An Introduction
Klaus Schmitt
Department of Mathematics
University of Utah
Russell C. Thompson
Department of Mathematics and Statistics
Utah State University
Lecture Notes
I Nonlinear Analysis 1
Chapter I. Analysis In Banach Spaces 3
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2 Banach Spaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
3 Differentiability, Taylor’s Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
4 Some Special Mappings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
5 Inverse Function Theorems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
6 The Dugundji Extension Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
7 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
Chapter II. The Method of Lyapunov-Schmidt 27
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2 Splitting Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3 Bifurcation at a Simple Eigenvalue . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Chapter III. Degree Theory 33
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2 Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3 Properties of the Brouwer Degree . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4 Completely Continuous Perturbations . . . . . . . . . . . . . . . 42
5 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
Chapter IV. Global Solution Theorems 49
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2 Continuation Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3 A Globalization of the Implicit Function Theorem . . . . . . . . 52
4 The Theorem of Krein-Rutman . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5 Global Bifurcation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
6 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
II Ordinary Differential Equations 63
Chapter V. Existence and Uniqueness Theorems 65
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2 The Picard-Lindel¨of Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3 The Cauchy-Peano Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4 Extension Theorems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5 Dependence upon Initial Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . 72
6 Differential Inequalities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
7 Uniqueness Theorems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
8 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
Chapter VI. Linear Ordinary Differential Equations 81
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
2 Preliminaries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3 Constant Coefficient Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4 Floquet Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
Chapter VII. Periodic Solutions 91
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
2 Preliminaries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3 Perturbations of Nonresonant Equations . . . . . . . . . . . . . . 92
4 Resonant Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
5 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
Chapter VIII. Stability Theory 103
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
2 Stability Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
3 Stability of Linear Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4 Stability of Nonlinear Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
5 Lyapunov Stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
6 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
Chapter IX. Invariant Sets 123
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
2 Orbits and Flows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
3 Invariant Sets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
4 Limit Sets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
5 Two Dimensional Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
6 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
Chapter X. Hopf Bifurcation 133
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
2 A Hopf Bifurcation Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
TABLE OF CONTENTS vii
Chapter XI. Sturm-Liouville Boundary Value Problems 139
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
2 Linear Boundary Value Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
3 Completeness of Eigenfunctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
4 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
Bibliography 147
Index 149