MA3XJ/MA4XJ Integral Equations

Problem Sheet 2: 2023-2024

1. Define K : C[0, 2] → C[0, 2] by

Kϕ(x) = (x − t)2 ϕ(t)dt,    for 0 ≤ x ≤ 2 and ϕ ∈ C[0, 2].

(a) Show, by using the formula on p. 89 in the lecture notes, that

∥K∥ = 3/8.                                                  (1)

(b) Show the same result from first principles, i.e.  directly from the definition of the norm of a bounded linear operator on p. 83.  Specifically, directly from the definition of K above (see part (a) of the example on pages 98-103 of the notes for a model), show that

∥Kϕ∥∞ ≤ 3/8 ∥ϕ∥∞ ,    for every ϕ ∈ C

Also, show that, if ψ(t) = 1 for 0 ≤ t ≤ 2, then  ∥ψ∥∞ = 1 and

∥Kψ∥∞ ≥ |Kψ(0)| = 3/8.

Explain why these results in part (b) imply that (1) holds.

2. Define K : C[0, 2] → C[0, 2] by

Kϕ(x) = (x − t)3 ϕ(t)dt,    for 0 ≤ x ≤ 2 and ϕ ∈ C[0, 2].

Using the theorem on page 89 in the lecture notes, compute ∥K∥ .

3. Define K : C[0, 1] → C[0, 1] by

Kϕ(x) =  |x − t|−1/2 ϕ(t)dt,    for 0 ≤ x ≤ 1 and ϕ ∈ C[0, 1].

Using the theorem on page 97 in the lecture notes, compute ∥K∥ .

4. Let X = C[a,b] and suppose that K : X → X is a bounded linear operator.

(a) Prove that K2  : X → X defined by K2 ϕ = K(Kϕ), for all ϕ ∈ X, is also a bounded linear operator and that

∥K2 ∥ ≤ ∥K∥2 .

(b) For n = 2, 3, ... define Kn  : X → X by Kn ϕ = K(Kn−1ϕ), for ϕ ∈ X, where K1 ϕ := Kϕ .

Show by induction that Kn  is a bounded linear operator for n = 2, 3, ... and that ∥Kn ∥ ≤ ∥K∥n.

5. Define K : C[0,π/2] → C[0,π/2] by

dt,  for 0 ≤ x ≤ and ϕ ∈ C

(a) Show that, for 0 ≤ x ≤ π/2 and ϕ ∈ C[0,π/2],

|Kϕ(x)| ≤ x∥ϕ∥∞ .

(b) Using the result from part (a), show that

|K2 ϕ  tdt∥ϕ∥∞  =  ∥ϕ∥∞ ,  for 0 ≤ x ≤  and ϕ ∈ C[0, π/2].

(c) Using the result from part (a), show by induction that, for n = 1, 2, ...,

Knϕ(x)| ≤ x n n! ∥ϕ∥∞, for 0 ≤ x ≤ π 2 and ϕ ∈ C[0, π/2].

(d) Deduce from part (c) that

∥Kn ∥ ≤ π n  n!2

and that ∥Kn ∥ → 0 as n → ∞ .

(e) From part (d) it follows that ∥K∥ ≤ π/2. Using the theorem on page 105 in the lecture notes, compute the exact value of ∥K∥ .

6. Suppose K : C[−π,π] → C[−π,π] is defined by

Kϕ(x) = Z − π π sin(x) sin(t) ϕ(t)dt, −π ≤ x ≤ π.

(a) Using the formula for ∥K∥ on page 89 of your notes, show that ∥K∥ = 4.

(b) By definition,

∥K∥ = sup ϕ∈C[−π,π]\{0} ∥Kϕ∥∞ ∥ϕ∥∞.

Since ∥K∥ = 4, this implies that, for every ϵ > 0 there exists a non-zero ϕ ∈ C[−π,π] such that

∥Kϕ∥∞ ∥ϕ∥∞ ≥ 4 − ϵ.

Defining ψ ∈ C[−π,π] by

ψ := ϕ ∥ϕ∥∞ ,

it follows that ∥ψ∥∞ = 1 and that

∥Kψ∥∞ = ∥Kϕ∥∞ ∥ϕ∥∞ ≥ 4 − ϵ.

Find an explicit function ψ for which this is true! I.e., for every ϵ > 0, construct a function ψ ∈ C[−π,π] with  ∥ψ∥∞ = 1 such that

∥Kψ∥∞ ≥ 4 − ϵ .

[Hint: examine the proof of the theorem on page 89 for inspiration!]

7.   Consider the integral equation that was discussed on slide 114 of the lecture notes, the integral equation

λy(x) = g(x) + k(x,t)y(t)dt,    a ≤ x ≤ b,

with a = 0, b = 1, λ = 1, and

g(x) = x2 ,    k(x,t) = x2  − t2 ,

for x,t ∈ [a,b] = [0, 1].

Copying the solution method on slides 115-120 of the lecture notes, compute the Degen- erate Kernel Method approximate solution yN  in the (simplest) case N = 1.  To help you visualise what is going on, draw the figure on slide 115 that applies in this case.  (The blue curve, the plot of k(x,t) against t when x = √3/2 is the same, what is different is the graph of kN (x,t). Do also look at page 110/111/112 for the graph in the general case.)

8. Consider the integral equation

λy(x) = g(x) + k(x,t)y(t)dt,    a ≤ x ≤ b,

in the case that a = 0, b = 2, λ = 2, and

g(x) = x,    k(x,t) = x − t,

for x,t ∈ [a,b] = [0, 1].

(a) Compute the exact solution y ∈ C[0, 2] of this equation.

(b) Copying the solution method on slides  115-121 of the lecture notes, compute the Degenerate Kernel Method approximate solution yN  in the case N = 2.

9.  Suppose that a < b, k,ℓ ∈ C[a,b], and define the integral operator K : C[a,b] → C[a,b] by

Kϕ(x) =  k(x)ℓ(t)ϕ(t)dt,    for a ≤ x ≤ b and ϕ ∈ C[a,b],

and consider the integral equation

λy = Ky                                                             (2)

where λ ∈ C.

(a) Show that, if λ ≠ 0 and

λ ≠ Z a b k(t)ℓ(t) dt,                         (3)

then the integral equation (2) only has the trivial solution y = 0.

(b) Using the result from part (a), what does the Fredholm Alternative (slide 124) tell

us about whether or not, given g ∈ C[a,b], the inhomogeneous equation

λy = g + Ky

has any solutions y ∈ C[a,b]?

10.  Suppose that K : C[a,b] → C[a,b] is an integral operator with a continuous or weakly singular kernel, and consider the integral equation

y = g + Ky                                                           (4)

where g ∈ C[a,b].  Show that this equation has exactly one solution if  ∥Kn ∥ < 1 for some n ∈ N. [Hint: show first that, if ∥Kn ∥ < 1 for some n ∈ N, then the equation y = Ky only has the trivial solution, and then appeal to the Fredholm Alternative.]