Теорема пеано для дифференциального уравнения

Решение задачи Коши

Содержание:

Задача Коши. Одной из важнейших задач в теории дифференциальных уравнений является так называемая задача Коши. Для уравнения (2),

задача Коши, или начальная задача, ставится следующим образом: среди всех решений уравнения (2) найти такое решение

в котором функция у(х) принимает заданное числовое значение Уо при заданное числовом значении х0 независимой переменной х, т. е.

где и — заданные числа, так что решение (36) удовлетворяет условию:

При этом число называется начальным значением искомой функции, а число — начальным значением независимой переменной. В целом же числа и называются начальными данными решения (36), а условие (38) —начальным условием этого решения.

По этой ссылке вы найдёте полный курс лекций по высшей математике:

Задачу Коши геометрически можно сформулировать так: среди всех интегральных кривых уравнения (2)’найти tj (рис. 6), которая проходит через заданную точку

Будем говорить, что задача Коши с начальными условиями (38) имеет единственное решение, если существует та кое число , что в интервале — определено решение такое, что и не существует решения, определенного в этом же интервале и не совпадающего с решением хотя бы в одной точке интервала

отличной от точки В противном случае, т. е. когда задача Коши с начальным условием (38) имеет не одно решение или же совсем не имеет решений, мы будем говорить, что в точке нарушается единственность решения задачи Коши.

Возможно вам будут полезны данные страницы:

Вопрос о единственности решения задачи Коши представляет исключительный интерес как для самой теории дифференциальных уравнений, так и для ее многочисленных приложений, ибо, зная, что решение задачи Коши единственно, мы, найдя решение, удовлетворяющее заданным начальным условиям, уверены, что других решений, удовлетворяющих тем же начальным условиям, нет.

В вопросах естествознания эго приводит к тому, что мы получаем вполне определенный, единственный закон явления, определяемый только дифференциальным уравнением и начальным условием. Иллюстрацией сказанного может служить хотя бы пример 1, рассмотренный во введении.

Заметим, что в простейшем случае задача Коши встречается нам уже в интегральном исчислении, именно там, по существу, доказывается, что если функция f(x) непрерывна в интервале (а, Ь),то единственным решением уравнения

принимающим значение принадлежит интервалу —любое заданное число, является функция*

Эго решение определено ео всем интервале (а, Ь).

Из формулы (40) легко усмотреть характер зависимости решения рассматриваемой задачи Коши как от независимой переменной, так и от начальных данных.

Прежде всего из курса анализа известно, что решение (40) является непрерывно дифференцируемой** функцией от независимой переменной х. Геометрически это означает, что через точку проходит одна и только одна интегральная кривая. Эта интегральная кривая гладкая***. Она пересекается со всякой -прямой, параллельной оси Оу, не более чем в одной точке.

Из формулы (40) видно также, что решение задачи К о ш и дл я простейшего дифференциального уравнения (39) я в-ляется непрерывной и даже непрерывно дифференцируемой функцией начальных данных

Особые случаи задачи Коши. При постановке задачи Коши с начальными данными мы неявно предполагали, что числа х0 и уо конечны и что правая часть уравнения (2) определена и конечна в точке , т. е. уравнение (2) задает в точке определенное направление поля, причем последнее не параллельно оси Оу. Если правая часть уравнения (2) обращается в точке в бесконечность, то следует рассматривать перевернутое уравнение (.

и искать решение (рис. 7), удовлетворяющее начальному условию: . Единственная «особенность» решения этой задачи Коши состоит только в том, что в точке касательная к интегральной кривой параллельна оси Оу.

Совсем другое положение мы будем иметь, если в точке правая часть уравнения (2) по определена. Предположим, что f(x, у) обращается в точке в неопределенность вида Тогда обычная постановка задачи Коши теряет смысл, так как через точку не проходит ни одна интегральная кривая.

В этом случае задача Коши ставится так:

найти решение вида [или обладающее свойством (28) [или (29)], т. е. найти решение, примыкающее к точке

Здесь, так же как и в основном случае задачи Коши, возникают вопросы существования и единственности решения.

Кроме того, здесь возникают и дополнительные вопросы:

1) имеют ли решения, примыкающие к точке , определенную касательную в этой точке? Дело в том, что само уравнение (2) в этом случае не предписывает никакого определенного направления касательной в такой точке ;

2) если интегральные кривые примыкают к точке с определенными направлениями касательной, то каковы эти направления? Сколько кривых входит по данному направлению? В примерах 3 и 4, рассмотренных в п. 4, все интегральные кривые уравнения (30) примыкают к точке (0,0) (где правая часть обращается в о — неопределенность вида ), имея в ней каждая свою касательную, в то время как ни одна из интегральных кривых уравнения (34) не примыкает к точке (0,0), так что для этого уравнения задача Коши с начальными данными не имеет ни одного решения.

В некоторых случаях возникает необходимость искать решения , удовлетворяющие условиям:

Указанные выше особые случаи задачи Коши исследуются в аналитической теории дифференциальных уравнений и в качественной теории дифференциальных уравнений. Во всех случаях задачи Коши наряду с вопросами существования и единственности возникают /вопросы о свойствах решения задачи Коши как функции независимой переменной (аналитический вид, дифференциальные и геометрические свойства и особенности «поведения во всей области существования) и как функции начальных данных. Рассмотрение этих вопросов составляет одну из основных задач теории дифференциальных уравнений.

Достаточное условие существования решения задачи Коши

Предположим, что правая часть уравнения (2) определена и непрерывна в некоторой области G изменения х и у. Тогда, как уже отмечалось раньше (п. 4), уравнение (2) определяет некоторое поле направлений, причем в силу только что сделанного предположения о непрерывности правой части уравнения (2) это ноле направлений непрерывно, так что направления в двух достаточно близких точках разнятся сколь угодно мало. Заметим, что из сделанного предположения о непрерывности

правой части уравнения (2) следует, что всякое решение этого уравнения (если оно существует) будет непрерывно дифференцируемым, так что всякая интегральная кривая будет гладкой. Всякая интегральная кривая, как уже было сказано в п. 4., обладает чем свойством, что в каждой ее точке направление карательной совпадает с направлением поля, определяемым дифференциальным уравнением в этой точке. Попытаемся, пользуясь этим свойством интегральной кривой, найти решение задачи Коши для уравнения (2) с начальными данными из области G.

Возьмем п области G некоторую точку (рис 8) Наклон поля в этой точке равен Проведем через точку -прямую с угловим коэффициентом

На этой прямой возьмем любую точку , принадлежащую области G, и через нее прощую области G, и через нее проведем прямую с угловым коэффициентом, равным наклону поля в этой точке, т. е. На последней прямой возьмем любую точку принадлежащую области G, и проведем через нее прямую с угловым коэффициентом и т. д. Такое же построение можно сделать и влево от точки . Построенная ломаная линия называется ломаной Эйлера.

Ясно, что можно построить бесчисленное множество ломаных Эйлера, проходящих через точку — Каждая из этих ломаных с достаточно короткими звеньями дает некоторое представление об интегральной кривой, проходящей через точку если эта интегральная кривая существует. Естественно ожидать, что .мы можем построить последовательность ломаных Эйлера, имеющую своим пределом (когда длины всех звеньев ломаной стремятся к пулю, а их число стремится к бесконечности) интегральную кривую, проходящую через точку Л

Можно доказать*, что при сделанном предположении относительно f(x, у) это действительно имеет место, так что для существования непрерывно дифференцируемого решения задачи Коши для уравнения (2) достаточно предположить, что его правая часть непрерывна в окрестности начальных данных (теорема Пеано).

Заметим, однако, что нс исключена возможность существования нескольких последовательностей ломаных Эйлера, проходящих через точку , каждая из которых стремится к своей интегральной кривой, так что в общем случае, нет оснований ожидать, что мы получим единственную интегральную кривую, проходящую через точку . Более того, как показал М. Л. Лаврентьев**, единственность решения может нарушаться даже во всех точках непрерывности правой части уравнения (2).

Таким образом, теорема Пеано есть только теорема существования решения задачи Коши. Единственности решения она не гарантирует.

Достаточные условия существования и единственности решения задачи Коши

Поставим вопрос: каким условиям достаточно подчинить правую часть уравнения (2) в окрестности начальных данных чтобы через точку проходила одна и только одна интегральная кривая этого уравнения» В общем виде этот вопрос мы рассматриваем в гл. V, где пр* некоторых предположениях относительно правой части уравнения (2) мы доказываем существование и единственность решения задачи Коши и показываем, что свойства решения задачи Коши вполне определяются свойствами правой части уравнения (2) и начальными данным и. Сейчас мы приведем без дока-загельства основную теорему существования и единственности (теорему Пикара) для уравнения (2) в упрощенной формулировке.

Теорема. Пусть дано уравнение (2),

и поставлено начальное условие (38),

Предположим, что функция определена в некоторой замкнутой ограниченной области (рис. 9)

с точкой внутри (а и b — заданные положительные числа) и удовлетворяет в ней следующим двум условиям.

У 1. Функция непрерывна и следовательно, ограничена, т. е.

где М—постоянное положительное число, а(х, у) — любая точка области R;

II. Функция f(x, у) имеет ограничейную частную производную по аргументу у, т. е.:

где К — постоянное положительное число, а (х, у)—любая точка области R.

При этих предположениях уравнение (2) имеет единственное решение (36),

удовлетворяющее начальному условию (38). Это решение определено и непрерывно дифференцируемо в некоторой окрестности начального значения х0 независимой переменной х, а именно оно заведомо определено в интервале

где h есть наименьшее из чисел

Из этой теоремы, в частности, следует, что если правая часть уравнения (2) есть полином относительно х и у или любая другая функция, определенная и непрерывная относительно х и у вместе с частной производной по у при всех значениях х и у, то через любую точку проходит одна и только одна интегральная кривая, ибо во всяком прямоугольнике R с центром в точке (х0, уо) оба условия теоремы Пикара будут очевидно выполнены. В этом случае вся плоскость (х, у) будет заполнена не пересекающимися и не касающимися друг друга гладкими интегральными кривыми.

Примеры с решением

Пример 1.

Пусть дано уравнение

и поставлено начальное условие:

Так как правая часть уравнения (45) есть полином относительно х и у, то решение с любыми начальными условиями, в том числе и с начальным условием (46), существует и единственно.

Оценим область определения решения с начальным условием (46).

С этой целью построим прямоугольник R с центром в точке (0, 0),

причем в качестве а и b можно взять любые положительные числа. Будем иметь:

Отсюда видно, что h зависит от выбора чисел а к &*. В частности, при а = b — 1, получим:

Поэтому уравнение (45) имеет единственное решение, заведомо определенное в интервале и удовлетворяющее начальному условию (46). это решение непрерывно дифференцируемо.

С геометрической точки зрения полученный результат означает, что уравнение (45) имеет только одну интегральную кривую, проходящую через начало координат, причем эта интегральная кривая гладкая.

Этот результат приобретает особое значение, если принять во внимание, что уравнение (45) не интегрируется пи в элементарных функциях, пи в квадратурах от элементарных функций, в чем мы убедимся в п. 51. Установленный факт существования и единственноеги решения дает нам основание пытаться искать его другими методами и в том числе находить это решение приближенно.

Пример 2.

Найти решение уравнения

удовлетворяющее начальному условию:

Так как правая часть уравнения (50) вместе с ее частной производной по непрерывна при всех х и у, то через каждую точку плоскости (х, у) проходит единственная интегральная кривая. Это же будет иметь место и в начале координат. Но легко заметить, что у = 0 (ось Ох) есть решение уравнения (50) и это решение проходит через начало координат, так чго оно и будет искомым решением. В силу только что установленной единственности решения уравнение (50) не имеет других решений, проходящих через начало координат.

* Наибольшим значением h будет

Вообще, если в уравнении (2) функция f(x, у) удовлетворяет обоим условиям теоремы Пикара в некоторой окрестности заданной точки (х0, у0) и такова, что , то единственным решением этого уравнения, проходящим через точку , будет прямая

Присылайте задания в любое время дня и ночи в ➔

Официальный сайт Брильёновой Натальи Валерьевны преподавателя кафедры информатики и электроники Екатеринбургского государственного института.

Все авторские права на размещённые материалы сохранены за правообладателями этих материалов. Любое коммерческое и/или иное использование кроме предварительного ознакомления материалов сайта natalibrilenova.ru запрещено. Публикация и распространение размещённых материалов не преследует за собой коммерческой и/или любой другой выгоды.

Сайт предназначен для облегчения образовательного путешествия студентам очникам и заочникам по вопросам обучения . Наталья Брильёнова не предлагает и не оказывает товары и услуги.

Теорема Коши существования и единственности решения дифференциального уравнения первого порядка

Впервые существование решения дифференциального уравнения было доказано Коши. Приводимое ниже доказательство основано на методе последовательных приближений, который принадлежит Пикару. Этот метод имеет самостоятельное значение, поскольку позволяет получить приближенное решение дифференциального уравнения.

Формулировка теоремы

Пусть дано дифференциальное уравнение первого порядка:
(1)
с начальным условием
(1.1) .
Пусть – непрерывная функция двух переменных в замкнутой области :

и, следовательно, ограничена некоторым положительным значением :
(2) .
И пусть функция удовлетворяет условию Липшица:
(3) ,
.
Тогда существует единственное решение уравнения (1):
,
удовлетворяющее начальному условию , определенное и непрерывное для значений в интервале:
,
где есть наименьшее из двух чисел и .

Условие Липшица

Рассмотрим условие Липшица. Оно имеет вид:
(3) ,
где – положительное число;
, и – любые значения из области :
, , .

Смысл условия Липшица легко понять, если записать его в виде:
(3.1) .
При некотором фиксированном значении переменной , функция является функцией от переменной : . Пусть мы имеем график этой функции. Возьмем две точки, принадлежащие , на этом графике и проведем через них прямую. Тогда угол между прямой и осью ограничен некоторым значением , которое меньше . При таком ограничении график не имеет вертикальных касательных и скачков. А в тех точках, где существует частная производная , она ограничена:
.

Если в области функция имеет непрерывную частную производную , то в этой области выполняется условие Липшица (3).
Для доказательства заметим, что поскольку частная производная непрерывна в замкнутой области, то она ограничена:
.
По теореме Лагранжа о конечных приращениях, имеем:
,
где частные производные вычисляются в некоторой точке , в которой переменная принадлежат интервалу между и :
.
Тогда:
.

Доказательство существования решения

Приведем исходное уравнение (1) с начальным условием (1.1) к интегральному уравнению. Левая и правая части (1) являются функциями от . Заменим на :
.
Интегрируем это уравнение по от до :
;
Подставим начальное условие . В результате получим интегральное уравнение:
(4) .

Покажем, что интегральное уравнение (4) эквивалентно дифференциальному уравнению (1) с начальным условием (1.1). Для этого нужно показать, что из (1) и (1.1) следует (4) и из (4) следует (1) и (1.1). То, что из (1) и (1.1) следует (4) мы уже показали. Осталось показать, что из (4) следует (1) и (1.1). Для этого подставим в (4) . Получим начальное условие (1.1). Продифференцировав обе части уравнения (4) по , получаем уравнение (1).

Далее мы пытаемся найти решение уравнения (4) с помощью последовательных приближений. Для этого определяем ряд функций от переменной по формулам:
(5.1) ;
(5.2) ;
(5.3) ;
.
(5.n) .
Мы предполагаем, что при , стремится к решению уравнения (4):
(6) ,
где – решение уравнения (4). Если мы докажем это, то мы докажем существование решения.

Доказательство существования решения будем проводить в два этапа:
1> вначале докажем, что предел (6) существует;
2) затем докажем, что удовлетворяет уравнению (4):
.

1) Доказательство существования предела y_n при n стремящемся к бесконечности

Сведем последовательные приближения (5.1) – (5.n) к сумме ряда. Для этого пишем:

.
Таким образом нам нужно доказать, что ряд
(7)
сходится при .

Сначала покажем, что при , последовательные приближения принадлежат интервалу .
Действительно, при имеем:
.
Поскольку есть наименьшее из двух чисел и , то и
.

Далее, поскольку принадлежит интервалу , то . Тогда, аналогично предыдущему,
.
Отсюда
.

Далее, по индукции, поскольку принадлежат интервалу , то и
.
Отсюда
.

Итак, мы доказали, что последовательные приближения принадлежат интервалу
.
Теперь мы можем оценить члены ряда (7), применяя условие Липшица.

Для первого члена имеем:
;
(8.1) .
Для второго члена применяем условие Липшица и оценку (8.1):

;
(8.2) .
Для третьего члена применяем, аналогично, условие Липшица и оценку (8.2):

;
(8.3) .

Далее применим метод индукции. Пусть
(8.n) .
Тогда

;
(8.n+1) .
Итак, поскольку (8.n) справедливо для и из (8.n) следует (8.n+1), то (8.n) выполняется для любых .

Запишем ряд (7) в виде:
(7.1) ,
где .
Применим (8.n) и заменим наибольшим допустимым значением :
.
Тогда каждый член ряда (7.1) ограничен по модулю членом ряда
(9) .
Исследуем ряд (9) на сходимость. Применим признак Даламбера:
.
Итак, ряд (9) сходится. Поскольку все члены ряда (7.1), начиная со второго, по абсолютной величине меньше членов сходящегося ряда (9), то, в силу критерия Вейерштрасса, ряд (7.1) сходится равномерно для всех , удовлетворяющих условию . Поскольку интеграл есть непрерывная функция от верхнего предела, то каждый член ряда (7.1) есть непрерывная функция от . Поэтому предел
(10)
существует и является непрерывной функцией от .

2) Доказательство того, что Y является решением (4)

Рассмотрим уравнение (5.n):
(5.n) .
Докажем, что при , это уравнение стремится к уравнению
(11) .

В силу (10) левая часть уравнения (5.n) стремится к .

Теперь покажем, что
.

Перепишем правую часть (5.n):
.
Далее заметим, что поскольку все принадлежат закрытому интервалу , то и принадлежит этому интервалу, . Поэтому мы можем применить условие Липшица.

Оценим абсолютную величину последнего члена:

.
Поскольку, при , стремится к равномерно, то для любого положительного числа можно указать такое натуральное число , что для всех ,
.
Тогда
.
Поскольку произвольно, то

Поэтому
.
То есть при уравнение
(5.n)
принимает вид
(11) .

Доказательство единственности решения

Предположим, что уравнение
(4)
имеет два решения и , различающиеся в некоторой точке , принадлежащей интервалу .
Рассмотрим функцию
.
Будем считать, что . В противном случае поменяем местами и .
Поскольку и непрерывны, то и непрерывная функция. Поэтому она отлична от нуля в некотором интервале, содержащем точку :
при .
Поскольку , то . То есть точка не принадлежит этому интервалу.

Если , то преобразуем (4) следующим образом:
,
где
.
Если переобозначить постоянные
,
то получим задачу (4), для которой
;
при ,
где – некоторое число, не превосходящее .

Если , то поступаем аналогично:
,
Переобозначим постоянные:
.
Получаем задачу (4), для которой
;
при ,
где – некоторое число, не меньшее .

Итак, мы имеем:
;
при ( или при ).
Далее возьмем произвольное положительное число ( или ) и рассмотрим закрытый интервал ( или ). Поскольку функция непрерывна, то она достигает наибольшего значения в одной из точек этого интервала:
( или ).

Сделаем оценку, применяя уравнение (4) и условие Липшица:

;
.
Поскольку , то разделим на :
.
Возникает противоречие, поскольку при это неравенство не выполняется.

Следовательно, не может иметь отличных от нуля значений. Поэтому . Что и требовалось доказать.

Использованная литература:
В.В. Степанов, Курс дифференциальных уравнений, «ЛКИ», 2015.

Автор: Олег Одинцов . Опубликовано: 04-06-2016 Изменено: 20-06-2016

Типовая работа. Примеры решения задач

Напомним известные теоремы Пикара и Пеано о существовании и единственности решения данной задачи (задачи Коши).

Теорема ПЕАНО утверждает, что решение задачи Коши существует в некоторой окрестности точки Хо, если функция f(x,Y) непрерывна в окрестности точки (X0,Y0).

Теорема ПИКАРА гласит, что если не только функция f(x,Y), но и ее частная производная f’у(x,Y) также непрерывна в окрестности точки (Х0,У0), то решение задачи Коши единственно на некотором отрезке, содержащем точку Х0.

Доказательство теоремы Пикара следует из общего принципа сжимающих отображений, оно весьма непросто, но обладает существенным преимуществом -оно конструктивно. Причем последовательность функций Yn(x), которая строится в нем, сходится к решению равномерно на отрезке со скоростью геометрической прогрессии. В методе Пикара последовательность функций Yn(x) строится по рекуррентной формуле:

при n= 0,1,2.

а за нулевое приближение берется константа Y0: Y0 (х) º Y0.

Для того, чтобы стало понятно происхождение этой рекуррентной формулы, заметим, что интегральное уравнение

эквивалентно исходной задаче Коши, поскольку любая функция Y(х), являющаяся его решением, удовлетворяет начальному условию Y(Хо)=Yо и уравнению Y'(х)=f(x,Y(х)) и наоборот.

Вопрос: Почему это действительно так?

Пример 4.1 Применим метод Пикара для решения уравнения Y’=Y с начальным условием Y(0)=1. Такая задача эквивалентна поиску решения интегрального уравнения Y=1+ ò Y(t)dt.

В качестве начального приближения берем функцию Yо=1.

Тогда Y1=1+ ò Yо(t)dt= 1+ ò dt= 1+x.

Далее, Y2= 1+ ò Y1(t)dt= 1+ ò (1+t)dt= 1+x+x2/2.

Y3= 1+ ò Y2(t)dt= 1+ ò (1+t+t2/2)dt= 1+x+x2/2+x3/6.

Можно убедиться, что Yn= 1+х+x2/2+ . +xn/n!.

Упражнение 4.1.Доказать последнее равенство строго, используя принцип математической индукции.

Упражнение 4.2.В примере 4.1 найти точное решение Y(Х) и оценить скорость равномерной сходимости Yn(x) -> Y(Х) на отрезке [0,1].

В целом, приближенные методы решения обыкновенных дифференциальных уравнений можно разбить на 3 типа:

аналитические, позволяющие получить приближенное решение Y(х) в виде формулы,

графические, дающие возможность приближенного построения графика решения Y(х),т.е. интегральной кривой,

численные, в результате применения которых получается таблица приближенных значений функции Y(х),

хотя такое деление и несколько условно.

Теорема Декарта. Число положительных корней алгебраического уравнения (1.3) с учетом их кратностей равно числу перемен знаков в системе коэффициентов

, , …, (1.14)

(где коэффициенты, равные нулю, не учитываются), или меньше этого числа на четное число.

Теорема Декарта представляет собой применение теоремы Бюдана–Фурье к интервалу .

Следствие. Если коэффициенты уравнения (1.3) отличны от нуля, то число отрицательных корней этого уравнения, с учетом их кратностей, равно числу постоянств знака в системе (1.14) его коэффициентов или меньше этого числа на четное число. (Доказательство этого утверждения следует из применения теоремы Декарта к полиному ).

Укажем также признак вещественности всех корней полинома .

Теорема Гюа. Если уравнение (1.3) имеет действительные коэффициенты и все корни его действительны, то квадрат каждого не крайнего коэффициента этого уравнения больше произведения двух его соседних коэффициентов, т.е. выполнены неравенства

.

Следствие. Если при каком-нибудь k выполнено неравенство

,

то уравнение (1.3) имеет по меньшей мере одну пару комплексных корней.