Master's Thesis

Differential equations in Banach spaces

Final Thesis 1.14 MB

Author of thesis: Bc. Dušan Oberta

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: prof. Mgr. Pavel Řehák, Ph.D.

Reviewer: doc. Ing. Luděk Nechvátal, Ph.D.

Abstract:

In this Master's thesis we address the question of solvability of differential equations in Banach spaces. The thesis itself is divided into three major parts. In the first part we study the existence of local solutions of an initial value problem for fractional differential equations in Banach spaces. In the second part we study the existence of local solutions of an initial value problem for dynamic equations on time scales in Banach spaces. Also, in these two parts we show applications of our results on countable systems arising from semidiscretisation of fractional PDEs and partial dynamic equations on time scales, respectively. Finally, in the third part we study the existence of solutions of countable systems of ODEs on unbounded intervals with prescribed asymptotic behaviour. Each of the three parts contains new results, most of which were submitted to academic journals. Central role is played by the standard tools of functional analysis, axiomatic theory of measures of noncompactness, abstract fractional calculus, abstract time scale calculus, and the newly introduced concepts of Kamke function of order α and Kamke Δ-function.

Keywords:

differential equations in Banach spaces, existence of solutions, countable systems of ODEs, semidiscretisation of PDEs, measures of noncompactness, abstract fractional differential equations, Kamke function of order α, abstract dynamic equations on time scales, Kamke Δ-function, asymptotic behaviour of solutions

Date of defence

08.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student odprezentoval svoji práci. Posudky vedoucího a oponenta práce byly přečteny, oponent nebyl přítomen. Komise položila studentovi otázku z oponentova posudku, na kterou student uspokojivě odpověděl. Proběhla krátká diskuze, během které komise položila doplňující dotazy. Na otázky student odpověděl.

Language of thesis

English

Faculty

Department

Study programme

Mathematical Engineering (N-MAI-P)

Composition of Committee

prof. RNDr. Zdeněk Pospíšil, Dr. (předseda)
prof. Mgr. Pavel Řehák, Ph.D. (místopředseda)
doc. Mgr. Zuzana Hübnerová, Ph.D. (člen)
doc. Mgr. Zdeněk Opluštil, Ph.D. (člen)
doc. Mgr. Jaroslav Hrdina, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
prof. Mgr. Pavel Řehák, Ph.D.

Hlavním cílem práce bylo zkoumat vybrané problémy z kvalitativní teorie diferenciálních rovnic v Banachových prostorech. Konkrétněji jde o tyto tři oblasti:
1) Analýza existence řešení počáteční úlohy pro zlomkové diferenciální rovnice v Banachových prostorech.
2) Analýza existence řešení počáteční úlohy pro dynamické rovnice na časových škálách v Banachových prostorech.
3) Analýza existence řešení s~předem danými asymptotickými vlastnostmi pro spočetné systémy diferenciálních rovnic.
Ve všech těchto oblastech byly odvozeny nové a dosti netriviální výsledky, které snesou srovnání s pracemi profesionálů.
Kvůli problémům s kompaktností jsou existenční úlohy pro rovnice v Banachových prostorech mnohem komplikovanější než analogické problémy pro běžné systémy rovnic. Autorovi se podařilo dokázat řadu zajímavých tvrzení. S~použitím axiomatické teorie míry nekompaktnosti a dalších pokročilých nástrojů odvodil nové a velmi obecné podmínky garantující existenci řešení počáteční úlohy pro rovnice v Banachových prostorech, a to jednak ve smyslu zlomkového kalkulu a dále ve smyslu kalkulu na časových škálách. Též úvahy týkající se asymptotické analýzy jsou v literatuře originální a představují slibný základ pro další výzkum. Součástí textu jsou i aplikace výsledků, a to v oblasti spočetných systémů rovnic (hojně studovaných v literatuře), které vznikají semidiskretizací zlomkových resp. dynamických parciálních rovnic.

Je potřeba zdůraznit, že důkazy hlavních tvrzení si vynutily odvození řady nových teoretických výsledků v různých oblastech, které najdou své využití i v širším kontextu, jde např. o vztahy mezi uvažovanou úlohou a integrální rovnicí, identity pro zlomkové operátory v Banachových prostorech, či kritéria relativní kompaktnosti v konkrétních prostorech. Díky velmi pečlivému přístupu též došlo k revizi nedokonalostí, které se běžně objevují v kalkulu na časových škálách. Pokud autor přebíral postupy z literatury, pak velmi invenčním přístupem, přičemž doplnil množství detailů, které v původních textech nebyly přítomny.

Vysokou úroveň práce podtrhují i následující skutečnosti. Výsledky z prvních dvou oblastí byly zpracovány ve formě dvou článků předložených do renomovaných časopisů (u obou je Dušan Oberta jediným autorem). Jeden z nich už byl přijat k publikaci a druhý prošel základním sítem a je v recenzním řízení. U prvního recenzenti ocenili mj. vysokou netriviálnost odvozených výsledků a také nebývalou pečlivost a systematičnost, s jakou byl článek připraven. Ostatně podobný charakter má i jeho diplomová práce. Text připravený na základě DP byl ohodnocen třetím místem v soutěži SVOČ. Dušan Oberta prezentoval některé výsledky na workshopu v Rzeszowe (Polsko), který byl organizován prof. Banásem, ústřední postavou teorie měr nekompaktnosti. Prezentované výsledky byly velice kladně přijaty.

Nakonec musím též vyzdvihnout autorovu samostatnost a schopnost se velmi rychle zorientovat v~nových partiích matematiky, které značně překračují rámec studijního programu.

Ze všech uvedených faktů vyplývá, že jde o nadprůměrnou diplomovou práci a limity všech kritérií, které vedou k hodnocení A, byly s rezervou překročeny.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Diplomová práce se zabývá obyčejnými diferenciálními rovnicemi v Banachových prostorech. Zaměřuje se zejména na otázku (lokální) existence řešení (klasická Peanova věta v případě těchto ODR obecně neplatí). Téma práce, které se z větší části opírá o pokročilé poznatky z funkcionální analýzy, považuji za vysoce netriviální.

Cíle diplomové práce byly bezpochyby splněny. Text je na mimořádně vysoké úrovni, přičemž se nejedná o (pouze) rešeršní práci. Kapitoly 3-5, které tvoří jádro, obsahují nové výsledky. Za zmínku stojí, že výsledky kapitol 3 a 4 byly zaslány k recenzi do respektovaných matematických žurnálů skrze dva články (jeden z nich již byl přijat k publikaci). Kromě toho práce obsahuje i některá vylepšení/zobecnění několika obecných tvrzení známých z literatury. Přínos práce je tedy nesporný.

Formální stránka práce je také velmi dobrá. Oceňuji vyzrálost při psaní matematického textu. Ten má jasnou logickou strukturu, jednotlivé pojmy a teorie jsou dobře vystavěny, typografie a angličtina jsou také na vysoké úrovni.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. Aplikační sekce 3.7 a 4.6 pracují s úlohami, jejichž řešení mají hodnoty v Banachově prostoru c_0. Bylo by obtížné uvažovat i jiný prostor posloupností? Například, při semidiskretizační technice se typicky nabízí prostor ell^infty(Z).

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová