frac{\eu}{20} \approx 0.13591: jadi sesuai dalam batas koreksi O(n2)O(n^{-2}), yang suku utamanya di sini menurunkan ramalannya menuju nilai yang teramati.

Istilah yang didefinisikan dalam bab ini

Lihat semua 395 istilah di glosarium