Một số vấn đề cơ sở trong phép tính biến phân

1
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Chúng ta đều biết: không có lý thuyết tổng quát cho phép giải
mọi phương trình đạo hàm riêng; nhất là với các phương trình phi

A[u ] = 0;

tuyến

(1)

trong đó, A[×] ký hiệu toán tử đạo hàm riêng (nói chung là phi
tuyến) đã cho, còn u ký hiệu ẩn hàm. Tuy nhiên, trong nhiều trường
hợp (chẳng hạn, với phương trình Hamilton – Jacobi và các luật bảo
toàn), toán tử phi tuyến A[×] có thể biểu diễn được như là một kiểu
“đạo hàm” của một phiếm hàm “năng lượng” I [×] thích hợp, và (1)
trở thành

I '[ u ] = 0.

Lúc này, thay vì giải phương trình (1) một cách trực tiếp – một
việc khó, người ta quan tâm đến việc tìm các “điểm tới hạn” của
phiếm hàm I [×] - một việc dường như là dễ hơn, nhờ vào các công
cụ của giải tích hàm phi tuyến: phép tính biến phân.
Rất nhiều bài toán – trên thực tế – được đưa về bài toán “cực
trị của phiếm hàm”. Có thể nói: Phép tính biến phân được sử dụng
rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau của toán học, cơ học và kỹ
thuật. Vì lý do đó, dưới sự hướng dẫn của thầy Nguyễn Duy Thái
Sơn, tôi chọn “Một số vấn đề cơ sở trong phép tính biến phân” làm
đề tài nghiên cứu cho luận văn thạc sĩ khoa học của mình.

2. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu
Chúng tôi mong muốn tìm kiếm được nhiều tài liệu từ các


2
nguồn khác nhau, nghiên cứu kỹ càng các tài liệu đó, cố gắng lĩnh
hội đầy đủ các kiến thức cũ và mới về phép tính biến phân để có thể
trình bày lại các kiến thức cơ sở – theo cách mình hiểu – trong luận
văn này với các chứng minh chi tiết và các ví dụ minh họa.
Hy vọng luận văn có thể được sử dụng như một tài liệu tham
khảo bổ ích cho sinh viên các trường cao đẳng, đại học.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1. Đối tượng nghiên cứu: phép tính biến phân.
3.2. Phạm vi nghiên cứu: các khái niệm, các định lý cơ sở và
một số bài toán liên quan.
4. Phương pháp nghiên cứu
Cơ bản sử dụng phương pháp nghiên cứu tài liệu (sách, báo và các
tài liệu trên internet có liên quan đến đề tài của luận văn) để thu thập
thông tin nhằm hệ thống lại các vấn đề lý thuyết một cách logic, chi tiết
hóa các chứng minh và tìm hiểu các bài toán, các ví dụ minh họa.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Mong muốn đề tài sẽ là tài liệu bổ ích cho sinh viên ngành toán
trong việc tiếp cận với Một số vấn đề cơ sở trong phép tính biến phân.
6. Cấu trúc luận văn
Luận văn gồm phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo và 3
chương
Chương 1 giới thiệu biến phân thứ nhất, phương trình EulerLagrange, biến phân thứ hai và hệ phương trình Euler-Lagrange.


3

Chương 2 trình bày điều kiện cưỡng bức, tính nửa liên tục
dưới, tính lồi, nghiệm yếu của phương trình Euler-Lagrange, trường
hợp hệ phương trình và tính chính quy của nghiệm.
Chương 3 trình bày về bài toán giá trị riêng phi tuyến, ràng
buộc một bên, bất đẳng thức biến phân, định lý qua núi và ứng dụng
trong phương trình elliptic nửa tuyến tính.


4
CHƯƠNG 1
BIẾN PHÂN
1.1. BIẾN PHÂN THỨ NHẤT, PHƯƠNG TRÌNH EULERLAGRANGE
Giả sử U ⊂ℝ là một tập mở, bị chặn với biên

trơn,

là

một tập compact và cho trước một hàm trơn

Ta gọi
Kí hiệu .

à

á

chỗ bởi

( ), và

ử

→ℝ.

.

= ( , , )=

Ta viết
∈ ℝ , ∈ ℝ, và

∶ℝ ×ℝ×

( ,…,

, ,

,…,

) với

∈ . Như vậy " " là biến số dưới đây được thế

là biến sẽ được thế chỗ bởi
=(
=
=

,…,

,…,

)

( ) . Ta cũng đặt

.

Kí hiệu này sẽ làm cho phần lí thuyết sau dễ hiểu.
Bây giờ để chính xác hoá ý tưởng đã nói trong lời mở đầu, ta
giả sử rằng phiếm hàm [∙]có dạng

(1)

với các hàm trơn
(2)

∶

[ ]≔

(

( ), ( ), )

→ ℝ thỏa mãn điều kiện biên
=

trên

.

,


5
Giả sử thêm rằng một hàm trơn
biên cần thiết:

=

trên

, và là điểm đạt cực tiểu của phiếm

hàm [∙] trong số tất cả các hàm
minh rằng

nào đó thỏa mãn điều kiện

thỏa mãn (2). Khi đó, ta chứng

tự động là một nghiệm của một phương trình đạo hàm

riêng nào đó.
Để khẳng định điều này, trước tiên ta chọn tuỳ ý hàm trơn
( ) và xét hàm giá trị thực

∈

(3)

Vì
=

trên

( )≔ [ +

] ( ∈ ℝ).

là một điểm cực tiểu của phiếm hàm [∙] và

+

, dễ dàng ta thấy (∙) có một cực tiểu tại = 0. Do đó
(0) = 0.

(4)

=

Đạo hàm trên được gọi là biến phân thứ nhất và ta tính toán
nó một cách tường minh bằng cách viết
(5)

Do đó

( )=

( )=

(

+

+

Cho = 0, từ (4) suy ra rằng
0 = (0) =

, +
(

(

(

+

+

, , )

, )

.
, )

, +

, )

, +
+

(

, , )

.


6
Cuối cùng, vì

có tính compact nên ta có thể lấy tích phân

từng phần và thu được
0 = (0) =

−

(

(

, , )) +

(

, , )

.

Vì đẳng thức này đúng với mọi hàm thử , do đó ta kết luận

nghiệm đúng phương trình đạo hàm riêng phi tuyến
(6)

−

(

(

, , )) +

= 0 trong .

(

, , )

Đây là phương trình Euler-Lagrange liên quan với phiếm hàm
năng lượng [∙] được định nghĩa bởi (1). Nhận thấy rằng (6) là một
phương trình đạo hàm riêng cấp hai tựa tuyến tính ở dạng phân tán.

Tóm lại, mọi cực tiểu trơn của phiếm hàm [∙] là một nghiệm

của phương trình đạo hàm riêng Euler-Lagrange (6) vì thế đảo lại ta
có thể tìm được một nghiệm của (6) bằng cách tìm các cực tiểu của
(1).
1.2. BIẾN PHÂN THỨ HAI
Biến phân thứ hai của phiếm hàm [∙] tại hàm

được tính toán

dựa trên phép tính của biến phân thứ nhất. Từ điều này ta nhận xét
rằng vì
có

cho một cực tiểu đối với phiếm hàm [∙] , nên ta cần phải
(0) ≥ 0,

(∙) được định nghĩa bởi (3)như ở trên. Từ (5) ta có thể tính


7
( )=

,

+2
Lấy

(
(

(

+

+

+

+

, +
, +

, )

, +

, )

, )

.

= 0, ta thu được bất đẳng thức đúng với mọi hàm
(0) =

0≤

(

+2

, , )

(

,

, , )

(

+

∈

1.3. HỆ PHƯƠNG TRÌNH LAGRANGE

, , )

.

1.3.1. Các phương trình Euler-Lagrange.
Giả sử cho trước hàm trơn Lagrange
×

∶

Kí hiệu . Ta viết
với

∈

= ( , , )= (
×

,

∈ ℝ , và

Vì trong 1.1 hàm
(7)

=

⋮

×ℝ ×
,…,

∈

⋯
⋱
⋯

,

→ℝ
,…,

trong đó
⋮

,

,…,

×

liên qua với phiếm hàm

[ ]≔

(

( ), ( ), )

,

)

( )


8
với các hàm trơn
(

,…

∶

được định nghĩa là

), thỏa mãn điều kiện biên

=

⋯
⋱
⋯

⋮

là cho trước. Từ đó, ta có

( )=

là ma trận gradient của

⋮

tại x.

trên

,

→ℝ ,
∶

=

→ℝ

×

Bây giờ ta chứng tỏ rằng bất kì cực tiểu trơn
của phiếm hàm [∙] được lấy trong các hàm bằng

=(

trên

,…

)

, ta cần

phải giải một hệ các phương trình đạo hàm riêng phi tuyến tính nào
đó. Do đó ta chọn

=(

Vì đã có

,…

)∈

( )≔ [ +

( ; ℝ ), và viết
].

(0) = 0.

Từ điều này ta suy ra đẳng thức như trên
0 = (0) =

(

, , )

+

(

Vì đẳng thúc này có giá trị với mọi cách chọn

, , )

lấy tích phân từng phần ta được
−

(

(

= 0 trong

, , )) +

( = 1, …

).

(

, , )

,…,

.

nên


9
Nói chung hệ phương trình đạo hàm riêng tựa tuyến tính bao
gồm các phương trình Euler-Lagrange với các phiếm hàm [∙] được
định nghĩa bởi (7).

1.3.2. Các Lagrangian không
Định nghĩa.
Hệ phương trình Euler-Lagrange
(14)

−

(

(

, , )) +

( = 1, …

(

)

Hiển nhiên được giải bởi tất cả hàm
L được gọi là một Lagrangian không.

, , )=0
∶

→ ℝ . Khi đó hàm

Định lý 1.( Các Lagrangian không và các điều kiện biên).
Cho L là một Lagrangian không. Giả sử ,

( , ℝ ) sao cho

≡

(15)

Khi đó
(16)
Kí hiệu. Nếu

trên

[ ]= [ ]

là một ma trận vuông n x n. Ta kí hiệu cof –

ma trận đồng nhân tố mà khi ta bỏ đi ( , )

(−1)

là hai hàm trong

( ) , trong đó

thì (cof ) =

( ) bằng định thức của ma trận ( −

1) × ( − 1)-thu được bằng việc bỏ đi hàng thứ k và cột thứ i của
ma trận .

Bổ đề (Những hàng không phân kỳ)


10
Cho : ℝ → ℝ là một hàm trơn. Khi đó

(cof

( = 1, … , ).

), =0

Định lý 2 (Các định thức là những Lagrangian không ). Hàm
định thức ( ) =

( ∈

1.3.3. Ứng dụng

×

) là một Lagrangian không.

Định lý 3. ( Định lý điểm cố định Brouwer)
Giả sử

∶ (0; 1) → (0; 1)

là hàm liên tục, trong đó
trongℝ . Khi đó,
điểm

(0; 1) là quả cầu đơn vị đóng

có một điểm cố định mà có nghĩa là tồn tại một

∈ (0; 1) với ( ) = .


11
CHƯƠNG 2
CỰC TIỂU HÓA PHIẾM HÀM NĂNG LƯỢNG.
TÍNH CHÍNH QUY CỦA NGHIỆM
2.1. ĐIỀU KIỆN CƯỠNG BỨC, TÍNH NỮA LIÊN TỤC DƯỚI
Ta có phiếm hàm
[ ]≔

(1)

(

( ), ( ), )

→ ℝ thỏa mãn

được định nghĩa cho các hàm thích hợp w:
=

(2)
nên có một cực tiểu.

,

trên

2.1.1. Điều kiện cưỡng bức

Ta cho rằng
1<

(3)
Khi đó ta giả sử

tồn tại các hằng số α > 0, ≥ 0
( , , )≥ | | −
∀ ∈ ℝ , ∈ ℝ, ∈

(4)
Vì thế

[ ]≥ ‖

(5)
với

< ∞ là cố định.

‖

≔ | |. Vì vậy [ ] → ∞ khi ‖

( )

‖

−

ℎ

→ ∞. Thông thường

ta gọi (5) là điều kiện cưỡng bức trên phiếm hàm [∙].
Từ phần này đến cuối luận văn ta dùng
≔{

∈

,

( )⎸

=

trên

theo nghĩa vết}


12
để kí hiệu cho lớp các hàm

được thừa nhận này. Từ (4) ta chú ý

rằng phiếm hàm [ ] được định nghĩa ( nhưng nó có thể bằng +∞)
với mỗi

∈ .

2.1.2. Nữa liên tục dưới
∶ ℝ → ℝ thỏa mãn

Ta thấy rằng mặc dù một hàm liên tục

điều kiện cưỡng bức thì thật sự đạt tới infimum của nó, thông thường
tích phân phiếm hàm [∙] sẽ không như vậy. Để hiểu vấn đề này ta
đặt

≔ inf [ ]
wÎ A

∈

và chọn các hàm
Ta gọi {

}

[

( = 1, … ) sao cho
]→

khi

là một dãy giảm.

→∞

Ta sẽ chứng tỏ rằng vài dãy con của {

}

hội tụ về một cực

tiểu thực. Tuy nhiên, đối với điều này, ta cần vài tính compact, và
,

vấn đề nêu trên là hiển nhiên vì

( ) có số chiều vô hạn. Thật

vậy, nếu ta sử dụng bất đẳng thức cưỡng bức (5) thì ta chỉ có thể kết
luận rằng dãy cực tiểu nằm trong một tập con bị chặn của

,

( ).

Nhưng điều này không có nghĩa là tồn tại một dãy con hội tụ trong
,

( ).

Do đó ta hướng đến topo yếu. Vì ta giả sử 1 <

< ∞ sao cho

( ) là phản xạ nên ta kết luận rằng tồn tại một dãy con
⊂{

}

và một hàm

∈

,

( ) thỏa


13
⇀

yếu trong

⇀

( ; ℝ ).

yếu trong

ta viết gọn (8) như sau

⇀

(9)

( )

Hơn nữa, nó đúng với
vì thế ∈ .

,

yếu trong
=

trong

( ).

theo ý nghĩa về vết và

Nói một cách khác, từ (7) và (9) ta không thể suy ra rằng
[ ] = lim

(10)

j®¥

và do đó
nghĩa là

là một cực tiểu. Vấn đề ở đây là
→

⇀

không có

hầu khắp nơi, nó có thể xảy ra trong trường hợp
bị chặn trong

khi những gradient

và mức độ sẽ càng ngày

→ ∞.

càng nhanh khi

Nói tóm lại, nhận xét chính rằng ta không cần công thức đầy
đủ của (10). Thay vào đó ta chỉ cần dùng
(11)

[ ] ≤ lim inf

.

→

Khi đó từ (7) ta suy ra [ ] ≤ m nhưng mà từ (6) ta lại có

≤ [ ]. Vì vậy cho nên

thật sự là một cực tiểu.

Định nghĩa.

Cho [∙] là một phiếm hàm trên
Mà

⇀

[ ] ≤ lim inf [

yếu trong

→

,

( ).

,

( ) với điều kiện là
]


14

,

Khi đó ta nói [∙]là( dãy) các nữa liên tục dưới yếu trong

( )

2.2. TÍNH LỒI
Ta nhắc lại bất đẳng thức ta đã thu được
(

,

, , )

≥0

đúng như là một điều kiện cần với bất kì

( ∈ℝ , ∈ )

là một cực tiểu trơn.

Định lý 1( Tính nữa liên tục dưới yếu)
Định lý 2. (Sự tồn tại cực tiểu)
Định lí 3(Tính duy nhất của cực tiểu)
2.3.

NGHIỆM

YẾU

CỦA

PHƯƠNG

TRÌNH

EULER-

LAGRANGE
Định nghĩa. Ta nói

∈

là một nghiệm yếu của bài toán bờ

(37) đối với phương trình Euler-Lagrange nếu như

với mọi

∈

,

(

( ).

, , )

+

(

, , )

=0

Định lý 4. (Nghiệm của phương trình Euler-Lagrange).
Giả sử L thoả mãn các điều kiện mạnh (35), (36) và
cho
[ ] = min [ ]
∈

Khi đó u là một nghiệm yếu của phương trình

∈

sao


15
−

(

(

, , )) +
=

(

, , ) = 0 trong

trên

2.4. TRƯỜNG HỢP HỆ PHƯƠNG TRÌNH
2.4.1. Tính lồi
Bây giờ ta chấp nhận lại kí hiệu đối với tập hợp các hệ phương
trình trong 1.3 và lưu ý đến câu hỏi tồn tại các cực tiểu của phiếm
hàm
[ ]≔

(

( ), ( ), )

được định nghĩa cho các hàm thích hợp
∶

×

×ℝ ×

→ ℝ được cho trước.

∶

→ ℝ , trong đó

Ta thừa nhận bất đẳng thức lồi

( , , )≥ | | −

(43)

với các hằng số
={

trong đó

∶

∈

> 0,
,

( ∈

≥ 0, và cũng đặt

( ; ℝ )⎸

= trên

→ ℝ được cho trước.

×

, ∈ℝ , ∈ )

theo nghĩa vết}

Định lý 5 (Sự tồn tại của cực tiểu)
Định lý 6 (Tính duy nhất của cực tiểu).
Định lý 7 (Nghiệm của hệ Euler-Lagrange)
2.4.2. Tính đa lồi
Bổ đề (Tính nữa liên tục yếu của các định thức).
Định lý 8 (Nữa liên tục dưới của các phiếm hàm đa lồi).


16
Định lý 9 (Sự tồn tại các cực tiểu, các phiếm hàm đa lồi).
2.5. TÍNH CHÍNH QUY CỦA NGHIỆM

(1)
với

(2)

Giả sử phiếm hàm [∙] có dạng
∈

[ ]≔

( ). Ta cũng lấy

(

)−

,

= 2, và giả sử cũng có điều kiện mạnh

( ) ≤ (| | + 1)( ∈ ℝ ) .

Khi đó bất kì cực tiểu

∈

là một nghiệm yếu của phương

trình đạo hàm riêng Euler-Lagrange
(3)

−

mà

(4)

với mỗi

∈

( ).

(

)

(

)

=

trong
=

2.5.1. Những ước lượng đạo hàm cấp hai
∈

Ta chứng tỏ nếu

( ) là một nghiệm yếu của phương

trình đạo hàm riêng phi tuyến tính (3) thì thật sự
tiên của tất cả điều đó ta giả sử
(5)

|

( )| ≤

Ta giả sử thêm rằng

sao cho

( ∈ℝ ).

∈

( ). Đầu

lồi đều, vì thế tồn tại một hằng số

>0


17
(6)

≥ | |

( )

,

( , ∈ℝ )

Rõ ràng đây là một số dạng tương tự phi tuyến tính của điều

kiện eliptic đều đối với phương trình đạo hàm riêng tuyến tính.
Định lý 1(Đạo hàm cấp hai đối với các cực tiểu).
2.5.2. Những nhận xét trên quy tắc cao hơn
Tiếp theo ta sẽ chứng tỏ rằng nếu

là khả vi vô hạn thì khi đó

nó là .
Tương tự với lý thuyết quy luật phát triển cho phương trình

đạo hàm riêng eliptic cấp hai, nó có vẻ tự nhiên để cố gắng mở rộng
ước tính

từ phần trước để thu được những ước tính hơn nữa
( ) với

trong không gian Sobolev cao hơn

= 3,4, ….

Để bắt đầu với điều đó ta chọn một hàm
∈ {1, … , }, và trong đồng nhất thức (4) đặt

giản ta lấy

≡ 0. Ta biết vì

từng phần để tìm được
(13)

Tiếp theo ta viết

)

= 0.

≔

và
≔

( ) với

mà để đơn

( ) nên ta có thể lấy tích phân

(

,

(14)

(15)

∈

=−

∈

(

)( , = 1, … , ).


18
Chọn bất kì
ta thấy rằng
(16)

( )

,

( ). Điều này thì nói rằng

∈

với mọi

⊂⊂ . Khi đó từ (13)-(15) sau một phép xấp xỉ
=0

∈

( ) là một nghiệm

yếu của phương trình đạo hàm riêng eliptic cấp hai tuyến tính
(17)

−

=0

,

trong .

Nhưng từ (17) ta không thể áp dụng lý thuyết đều đặn để kết

luận rằng

trơn, lý do là từ (15) và chỉ (15) ta có thể suy ra rằng
( )( , = 1, … , ).

∈

Tuy nhiên do tính độc lập để DeGiorgi và Nash khẳng định
một định lí sâu sắc hơn rằng bất kì nghiệm của (17) phải thật sự được
liên tục địa phương Hoolder đối với vài số mũ
⊂⊂

thì ta có

,

∈

( ) và vì thế

Trở lại định nghĩa (15). Nếu

∈

trơn thì ta biết

,

> 0. Do đó nếu

( ).
∈

,

( )( , =

1, … , ). Khi đó (3) và định lý của Schauder thật sự khẳng định
rằng

∈

,

( ).

Nhưng khi đó
Schauder ý nói

∈

,

∈

( ).

,

( ) và do một phiên bản ước tính của

Cuối cùng chúng ta có thể tiếp tục cái gọi là argument
“bootstrap” để suy ra
∈

( ).

là

,

( ) với

= 1, … ,

và vì vậy


19
CHƯƠNG 3
MỘT SỐ CHỦ ĐỀ LIÊN QUAN

3.1. BÀI TOÁN GIÁ TRỊ RIÊNG PHI TUYẾN TÍNH
Trước tiên ta nghiên cứu những bài toán với các ràng buộc
tích phân.
Để chi tiết ta xét bài toán về phiếm hàm năng lượng giảm
(1)

Trên mọi hàm

[ ]≔

= 0 trên

với

điều kiện biên là
(2)

trong đó

1
2

[ ]≔

|

|

nhưng cũng lệ thuộc vào

( )

∶ ℝ → ℝ là một hàm trơn cho trước.

Từ đây ta sẽ viết
(3)

= 0,

= ′. Bây giờ giả sử

| ( )| ≤ (| | + 1),

và vì thế

| ( )| ≤ (| | + 1)

(4)
với vài hằng số .

( ∈ ℝ)

Ta cũng giới thiệu lớp thích hợp có thể chấp nhận được
≔{

∈

Và giả sử rằng tập mở

( )⎸ [ ] = 0}.

liên thông, bị chặn và có một biên

trơn.
Định lý 1 (Sự tồn tại của cực tiểu có ràng buộc).

20
Nhận xét. Vì

là nghiệm yếu của bài toán giá trị biên phi

tuyến tính
( )trong
trên

−∆ =
=0

(11)

,

trong đó λ là nhân tử Lagrange tương ứng với ràng buộc tích phân
[ ] = 0.

(12)

Một bài toán của dạng (11) đối với các ẩn ( , ), với

≢ 0, là

một bài toán giá trị riêng phi tuyến tính.

3.2. RÀNG BUỘC MỘT BÊN, BẤT ĐẲNG THỨC BIẾN PHÂN
Bây giờ ta nghiên cứu các phép tính của các bài toán biến
phân với điểm nào đó, các ràng buộc một phía trên các giá trị của

( )với mỗi

∈ . Để rõ ràng ta xét các bài toán của sự cực tiểu

cho phiếm hàm năng lượng

trong số tất cả các hàm
trong đó ℎ ∶

≔{

∈

1
|
2

[ ]≔

| −

,

có liên quan tới tập

( )⎸

≥ ℎ hầu khắp nơi trong },

→ ℝ được gọi là hàm ngưỡng,là một hàm trơn cho

trước. Do đó tập chấp nhận lồi A bao gồm các hàm
mãn ràng buộc một bên hoặc một phía mà
rằng

là một hàm trơn cho trước.

Định lý 3 (Sự tồn tại của cực tiểu).
Định lý 4 (Biến phân đặc trưng của cực tiểu).

∈

( ) thỏa

≥ ℎ. Ta cũng giả sử


21
3.3. ĐỊNH LÝ QUA NÚI
3.3.1. Các điểm tới hạn, sự biến dạng.
Định nghĩa.
Ta nói I khả vi tại

∈

nếu tồn tại

[ ]= [ ]+( ,

(1)

∈

sao cho

− ) + (‖ − ‖)

(

nếu nó tồn tại là duy nhất. Khi đó ta viết [ ] = .

Phần tử

∈

).

Định nghĩa

[ ] tồn tại với mỗi

∈

, và ánh

Ta sẽ trình bày lý thuyết bên dưới đúng nếu

∈

( ; ℝ),

Ta nói
xạ

∶

→

∈

( ; ℝ) nếu

là liên tục.

Nhận xét

nhưng các chứng minh sẽ được sắp xếp hợp lý nhất thì ta giả thiết
thêm
∶

(2)

Kí hiệu.
(i)

→

là liên tục Lipschitz trên tập con bị chặn của .

kí hiệu là tập các hàm ∈

(ii) Nếu

∈ ℝ thì ta viết

( ; ℝ) thỏa mãn (2).

≔ { ∈ ⎸ [ ] ≤ },

≔ { ∈ ⎸ [ ] = , [ ] = 0}.

Các định nghĩa.

(i) Nếu [ ] = 0 thì ta nói

(ii) Nếu

≠ ∅ thì ta nói

∈

là một điểm tới hạn.

là một giá trị tới hạn.


22
Định nghĩa
Một phiếm hàm

∈

Palais-Smale nếu mỗi dãy {
và

(i) { [

]}

(ii) [

]→0

( ; ℝ) thỏa mãn điều kiện compact

}

⊂

là bị chặn

sao cho

,

là compact trước trong .
Định lý 1 (Định lý biến dạng).
3.3.2. Định lý qua núi
Định lý 2 ( Định lý qua núi).
Giả sử ∈

thỏa mãn điều kiện Palais-Smale. Và cũng giả sử

(i) [0] = 0,

(ii) Tồn tại các hằng số ,
[ ]≥

và

(iii) Tồn tại một phần tử

Định nghĩa
Khi đó

‖ ‖> ,

ế

>0

∈

ℎ

‖ ‖= ,
với

[ ] ≤ 0.

Γ ≔ { ∈ [0,1]; ⎸ (0) = 0, (1) = }.
= inf max [ ( )]

là một giá trị tới hạn của I.

∈


23
3.3.3. Ứng dụng trong phương trình elliptic nữa tuyến tính.
Để minh họa tính có ích của định lý qua núi , bây giờ ta nghiên
cứu bài toán bờ nữa tuyến tính :
(22)

−∆ = ( )trong
=0
trên

Ta giả sử

là hàm trơn , và với vài
1<

ta có
(23)
trong đó
(24)

| ( )| ≤ (1 + | | ), | ′( )| ≤ (1+| |
là hằng số. Ta cũng giả sử

0≤ ( )≤

trong đó ( ) ≔ ∫
(25)

+2
−2

<

)( ∈ ℝ),

( ) với vài hằng số < ,

( )

à ∈ ℝ.

Ta đưa ra giả thiết cuối cùng cho các hằng số 0 <
| |

≤ | ( )| ≤ | |

( ∈ ℝ).

Mà (25) ý nói (0) = 0 vì thế rõ ràng

≤

là

≡ 0 là một nghiệm tầm

thường của (22). Ta muốn tìm một nghiệm khác.
Định lý 3 (Sự tồn tại).

Bài toán bờ (22) có ít nhất một nghiệm yếu

≢ 0.


24
KẾT LUẬN
Qua một thời gian tìm hiểu, tiếp cận và nghiên cứu một số vấn
đề cơ sở trong phép tính biến phân, luận văn đã hoàn thành và đạt
được mục tiêu nghiên cứu của đề tài với những kết quả cụ thể sau:
·

Tổng quan và hệ thống đầy đủ các khái niệm và các ví dụ về
ứng dụng của biến phân đối với phương trình EulerLagrange và hệ phương trình Euler-Lagrange.

·

Trình bày một cách đầy đủ và chi tiết các khái niệm nghiệm
yếu, Lagrange không, số nhân Lagrange, các bổ đề liên quan.

·

Chứng minh chi tiết và làm rõ một số định lý, đặc biệt định

lý qua núi và ứng dụng của các định lý này trong phương
trình eliptic nữa tuyến tính.