Теорема Арцела имеет многочисленные приложения. Продемонстрируем ее применение на примере следующей теоремы существования для обыкновенных дифференциальных уравнений с непрерывной правой частью.
Теорема 2 (Пеано). Пусть дано дифференциальное уравнение
![]()
Если функция f(x, у) непрерывна в некоторой замкнутой ограниченной области G, то через
каждую внутреннюю точку
этой области проходит
по крайней мере одна интегральная кривая данного уравнения.
Доказательство. Так как f(x, у)непрерывна в замкнутой области, то она ограничена:
![]()
Проведем через точку
прямые
с угловыми коэффициентами М и – М. Проведем, далее, вертикальные
прямые x = а и х = b так, чтобы отсекаемые ими два треугольника с общей вершиной
целиком лежали внутри области G.
Построим теперь для данного уравнения так
называемые ломаные Эйлера следующим образом: проведем из точки
прямую с угловым коэффициентом
На этой прямой возьмем некоторую точку
и проведем через нее прямую с угловым
коэффициентом
На этой прямой возьмем точку
проведем через нее прямую с угловым
коэффициентом
и т.д. Рассмотрим теперь
последовательность ломаных Эйлера
проходящих через точку
таких, что длина наибольшего из
звеньев линии
стремится к нулю при
Пусть
— функция,
график которой есть линия
Функции
обладают следующими свойствами:
1) они определены на одном и том же отрезке [а, b],
2) они ограничены в совокупности,
3) они равностепенно непрерывны.
На основании теоремы Арцела из
последовательности
можно выбрать равномерно
сходящуюся подпоследовательность. Пусть это будет подпоследовательность ![]()
Положим
Ясно,
что
Остается проверить, что
удовлетворяет на отрезке [а, b] данному дифференциальному уравнению. Для этого нужно показать,
что для любого ![]()

если только величина
достаточно
мала. Для доказательства этого в свою очередь достаточно установить, что при
достаточно больших k

как только разность
достаточно
мала.
Так как f(x, у) непрерывна в области G, то для любого
можно найти такое
что
![]()
если
![]()
Совокупность точек
удовлетворяющих
этим двум неравенствам, представляет собой некоторый прямоугольник Q. Пусть теперь K настолько
велико, что для всех k > К
![]()
и все звенья ломаной
имеют длину меньше
Тогда
при
все ломаные Эйлера
для
которых k > К, целиком лежат внутри Q.
Далее, пусть
—
вершины ломаной
причем
![]()
(мы для определенности считаем
аналогично
рассматривается случай
Тогда
![]()
![]()
![]()
Отсюда при
получаем:
![]()
![]()
![]()
![]()
![]()
Суммируя эти неравенства, получаем:
![]()
что и требовалось доказать.
Полученное решение
вообще
говоря, не будет единственным решением уравнения
проходящим
через точку ![]()
В § 16 мы назвали множество М, лежащее в
метрическом пространстве R, компактным, если из
всякой последовательности его элементов можно выбрать подпоследовательность,
сходящуюся к некоторому ![]()
При этом сама предельная точка х может принадлежать, но может и не принадлежать множеству М. Если из всякой последовательности элементов из М можно выбрать подпоследовательность, сходящуюся к некоторому х, принадлежащему М, то множество М называется компактным в себе. Для самого пространства R (как, впрочем, и для всех его замкнутых подмножеств) понятия компактности и компактности в себе совпадают. Компактное метрическое пространство кратко называется компактом.
Поскольку компактность в себе некоторого множества есть внутреннее свойство этого множества, не зависящее от того, в каком именно объемлющем метрическом пространстве оно рассматривается, естественно ограничиться изучением компактов, т.е. каждое такое множество рассматривать просто как отдельное метрическое пространство.
Теорема 1. Для того чтобы компактное в метрическом пространстве R множество М было компактом, необходимо и достаточно, чтобы М было замкнуто в R.
Доказательство.
Необходимость. Пусть М не замкнуто,
тогда в М найдется последовательность
сходящаяся
к точке
Но тогда эта последовательность не может
содержать подпоследовательности, сходящейся к какой-либо точке
т. е. М не может быть компактом.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.