Gronwall不等式

瑞典格朗沃尔提出的不等式

Gronwall不等式是目前常用不等式之一。它与Holder不等式一样,分别具备离散形式与连续形式。

在数学中,格朗沃尔 引理 或格朗沃尔不等式说明了对于满足一定的 微分方程 或积分方程的函数,有相应的关于此微分方程或积分方程的不等式。格朗沃尔不等式有两种形式,分别是积分形式和 微分形式 。积分形式下的不等式可以有几种不同的写法。

释义

格朗沃尔不等式常常被用来估计 常微分方程 的解的取值范围。比如,它可以用来证明初值问题的解的唯一性(见柯西-利普希茨定理)。

格朗沃尔不等式的名称来自多玛·哈肯·格朗沃尔。格朗沃尔是一位 瑞典 的数学家,后来移居 美国 。

格朗沃尔不等式的微分形式首先由格朗沃尔在1919年证明。而积分形式则是由 理查德·贝尔曼 (Richard Bellman)在1943年证明。

离散形式

设 是非负 实数 列, 。如果对每一个 ,

,

那么

连续形式

设 是定义在 上的连续实函数, 。如果对一切 ,都有

那么

微分形式

设 I 是一个 实数 区间,记为: 或 或 ,其中 。又设 β 和 u 为定义在 I 上的 实数 值的 连续函数 。假设 u 是一个在 I 的内部(也就是不包括端点)可微的函数,并且满足如下的 导数 不等式:

那么对于所有的 ,函数 u 都小于等于以下 微分方程 的解:

注意:不等式对函数 β 和 u 的符号没有任何要求。

证明

如果设

是以下微分方程

其中 的解,那么对所有的 t 都有 ,因此根据复合函数求导法则中的除法定则:

对所有的 成立,因此

于是格朗沃尔不等式得证。

积分形式

设 I 是一个 实数 区间,记为: 或 或 ,其中 。又设 α 、 β 和 u 为定义在 I 上的实数值的函数。假设 β 和 u 是连续的,则有:

(a) 如果 β 是非负函数并且 u 满足如下的积分不等式:

,

那么

。

(b) 如果在之前的条件下, α 还是一个 常数 ,那么

注意:

不等式的成立条件里并没有限制 α 和 u 的符号;

相比于 微分形式 ,积分形式中对函数 u 的可微性没有做要求。

证明

(a) 定义

则运用复合函数求导法则中的乘积法则、链式法则、 指数函数 的求导法则以及微积分基本定理,可以得到:

由于注意到括号中的部分小于 α ,可以得到相应的不等式,并进行积分。由于函数 β 以及其指数都是非负函数,积分后不等号保持不变。然而 ,因此积分式等价于:

再运用第一步里 v ( t ) 的定义,就得到:

最后将原来条件里的不等式带入上式左边,就可以得到格朗沃尔不等式了。

(b) 如果函数 α 为常数函数,那么命题 (a) 中不等式的右边可以进行积分。由微积分基本定理可以获得: