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 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 : 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: lengkap; dan dengan 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 yang tertutup konvergen di , dan limitnya, yang melekat pada , terletak di ; sedangkan barisan yang konvergen di pada yang lengkap bersifat Cauchy, sehingga konvergen di , dan limitnya tunggal. ∎
Teorema 7.2 (Perluasan pemetaan kontinu seragam)
Misalkan padat, lengkap, dan kontinu seragam. Maka dapat diperluas secara tunggal menjadi yang kontinu, dan kontinu seragam.
Bukti. Ketunggalannya: dua perluasan kontinu bersesuaian pada yang padat, sehingga di mana-mana (sebab himpunan kesesuaiannya tertutup: yakni prapeta diagonal tertutup di bawah ). Keberadaannya: untuk ambillah dengan . Barisan bersifat Cauchy: diberikan , kekontinuan seragamnya menyediakan dengan , sedangkan bersifat Cauchy. Definisikan ; limitnya tidak bergantung pada barisan yang dipilih (selipkan dua di antaranya). Lalu memperluas (lewat barisan konstan) dan mewarisi modulus kekontinuannya: sebab jika , menghampiri keduanya dengan titik yang berjarak memberikan pada limitnya — jadi kontinu seragam. ∎
Teorema 7.3 (Pelengkapan)
Setiap ruang metrik terbenam secara isometrik sebagai himpunan bagian padat dari sebuah ruang metrik lengkap , yang tunggal sampai pada isometri yang menetapkan titik demi titik: yaitu pelengkapannya.
Bukti. Keberadaan. Misalkan himpunan barisan Cauchy di , dengan pseudojarak
dengan limitnya ada karena membuat barisan realnya Cauchy. Misalkan , dengan mengenali barisan yang berjarak- sama dengan ; lalu turun menjadi sebuah jarak. Benamkan lewat barisan konstan: sebuah isometri, dengan peta yang padat (sebab barisan Cauchy dihampiri secara oleh barisan konstan yang dibangun dari sukunya sendiri: ketika menurut sifat Cauchynya). Kelengkapan : misalkan Cauchy di ; menurut kepadatannya pilihlah dengan ; maka Cauchy di (lewat ketaksamaan segitiga melalui ), sehingga mendefinisikan titik , dan (sebab jarak dari konstanta ke kelas adalah , yang kecil untuk besar).
Ketunggalan: dua pelengkapan memuat secara padat; identitas , yang merupakan isometri, bersifat kontinu seragam, sehingga meluas menjadi (Teorema 7.2), yang tetap isometri pada himpunan padat sehingga di mana-mana; secara simetris pada arah sebaliknya, dan komposisinya menetapkan yang padat: jadi keduanya identitas. ∎
Teorema 7.4 (Titik tetap Banach)
Misalkan lengkap dan tak kosong, serta sebuah kontraksi: dengan . Maka mempunyai titik tetap tunggal , dan setiap orbit konvergen kepadanya, dengan laju eksplisit .
Bukti. (Tahun ke-2 sudah membuktikannya; kita catat ulang argumen dua barisnya demi kemandirian.) Orbit memenuhi , sehingga bersifat Cauchy (lewat deret geometri); limitnya bersifat tetap (karena kontinu), dan tunggal sebab dua titik tetap memenuhi . Lajunya: jumlahkan ekor geometrinya. ∎
Contoh 7.5 (Mengusik identitas)
Misalkan Lipschitz- dengan . Maka merupakan homeomorfisma pada . Keinjektifannya, beserta modulus kuantitatifnya:
Kesurjektifannya adalah teorema titik tetap: sebab menyelesaikan berarti , sedangkan merupakan kontraksi- pada yang lengkap — jadi ada penyelesaian tunggal untuk setiap . Ketaksamaan yang ditampilkan itu membuat invers bersifat Lipschitz dengan konstanta : 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 terbalikkan, 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 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 dengan setiap tertutup, maka ada yang interiornya tak kosong.
Bukti. Misalkan himpunan terbuka yang padat dan sembarang bola terbuka; kita cari titik di dalam . Secara induktif: karena padat dan terbuka, ia memotong bola terbuka pada sebuah himpunan terbuka, yang memuat bola tertutup dengan dan . Pusatnya membentuk barisan Cauchy (sebab untuk , dan jari-jarinya ); lalu limitnya terletak di setiap (karena tertutup), sehingga di setiap dan di . Untuk bentuk keduanya: jika tak ada yang berinterior, maka terbuka dan padat, dan sebuah titik lolos dari : 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) tak terbilang. (b) bukan irisan terbilang himpunan bagian terbuka , dan ruang metrik lengkap tak kosong tanpa titik terisolasi bersifat tak terbilang.
Bukti. (a) Jika atas himpunan terbilang, maka suatu himpunan tunggal akan berinterior. (b) Jika dengan terbuka (dan tentu padat, sebab ), maka himpunan beserta komplemen dengan membentuk keluarga terbilang himpunan terbuka padat yang irisannya kosong — dan itu bertentangan dengan Baire. Jika lengkap tanpa titik terisolasi dan terbilang, maka 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 yang tak dapat diturunkan di satu titik pun. Bahkan, himpunan yang mempunyai turunan (berhingga) walau di satu titik saja bersifat kurus di .
Bukti. Untuk misalkan
Jika dapat diturunkan di , maka untuk suatu : sebab hasil bagi terbatas untuk (menurut keterdiferensialannya: ia menuju ) dan terbatas oleh untuk . Jadi memuat semua fungsi yang dapat diturunkan di suatu tempat, sehingga cukup ditunjukkan bahwa setiap tertutup dan berinterior kosong.
Tertutup: misalkan secara seragam, dengan beserta saksinya (lewat kekompakan, setelah ekstraksi). Untuk dengan : pilihlah dengan (misalnya yang dipangkas); maka , dengan memakai kekonvergenan seragam dan kekontinuan di titik yang bersangkutan: jadi .
Interior kosong: diberikan dan , kita cari dengan dan . Pertama hampiri dalam oleh fungsi afin sepotong-sepotong (lewat kekontinuan seragamnya: interpolasikan pada kisi yang halus), yang kemiringannya terbatas oleh suatu . Lalu tambahkan gigi gergaji kecil: , dengan berupa zigzag berperiode , beramplitudo dan berkemiringan . Di setiap , pada salah satu sisinya ada sekecil apa pun dengan gigi gergajinya menyumbang kemiringan sepanjang : sehingga hasil bagi selisih melampaui untuk besar. Jadi , pada jarak seragam berapa pun dari . Kesimpulannya: bersifat kurus; dan menurut Baire komplemennya — yang terdiri atas fungsi tak dapat diturunkan di mana pun — bersifat padat di : jadi fungsi semacam itu ada dengan berlimpah. ∎
7.3 Arzelà–Ascoli
Sepanjang bagian ini, adalah ruang metrik kompak dan , dengan : sebuah ruang lengkap (sebab limit seragam fungsi kontinu tetap kontinu — Tahun ke-2).
Definisi 7.10
Sebuah keluarga disebut ekuikontinu jika untuk setiap ada sedemikian sehingga
(yakni satu untuk seluruh keluarganya — misalnya keluarga apa pun dengan konstanta Lipschitz bersama, atau modulus Hölder bersama), dan disebut terbatas titik demi titik jika untuk setiap .
Teorema 7.11 (Arzelà–Ascoli)
Sebuah himpunan bagian 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. () Misalkan sebuah barisan di . Ruang metrik kompak bersifat separabel: sebab untuk setiap , berhingga banyak bola berjari-jari menyelimuti (Teorema 6.16); dan pusatnya membentuk himpunan padat terbilang . Menurut keterbatasan titik demi titik dan Bolzano–Weierstrass, ekstraklah berturut-turut subbarisan yang konvergen di , lalu juga di , dan seterusnya, lalu ambil subbarisan diagonalnya : ia konvergen di setiap titik . Keekuikontinuannya meningkatkan hal ini menjadi Cauchy seragam: diberikan , ambillah seperti pada definisinya, selimuti dengan berhingga bola dengan (), lalu pilihlah sedemikian besar sehingga untuk dan . Untuk sembarang :
Jadi Cauchy seragam, sehingga konvergen di yang lengkap. Dengan demikian setiap barisan di mempunyai subbarisan konvergen: jadi kompak (secara barisan, sehingga menurut Teorema 6.16 kompak).
() Jika kompak: maka keterbatasan titik demi titiknya jelas (sebab pemasukan nilai bersifat kontinu). Untuk keekuikontinuannya, selimuti dengan berhingga bola di ; setiap bersifat kontinu seragam (menurut Heine, Akibat 6.17), sehingga memberikan bersama untuk ; lalu untuk dan : . ∎
Contoh 7.12
Bola satuan tertutup di tidak kompak (sebab tak punya subbarisan yang konvergen seragam: limit titik demi titiknya tak kontinu), dan memang tidak ekuikontinu di . Sebaliknya bersifat kompak: sebab terbatas dan ekuikontinu lewat Lipschitz-, 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 kompak dan barisan monoton berisi fungsi real kontinu yang konvergen titik demi titik ke yang kontinu. Maka kekonvergenannya bersifat seragam.
Bukti. Katakanlah ; misalkan , yang kontinu. Diberikan , himpunan terbuka naik dan menyelimuti (menurut kekonvergenan titik demi titiknya); ekstraklah subselimut berhingga: maka untuk suatu (karena keluarganya naik), yakni di mana-mana untuk . ∎
Lema 7.14
Ada barisan polinomial dengan secara seragam pada .
Bukti. Definisikan dan : semuanya polinomial. Dengan induksi, pada : sebab dengan mengandaikannya untuk ,
karena ; lalu . Jadi tak turun dan terbatas oleh : sehingga ia konvergen titik demi titik, dan limitnya memenuhi : jadi , yang kontinu. Lalu Dini (Lema 7.13) meningkatkannya menjadi seragam. ∎
Teorema 7.15 (Stone–Weierstrass, versi real)
Misalkan sebuah ruang kompak (Hausdorff) dan sebuah subaljabar (yang stabil terhadap penjumlahan, perkalian, dan kelipatan skalar) yang memuat konstanta serta memisahkan titik (yakni untuk ada dengan ). Maka padat di .
Bukti. Misalkan penutupnya, yang kembali menjadi aljabar (sebab hasil kali limit seragam pada himpunan terbatas tetap konvergen).
Langkah 1: merupakan latis, yakni stabil terhadap dan . Karena dan demikian pula , cukup dibuktikan bahwa : dengan berlaku , dan Lema 7.14 memberikan polinomial dengan secara seragam; sedangkan polinomial atas anggota aljabarnya (dengan suku konstan: konstantanya memang ada) tetap berada di .
Langkah 2: interpolasi dua titik. Untuk dan , ada dengan , : ambil yang memisahkan lalu tetapkan .
Langkah 3. Misalkan dan . Untuk setiap pasangan pilihlah dengan , (lewat Langkah 2; sedangkan untuk ambillah fungsi konstan ). Tetapkan : untuk setiap , himpunan terbuka memuat ; lalu kekompakannya mengekstrak dengan , dan (Langkah 1) memenuhi di mana-mana serta . Kini ragamkan : terbuka dan memuat ; ekstraklah yang menyelimuti , lalu memenuhi : sehingga . Karena itu . ∎
Akibat 7.16
(a) (Weierstrass) Polinomial padat di ; dan polinomial dalam variabel padat di untuk yang kompak. (b) (Versi kompleks) Jika sebuah subaljabar yang memuat konstanta, memisahkan titik, dan stabil terhadap konjugasi, maka ia padat. (c) (Versi trigonometri) Polinomial trigonometri padat di ruang berisi fungsi kontinu berperiode dengan .
Bukti. (a) Polinomial membentuk aljabar yang memuat konstanta; dan fungsi koordinatnya memisahkan titik . (b) Bagian real dan imajiner dan dari anggota membentuk aljabar real yang memuat konstanta; ia memisahkan titik (sebab memaksa atau memisahkannya). Lalu terapkan teorema realnya dan gabungkan kembali. (c) Pandanglah fungsi berperiode sebagai (dengan yang kompak: Latihan 6.5); maka aljabar yang dibangun oleh dan konstanta bersifat stabil terhadap konjugasi dan memisahkan titik lingkarannya (sebab 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 menyusul secara a fortiori (karena 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 dengan tidak lengkap: sebab fungsi yang bernilai pada , pada , dan afin di antaranya, bersifat Cauchy- 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 .)
Solusi
Solusi Latihan 7.1.
(a) Untuk , selisih lenyap di luar sebuah selang berpanjang dan terbatas oleh : sehingga : jadi Cauchy. Jika dalam dengan kontinu: maka untuk yang tetap, (sebab di sana untuk besar), sehingga pada (menurut kekontinuannya); demikian pula pada : dan tak ada fungsi kontinu yang melakukan keduanya. Jadi ruangnya tidak lengkap — pelengkapannya adalah , yang dibangun pada Bab 12.
(b) Misalkan Cauchy; pilihlah dengan . Maka deret konvergen mutlak, sehingga konvergen; jumlah parsialnya , sehingga 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 konvergen titik demi titik ke , maka himpunan titik kekontinuan bersifat padat. (Untuk (b): terimalah atau buktikan bahwa terbuka, lalu tunjukkan bahwa ia padat dengan memakai , yaitu himpunan tertutup yang menyelimuti ; bekerjalah di sembarang bola tertutup agar Baire dapat diterapkan.)
Solusi
Solusi Latihan 7.2.
(a) Andaikan lengkap dengan basis aljabar lalu misalkan : yang tertutup (sebab subruang berdimensi berhingga bersifat lengkap, sehingga tertutup — Tahun ke-2), dan berinterior kosong: sebab jika , ambillah ; maka , mustahil. Padahal (sebab setiap vektor berupa kombinasi berhingga): dan itu bertentangan dengan Baire (Teorema 7.6). Ruang mempunyai basis terbilang , sehingga tak ada norma yang membuatnya lengkap.
(b) Tetapkan dan sebuah bola terbuka tak kosong ; kita cari di sebuah titik , dengan . (Himpunan terbuka: sebab jika untuk suatu yang terbuka, maka setiap berosilasi .) Himpunan
bersifat tertutup (sebagai irisan prapeta himpunan tertutup) dan menyelimuti (karena kekonvergenan titik demi titik membuat Cauchy). Dengan menerapkan Baire di dalam yang lengkap: ada yang memuat sebuah bola . Dengan membiarkan : pada . Menurut kekontinuan di , ciutkan menjadi tempat ; maka untuk ,
sehingga , jadi . Dengan demikian setiap terbuka dan padat; lalu — yakni himpunan titik kekontinuannya — bersifat padat menurut Baire.
Latihan 7.3 ★★
(a) Tunjukkan bahwa (dengan ) merupakan kontraksi pada lalu kenali titik tetapnya — yakni metode Heron. Taksirlah banyaknya iterasi untuk ketelitian mulai dari , untuk . (b) (Persamaan Kepler) Untuk dan , tunjukkan bahwa mempunyai penyelesaian tunggal yang bergantung kontinu pada .
Solusi
Solusi Latihan 7.3.
(a) Pemetaan memetakan ke dirinya sendiri (lewat AM–GM: ), dan di sana: jadi kontraksi Lipschitz- pada himpunan tertutup (yang lengkap). Titik tetapnya: : jadi . Lajunya (Teorema 7.4): . Untuk dan : , sehingga menjamin . (Dalam kenyataannya metode Newton konvergen secara kuadrat: segelintir iterasi sudah cukup; taksiran kontraksinya pesimistis tetapi gratis.)
(b) Pemetaan bersifat Lipschitz- dengan pada yang lengkap: jadi titik tetapnya tunggal, sebut . Untuk dua parameter:
sehingga : jadi bahkan Lipschitz terhadap .
Latihan 7.4 ★★
(a) Misalkan lengkap dan sedemikian sehingga suatu iterasinya merupakan kontraksi. Tunjukkan bahwa mempunyai titik tetap tunggal. Terapannya: operator integral pada dengan memenuhi — lalu simpulkan bahwa terselesaikan untuk setiap . (b) (Edelstein) Misalkan kompak dan dengan untuk . Tunjukkan bahwa mempunyai titik tetap tunggal, tetapi laju kontraksinya dapat hilang: pada (yang lengkap tetapi tak kompak), tak punya titik tetap meskipun jaraknya menurun sejati.
Solusi
Solusi Latihan 7.4.
(a) Misalkan titik tetap tunggal . Maka : sehingga menjadi titik tetap , jadi . Dan titik tetap juga titik tetap : sehingga ketunggalannya berpindah. Untuk : dengan induksi (sebab setiap pengintegralan menambahkan faktor ), sehingga . Pemetaan memenuhi , yang bernorma : jadi suatu merupakan kontraksi, sehingga bertitik tetap tunggal: berarti persamaan Volterra terselesaikan secara tunggal untuk setiap .
(b) Fungsi kontinu pada yang kompak: sehingga ia mencapai minimumnya di suatu . Jika , maka : mustahil. Ketunggalannya: dua titik tetap akan memberikan . Tanpa kekompakan: pada memenuhi, untuk , , namun 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 padat dan sebuah bijeksi isometrik pada himpunan bagian padat dari yang lengkap, dengan lengkap. Tunjukkan bahwa meluas menjadi bijeksi isometrik . Lalu simpulkan kembali ketunggalan pelengkapannya.
Solusi
Solusi Latihan 7.5.
(a) Himpunan adalah prapeta diagonal di bawah yang kontinu; sedangkan tertutup karena bersifat Hausdorff (sebab untuk , persekitaran terbuka yang saling lepas memberikan kotak terbuka di sekitar yang saling lepas dengan diagonalnya, sehingga komplemen terbuka): jadi tertutup, memuat himpunan padat, sehingga sama dengan . Dipakai pada: ketunggalan di Teorema 7.2, dan karenanya pada ketunggalan pelengkapannya.
(b) Karena merupakan isometri, ia kontinu seragam: sehingga meluas menjadi (Teorema 7.2), yang tetap isometrik (sebab relasi berlaku pada himpunan pasangan yang padat dan kedua ruasnya kontinu). Demikian pula meluas menjadi . Komposisi kontinu dan menetapkan yang padat: jadi ia (menurut bagian (a)); secara simetris . Jadi merupakan bijeksi isometrik. Ketunggalan pelengkapannya: terapkan hal ini pada 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 ?
Berilah alasan bagi setiap jawabannya dengan Ascoli atau dengan barisan penyangkal.
Solusi
Solusi Latihan 7.6.
Untuk : terbatas titik demi titik oleh ; tetapi tidak ekuikontinu: sebab di berlaku dengan , sehingga melanggar bersama mana pun untuk . Jadi tidak kompak relatif (menurut keperluan Ascoli, Teorema 7.11).
Untuk : terbatas; tetapi tidak ekuikontinu di : sebab ketika untuk tetap. Jadi tidak kompak relatif — dan sejalan dengan itu, limit titik demi titiknya tak kontinu, sehingga tak ada subbarisan yang konvergen seragam.
Untuk : ketaksamaan nilai rata-rata membuat keluarganya Lipschitz-, sehingga ekuikontinu; dan terbatas: jadi kompak relatif menurut Ascoli. (Tetapi tidak kompak: sebab ia tidak tertutup — limit seragamnya tak harus ; penutupnya adalah fungsi Lipschitz- yang bernorma .)
Untuk : ekuikontinu; terbatas titik demi titik (sebab ); dan tertutup terhadap limit seragam (sebab ketaksamaan Lipschitz dan nilainya di beralih ke limitnya): jadi kompak.
Latihan 7.7 ★★★
(Operator integral yang kompak) Misalkan dan, untuk , . (a) Tunjukkan bahwa memetakan bola satuan ke himpunan yang ekuikontinu dan terbatas seragam; lalu simpulkan bahwa merupakan operator kompak: yakni peta himpunan terbatas bersifat kompak relatif. (b) Simpulkan bahwa jika terbatas, maka mempunyai subbarisan yang konvergen seragam, dan bahwa tak mungkin menjadi bijeksi dengan invers yang kontinu. (Sebab peta bola satuannya akan menjadi persekitaran kompak di : dan itu dilarang teorema Riesz dari Tahun ke-2.)
Solusi
Solusi Latihan 7.7.
(a) Untuk : , dan
dengan berupa modulus kekontinuan seragam 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 merupakan operator kompak.
(b) Pernyataan subbarisannya adalah definisi kekompakan relatif yang diterapkan pada . Seandainya bijektif dengan invers yang kontinu, maka untuk suatu (sebab kontinu di ); lalu bola tertutup , sebagai himpunan bagian tertutup dari yang kompak, akan menjadi kompak — dan itu mustahil di yang berdimensi tak berhingga menurut teorema Riesz (Tahun ke-2).
Latihan 7.8 ★★
Buktikan atau sanggahlah, untuk yang kontinu: (a) titik demi titik secara seragam (yakni Dini — buktikan ulang); (b) sama tetapi tanpa kemonotonan; (c) sama dengan kemonotonan tetapi tak kontinu; (d) sama dengan kemonotonan, dengan limit kontinu, tetapi pada .
Solusi
Solusi Latihan 7.8.
(a) Dini: lihat Lema 7.13 — yaitu argumen penyelimutannya. (b) Salah: sebab gundukan berjalan menuju titik demi titik (sebab untuk , begitu ; dan ) padahal . (c) Salah: sebab turun ke yang tak kontinu; dan . (d) Salah: sebab titik demi titik pada yang tak kompak, dengan . Jadi setiap hipotesis Dini memang diperlukan.
Latihan 7.9 ★★
(a) (Momen menentukan) Misalkan dengan untuk setiap . Tunjukkan . (Hampiri secara seragam dengan polinomial lalu hitunglah .) (b) Tunjukkan bahwa polinomial genap padat di tetapi tidak di ; di manakah hipotesis Stone–Weierstrass gagal? (c) Apakah aljabar yang dibangun oleh saja (tanpa ) padat di ? (Tinjaulah .)
Solusi
Solusi Latihan 7.9.
(a) Lewat kelinearannya untuk setiap polinomial . Pilihlah secara seragam (Akibat 7.16): maka , dan yang kontinu dengan integral nol pastilah lenyap secara identik.
(b) Pada : polinomial dalam membentuk aljabar yang memuat konstanta dan memisahkan titik (sebab injektif pada ): jadi padat menurut Stone–Weierstrass. Pada : bernilai sama di , dan demikian pula setiap polinomial dalam : sehingga limit seragamnya berupa fungsi genap. Seandainya fungsi genap konvergen seragam ke identitasnya, maka untuk setiap : mustahil — jadi tidak padat. Hipotesis pemisahannya gagal pada pasangan .
(c) Tidak. Sebab untuk di dalam aljabar yang dibangun oleh konstanta dan — yakni kombinasi linear dengan — berlaku (sebab setiap ). Fungsional bersifat kontinu terhadap (sebab ), sehingga lenyap pada ; padahal : jadi . (Stone–Weierstrass tak berlaku di sini: sebab tidak stabil terhadap konjugasi — dan halangannya persis yang akan disistematiskan teori fungsi holomorfik pada Bab 16.)
Latihan 7.10 ★★★
(Keterbatasan seragam, versi metrik) Misalkan sebuah ruang metrik yang lengkap dan sebuah keluarga yang terbatas titik demi titik: untuk setiap . Tunjukkan bahwa ada terbuka dan tak kosong yang di atasnya terbatas seragam: . (Tinjaulah .) Inilah mesin di balik Banach–Steinhaus pada Bab 8.
Solusi
Solusi Latihan 7.10.
Himpunan merupakan irisan himpunan tertutup: jadi tertutup. Keterbatasan titik demi titiknya memberikan . Lalu Baire (Teorema 7.6) menyediakan dengan : sehingga pada berlaku untuk setiap serentak.
Latihan 7.11 ★★
( memerlukan normanya sendiri) Pada tinjaulah . (a) Tunjukkan bahwa lengkap (barisan Cauchy- mempunyai dan secara seragam; kenalilah dengan mengambil limit pada ). (b) Tunjukkan bahwa tidak lengkap: tampilkan limit seragam fungsi yang tak dapat diturunkan (misalnya penghampiran mulus dari ). (c) Simpulkan dari (a), (b) dan lingkaran gagasan pemetaan terbuka — atau secara langsung — bahwa tak ada konstanta yang memenuhi pada : 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 bersifat Cauchy seragam bersama turunannya: sehingga dan secara seragam, dengan kontinu. Mengambil limitnya (kekonvergenan seragam mengizinkannya di bawah integral) pada memberikan : jadi bersifat dengan , dan . Jadi lengkap.
(b) Fungsi merupakan limit seragam fungsi , misalnya (sebab lewat batas kuantitas sekawan), padahal : jadi norma pada tidak lengkap — pelengkapannya adalah .
(c) Barisan mempunyai dan : jadi tak ada yang berlaku. (Secara konseptual: seandainya pendiferensialan terbatas terhadap norma sup, kedua norma pada (a)–(b) akan setara, sehingga membuat 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 kontinu dan andaikan bahwa untuk setiap berlaku ketika bilangan bulat . Tunjukkan bahwa ketika . (Tetapkan ; maka himpunan bersifat tertutup dan menyelimuti ; lalu Baire pada suatu selang memberikan dan subselang ; kemudian dilatasi dengan menyelimuti seluruh persekitaran begitu .) Di manakah hipotesis “untuk setiap ” (bukan hanya rasional) dipakai?
Solusi
Solusi Latihan 7.12.
Tetapkan . Setiap merupakan irisan atas dari prapeta yang tertutup di bawah yang kontinu: jadi tertutup. Hipotesisnya mengatakan bahwa setiap terletak di suatu . Menurut Baire yang diterapkan di dalam yang lengkap (untuk sembarang ), ada yang padat pada suatu subselang; dan karena tertutup, ia memuat sebuah selang dengan . Lalu untuk setiap , kedua selang dan bertindih (sebab ), sehingga
dan setiap berbentuk dengan dan : jadi . Karena itu untuk setiap : sehingga . Hipotesis penuhnya diperlukan karena harus menyelimuti sekumpulan sebesar selang — sebab dengan rasional saja gabungan 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 tanpa Lipschitz
Cauchy–Lipschitz (Tahun ke-2; dibuktikan ulang pada Bab 19) menuntut bersifat Lipschitz terhadap . Peano (1890): kekontinuan sudah melahirkan keberadaannya — meski bukan ketunggalannya. Kita membuktikannya dengan poligon Euler dan Ascoli. Latarnya: kontinu pada persegi panjang , dengan , dan
Bagian I — Poligon Euler. Untuk , bagilah oleh () lalu definisikan secara afin sepotong-sepotong: dan, pada ,
- Tunjukkan dengan induksi bahwa terdefinisi dengan baik, dengan pada — sehingga titik pemasukan nilainya tetap di . (Di sinilah masuk.)
- Tunjukkan bahwa setiap bersifat Lipschitz-.
- Simpulkan dari Arzelà–Ascoli (Teorema 7.11) bahwa ada subbarisan yang konvergen seragam pada ke suatu , yang sendirinya Lipschitz- dengan .
Bagian II — Limitnya menyelesaikan persamaan. Definisikan cacatnya di titik bukan kisi.
- Tunjukkan bahwa kontinu seragam pada , lalu simpulkan: untuk setiap ada sedemikian sehingga untuk dan setiap bukan kisi berlaku . (Pada berlaku , sedangkan berjarak paling banyak dari .)
Tegakkan bentuk integralnya: untuk setiap ,
dengan integran di tengahnya kontinu sepotong-sepotong.
Ambil limitnya sepanjang : tunjukkan secara seragam (sekali lagi lewat kekontinuan seragam ), lalu simpulkan
- Simpulkan bahwa bersifat pada dan menyelesaikan , ; lalu perluaslah konstruksinya ke (lewat pembalikan waktu). Inilah teorema Peano.
Bagian III — Ketunggalannya sungguh gagal. Tinjaulah , , pada .
- Periksalah bahwa kontinu tetapi tidak Lipschitz pada persekitaran mana pun.
Periksalah bahwa dan, untuk setiap ,
semuanya merupakan penyelesaian yang melalui : jadi ada kontinum penyelesaian yang berbeda.
- Di manakah argumen iterasi Picard (lewat titik tetap Banach) runtuh untuk ini?
Bagian IV — Batas metodenya.
- Tunjukkan bahwa teorema Peano gagal pada dimensi tak berhingga: kita terima (atau Anda boleh percaya saja) contoh klasik Dieudonné di ruang berisi barisan yang menuju nol; sebagai gantinya, buktikan bahan berdimensi berhingga yang gagal di sana: bahwa bola satuan tertutup (dengan norma sup) tidak kompak — tampilkan barisan terbatas yang tak punya subbarisan konvergen, lalu jelaskan langkah Bagian I mana yang runtuh.
- 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 kontinu dan tak turun, dengan
lalu andaikan memenuhi pada .
- Periksalah bahwa memenuhinya (yakni Lipschitz), bahwa (yang diperluas secara kontinu untuk kecil) juga memenuhinya walaupun ia bukan , dan bahwa tidak. Hitunglah integralnya pada setiap kasus.
Misalkan menyelesaikan persamaan itu pada dengan , dan . Tunjukkan, hanya dari bentuk integralnya, bahwa untuk berlaku
(Teorema Osgood) Andaikan untuk suatu , lalu misalkan . Untuk , tetapkan . Tunjukkan , , lalu simpulkan
Biarkan lalu turunkan kontradiksi dengan divergennya integral itu. Simpulkan: penyelesaian yang melalui syarat awal yang sama pastilah berimpit — yakni ketunggalan di bawah syarat Osgood.
- Tariklah akibatnya: ketunggalan Cauchy–Lipschitz merupakan kasus ; persamaan (yang diperluas dengan di ) berpenyelesaian tunggal walaupun ruas kanannya tidak Lipschitz di ; dan untuk konvergennya persis merupakan hal yang membiarkan sebuah penyelesaian meninggalkan dalam waktu berhingga — cocokkan nilai integral dengan perilaku lolosnya .
Bagian VI — Laju, skema, corong.
(Lema Grönwall integral) Misalkan kontinu pada dengan untuk setiap . Tunjukkan
(tetapkan , catat bahwa , lalu turunkan ).
(Euler konvergen dengan laju) Andaikan kini bersifat Lipschitz- terhadap dan Lipschitz- terhadap pada . Dengan menggabungkan batas cacat pada pertanyaan 4 (yang dibuat kuantitatif: ) dengan pertanyaan 17, buktikan
dengan 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?
- (Skemanya memilih) Untuk , : tunjukkan bahwa setiap poligon Euler identik nol, sehingga skemanya konvergen ke penyelesaian ; tetapi bila dimulai di ia konvergen (ketika , lalu ) ke , yaitu penyelesaian yang berbeda melalui titik asalnya. Jadi ketaktunggalannya muncul kembali sebagai kepekaan skema numeriknya terhadap usikan.
- Tunjukkan bahwa himpunan berisi semua penyelesaian , pada (dengan nilai di ) bersifat tak kosong (Bagian II), Lipschitz- secara seragam, dan tertutup di ; lalu simpulkan lewat Ascoli bahwa bersifat kompak. (Teorema Kneser menambahkan bahwa terhubung; kita tak akan membuktikannya.)
- Periksalah gejala Kneser pada contohnya: untuk , , pada , tunjukkan dengan (untuk sembarang penyelesaian, misalkan lalu integralkan pada ), bahwa kontinu dari (yakni kompaktifikasi satu titiknya, dengan direkatkan sebagai limitnya) ke , lalu simpulkan bahwa memang kompak dan terhubung — yaitu corong berbentuk ruas garis.
- (Himpunan tercapai) Simpulkan dari pertanyaan 20 bahwa untuk setiap yang tetap, himpunan tercapai bersifat kompak; lalu hitunglah untuk contoh pada pertanyaan 21 dan periksalah bahwa ia juga terhubung: — jadi setiap keadaan antaranya dicapai oleh suatu penyelesaian.
Bagian VII — Pelengkap: kebergantungan, keoptimalan, dan sebuah skema yang dihitung dengan tangan.
(Kebergantungan kontinu) Andaikan bersifat Lipschitz- terhadap pada , lalu misalkan dua penyelesaian dengan nilai awal di . Dengan menyesuaikan bukti pertanyaan 17 pada ketaksamaan , tunjukkan
lalu periksalah pada bahwa batasnya tercapai: jadi Grönwall bersifat tajam. Simpulkan kembali ketunggalannya (untuk ), dan bahwa pemetaan aliran bersifat Lipschitz dengan konstanta , di mana pun ia terdefinisi.
(Osgood bersifat optimal) Sebaliknya, misalkan kontinu, tak turun, dan positif pada , dengan ketika tetapi
lalu perluas dengan . Tunjukkan bahwa merupakan bijeksi naik dari pada , bahwa inversnya menyelesaikan dengan , dan bahwa , setelah diperluas dengan untuk , merupakan penyelesaian bagi yang melalui dan berbeda dari (untuk , batasilah oleh ). Simpulkan: hipotesis divergensi pada pertanyaan 15 bukanlah kemudahan melainkan perbatasan ketunggalan yang persis; lalu perolehlah kembali Bagian III dari , .
(Euler dihitung dengan tangan) Untuk , pada : tunjukkan bahwa poligon Eulernya memenuhi . Buktikan penjabaran
sehingga galatnya di adalah : yaitu laju pada pertanyaan 18, dengan konstanta yang eksak. Periksalah secara numerik untuk : berbanding , yakni galat yang dibandingkan dengan .
Solusi
Solusi Soal 7.1.
1. Induksi pada : jika , maka titik terletak di , sehingga kemiringan terdefinisi dan bernorma ; lalu untuk berlaku .
2. Setiap kepingan afinnya berkemiringan bernorma ; dan fungsi afin sepotong-sepotong yang kemiringannya terbatas oleh bersifat Lipschitz- (rantaikan lewat titik kisinya).
3. Keluarga terbatas titik demi titik (sebab nilainya di ) dan ekuikontinu (dengan konstanta Lipschitz bersama ): sehingga Ascoli (Teorema 7.11) mengekstrak secara seragam pada . Batasnya beralih ke limitnya: jadi bersifat Lipschitz- dengan .
4. Karena kompak dan kontinu: maka ia kontinu seragam (menurut Heine, Akibat 6.17); misalkan sebuah modulusnya. Untuk yang bukan kisi: , sedangkan kedua titik pemasukan nilai berbeda sebesar pada waktunya dan pada ruangnya. Jadi untuk dengan : .
5. Pada setiap , bersifat afin, sehingga , dengan turunannya berupa kemiringan yang konstan; lalu menjumlahkan atas kepingannya (dan memotong yang terakhir di ): . Menuliskan (dengan integran kontinu sepotong-sepotong, berlompatan berhingga banyak) memberikan tampilan itu.
6. Diberikan : untuk besar berlaku , sehingga untuk setiap : jadi integrannya konvergen seragam, dan seragam terhadap . Lagi pula (pertanyaan 4). Dengan mengambil limit pada identitas pertanyaan 5: .
7. Integran bersifat kontinu, sehingga ruas kanannya terhadap dengan turunan : jadi menyelesaikan masalah Cauchy pada . Untuk separuh kirinya, tetapkan , yang kontinu pada persegi panjang cerminannya dengan batas yang sama; lalu penyelesaian dari , pada melahirkan yang menyelesaikan persamaan aslinya pada ; dan kedua separuhnya merekat menjadi penyelesaian (sebab kedua turunan sepihaknya di sama dengan ). — Inilah teorema Peano: yang kontinu mempunyai penyelesaian lokal melalui setiap syarat awal.
8. Kekontinuannya jelas. Sifat Lipschitz di dekat gagal: sebab , dan salah untuk .
9. Untuk : menyelesaikannya. Untuk : . Di kedua turunan sepihaknya bernilai : jadi bersifat dan menyelesaikannya secara global, dengan untuk setiap — dan bersama , terbentuklah kontinum penyelesaian melalui titik asalnya.
10. Iterasi Picard menyusun dan menuntut dengan pada bola yang sesuai — dan itu menyusul dari batas Lipschitz pada , yang dipindahkan ke bawah integralnya. Di sini tak punya batas Lipschitz di dekat , 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 , vektor satuan memenuhi untuk : sehingga tak ada subbarisan yang Cauchy, jadi bola satuan tertutupnya tidak kompak. Langkah yang runtuh adalah ekstraksinya (pertanyaan 3): sebab Ascoli untuk menuntut nilainya hidup di ruang tempat himpunan terbatas bersifat kompak relatif — benar di (lewat Bolzano–Weierstrass), salah di ; sehingga ekstraksi titik demi titik tak lagi tersedia (dan memang contoh Dieudonné sama sekali tak punya penyelesaian lokal).
12. Peano: jika kontinu pada persekitaran di , maka ada penyelesaian bagi , , pada suatu . Cauchy–Lipschitz (Bab 19): jika di samping itu bersifat Lipschitz lokal terhadap variabel , maka penyelesaiannya tunggal (sebab dua penyelesaian bersesuaian pada selang bersamanya) — yakni keberadaan sekaligus ketunggalan. Pasangan memisahkan kedua teorema itu.
13. Untuk : : jadi memenuhi. Untuk (di dekat ): ketika : jadi memenuhi — padahal : jadi tidak Lipschitz. Untuk : : jadi gagal.
14. Kurangkan kedua bentuk integralnya:
lalu ambil normanya dan pakai modulus Osgoodnya: sehingga .
15. Bilangan terdefinisi dengan baik (sebab ) dengan (menurut kekontinuannya) dan pada . Tetapkan . Maka bersifat , , pada (pertanyaan 14), dan (sebab tak turun dan ). Bagilah lalu integralkan:
Meski bergantung pada , batas berlaku untuk setiap , sehingga ruas kirinya sekurang-kurangnya , yang menuju ketika (sebab lalu , dan integralnya divergen di ): jadi ruas kanannya yang terbatas terbantahkan. Karena itu : yakni ketunggalannya.
16. Lipschitz adalah kasus : sehingga ketunggalannya diperoleh kembali. Untuk : ruas kanannya memenuhi modulus Osgood di dekat (lewat ketaksamaan nilai rata-rata pada , yang turunannya tak terbatas — jadi Lipschitz gagal, Osgood berlaku): sehingga penyelesaiannya tunggal; catat bahwa salah satunya, sehingga tak ada penyelesaian lain yang dapat menyentuh . Untuk : — jadi “anggaran Osgood” untuk mendaki dari ke ketinggian tepat sebesar waktu , dan memang : penyelesaiannya memakai waktu untuk melakukan persis apa yang diizinkan integral yang konvergen itu. Divergennya integral berarti kemustahilan meninggalkan dalam waktu berhingga; sedangkan konvergennya adalah jalan lolosnya.
17. Fungsi bersifat dengan (menurut hipotesis ). Maka : sehingga kurungnya menurun, jadi , yakni .
18. Cacat kuantitatifnya: pada berlaku dengan dan , sehingga . Dengan mengurangkan identitas integral (pertanyaan 5) dan lalu memakai batas Lipschitznya:
lalu pertanyaan 17 dengan memberikan batas yang dinyatakan itu, dengan yang tunggal menurut Cauchy–Lipschitz (atau Osgood). Bahkan tanpa laju: setiap subbarisan dari yang terbatas dan Lipschitz secara seragam mempunyai sub-subbarisan yang konvergen (lewat Ascoli + Bagian II) ke suatu penyelesaian, yang oleh ketunggalannya terpaksa menjadi : dan barisan yang setiap subbarisannya mempunyai sub-subbarisan berlimit sama pastilah konvergen.
19. Dari : kemiringan memberikan ; lalu dengan induksi , sehingga konvergen ke penyelesaian nolnya. Dari : pada dengan fungsi bersifat Lipschitz, sehingga pertanyaan 18 berlaku dan Euler konvergen ke penyelesaian tunggal melalui , yakni (periksa: ). Ketika , seragam pada : jadi limit gandanya mendarat pada , bukan pada . 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 : sehingga bersifat Lipschitz- secara seragam dan terbatas seragam (sebab nilainya di ). Ketertutupannya: jika secara seragam, ambillah limit pada (sebab integrannya konvergen seragam menurut kekontinuan seragam pada yang kompak): maka . Lewat Ascoli: merupakan himpunan bagian yang tertutup, terbatas, dan ekuikontinu: jadi kompak.
21. Setiap penyelesaian bersifat tak turun (sebab ) dengan , sehingga . Misalkan (yang mungkin bila , dan dalam hal itu ). Untuk : (menurut kemonotonannya dan definisi ), dan di sana , sehingga (menurut kekontinuannya di ): jadi . Kekontinuan : untuk berlaku (sebab pemetaan bersifat Lipschitz- seragam terhadap ), dan karena pada untuk setiap , keluarganya menyusut menjadi (dengan ). Jadi merupakan peta yang kompak dan terhubung di bawah pemetaan kontinu : sehingga kompak dan terhubung. Corong penyelesaiannya berupa ruas garis kontinu yang membentang dari (lolos seketika) turun ke (istirahat abadi).
22. Pemasukan nilai , , bersifat kontinu (sebab ), sehingga merupakan peta kontinu sebuah kompak: jadi kompak — dan peta himpunan terhubung: jadi terhubung. Untuk contohnya: menyapu, ketika menjelajahi , semua nilai dari (di ) turun ke (di ), secara kontinu: jadi . 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 dan padanannya untuk , lalu menetapkan dan :
Maka dan , sehingga dan ; karena itu . Ketajamannya: untuk , penyelesaian melalui dan adalah dan , yang jaraknya tepat . Dengan diperoleh : yakni ketunggalan Cauchy–Lipschitz, yang diturunkan ulang dalam dua baris. Dan untuk yang tetap, : jadi alirannya bersifat Lipschitz terhadap syarat awalnya — yakni kebergantungan deterministik, dengan harga eksponensial yang terkendali.
24. Pada , terdefinisi dengan baik (sebab integralnya konvergen di menurut hipotesis) dan bersifat dengan : jadi bijeksi naik pada , dengan ketika . Inversnya bersifat dengan
Perluaslah dengan pada : kekontinuannya jelas, dan di , untuk ,
(sebab tak turun, naik, dan ): sehingga , dan berlaku pada kedua sisi . Jadi dan merupakan dua penyelesaian berbeda yang melalui : jadi ketika konvergen, ketunggalannya gagal — sehingga divergensi pada pertanyaan 15 tepat merupakan perbatasannya. Untuk : , , dan translasi waktu memberikan seluruh keluarga pada Bagian III.
25. Dengan langkah : , sehingga setelah langkah. Penjabarannya:
lalu dengan mengeksponenkannya, . Jadi galat di adalah : yakni pada pertanyaan 18, di sini beserta konstanta eksaknya . Secara numerik, untuk : (sebab , , , dikalikan ), dan , berbanding ramalan asimtotiknya : jadi sesuai dalam batas koreksi , yang suku utamanya di sini menurunkan ramalannya menuju nilai yang teramati.