Методы решения физико-математических задач

Теорема существования и единственности решения системы дифференциальных уравнений

Теорема существования и единственности системы дифференциальных уравнений
Формулировка и доказательство теоремы существования и единственности решения системы дифференциальных уравнений методом последовательных приближений Пикара.
()( \displaystyle \newcommand{\tg}{\mathop{\mathrm{tg}}\nolimits} )() ()( \displaystyle \newcommand{\arctg}{\mathop{\mathrm{arctg}}\nolimits} )()

Здесь мы рассматриваем теорему существования и единственности решения системы n дифференциальных уравнений с n неизвестными функциями y1 (x ) ,  y2 (x ) , ...  yn (x )  от переменной x  : 
(1.1)   dy1dx =  f1 (x,  y1 (x ) ,  y2 (x ) , ...  yn (x ) )  ; 
(1.2)   dy2dx =  f2 (x,  y1 (x ) ,  y2 (x ) , ...  yn (x ) )  ; 
...
(1.n)   dyndx =  fn (x,  y1 (x ) ,  y2 (x ) , ...  yn (x ) )  . 

Формулировка и доказательство этой теоремы является непосредственным обобщением теоремы для уравнения первого порядка, которое рассмотрено на странице “Теорема существования и единственности решения ДУ первого порядка”.

Векторная форма записи

Поскольку уравнения (1.1)(1.n) однотипны, то мы применим векторную форму записи. Это позволит сократить объем выкладок и сделает доказательство более ясным.

Совокупность n неизвестных функций y1 (x ) ,  y2 (x ) , ...  yn (x )  мы будем обозначать одним вектором y (x )  .  Совокупность функций f1 ,   f2 , ...   fn от независимой переменной x и от n зависимых функций y1 (x ) ,  y2 (x ) , ...  yn (x )  мы обозначим как
f (x,  y (x ) )  . 

То есть совокупность из n величин a1 ,  a2 , ...  an мы будем обозначать вектором a .  Равенство
a = b
будет обозначать систему из n уравнений:
ai  = bi  , 
где i = 1,  2, ... n . 

Под нормой вектора ||a ||  мы будем понимать сумму модулей его компонент:
||a ||  =  | a1  |  +  | a2  |  + ...  +  | an  |  . 

Формулировка теоремы

Пусть дана система дифференциальных уравнений:
(1)   dydx =  f (x,  y (x ) ) 
с начальными условиями
(1.0)   y (x0 )  = y (0 )   . 
Пусть f (x,  y ) n непрерывных функций от n + 1 переменных в замкнутой области R  : 
 | x – x0  |  ≤ a;   | yi  – y (0 ) i  |  ≤ b;   i = 1,  2 ...  n
и, следовательно, ограничены некоторым положительным значением M  : 
(2)    |  fi (x,  y )  |  ≤ M . 
И пусть функции fi (x,  y )  удовлетворяют в области R условию Липшица:
(3)   |  fi (x,  y (a )  )  –  fi (x,  y (b )  )  |  ≤ N||y (a )   – y (b )   ||  , 
где N – положительное число.
Тогда существует единственное решение системы (1):
y = y (x )  , 
удовлетворяющее начальным условиям y (0 )   = y (x0 )  ,  определенное и непрерывное для значений x в интервале:
 | x – x0  |  ≤ a0  , 
где a0 есть наименьшее из двух чисел a и bM  . 

Условие Липшица

Условие Липшица имеет вид:
(3)   |  fi (x,  y (a )  )  –  fi (x,  y (b )  )  |  ≤ N||y (a )   – y (b )   ||  . 
или в развернутом виде:
(3.1)   |  fi (x,  y (a )  )  –  fi (x,  y (b )  )  |  ≤ N(|y (a ) 1  – y (b ) 1  |  + |y (a ) 2  – y (a ) 2  |  +  ...     + |y (a ) n  – y (b ) n  |  )  , 
где N – положительное число;
x ,  y (a )  и y (b )  – любые значения из области R . 

Если условие Липшица выполняется и в некоторой точке x,  y (a )  существует частная производная ∂ fiyk  ,  то она ограничена по модулю значением N . 
Для доказательства положим в (3.1) y (b ) m  = y (a ) m для всех m ≠ k .  Тогда (3.1) примет вид:
|  fi (x,  y (a )  )  –  fi (x,  y (b )  )  ||y (a ) k  – y (b ) k  | ≤ N . 
Перейдем к пределу y (b ) k  → y (a ) k   : 
|∂ fiyk  |  = |limy (b ) k  → y (a ) kfi (x,  y (a )  )  –  fi (x,  y (b )  ) y (a ) k  – y (b ) k  | ≤ N . 

Если в области R функции fi имеют непрерывные частные производные ∂ fiyk  ,  то в этой области выполняется условие Липшица (3).
Для доказательства заметим, что поскольку частные производные ∂ fiyk непрерывны в замкнутой области, то они ограничены:
|∂ fiyk  |  ≤ N . 
По теореме Лагранжа о конечных приращениях, имеем:
fi (x,  y (a )  )  –  fi (x,  y (b )  )  = ∂ fiy1 (y (a ) 1  – y (b ) 1 )  + ∂ fiy2 (y (a ) 2  – y (b ) 2 )  +  ...   + ∂ fiyn (y (a ) n  – y (b ) n )  , 
где частные производные вычисляются в некоторой точке (x,  y )  ,  в которой компоненты yk принадлежат интервалам между y (a ) k и y (b ) k   : 
yk  = y (a ) k  + θ (y (b ) k  – y (a ) k ) ,   0 ≤ θ ≤ 1 . 
Тогда:
|  fi (x,  y (a )  )  –  fi (x,  y (b )  )  |  = |nΣk = 1∂ fiyk (y (a ) k  – y (b ) k )  |  ≤ nΣk = 1|∂ fiyk  ||y (a ) k  – y (b ) k  |  ≤ 
NnΣk = 1|y (a ) k  – y (b ) k  |  . 

Доказательство существования решения

Приведем исходную систему (1) с начальными условиями (1.0) к системе интегральных уравнений. Левая и правая части (1) являются функциями от x .  Заменим x на t  : 
dy (t ) dt =  f (t,  y (t ) )  . 
Интегрируем каждое уравнение по t от x0 до x  : 
xx0dy (t ) dtdt = xx0dy (t )  = y (x )  – y (x0 )  = xx0  f (t,  y (t ) )  dt ; 
Подставим начальные условия y (x0 )  = y (0 )   .  В результате получим систему интегральных уравнений:
(4)   y (x )  = y (0 )   + xx0  f (t,  y (t ) )  dt . 

Покажем, что система интегральных уравнений (4) эквивалентна дифференциальным уравнениям (1) с начальными условиями (1.0). Для этого нужно показать, что из (1) и (1.0) следует (4) и из (4) следует (1) и (1.0). То, что из (1) и (1.0) следует (4) мы уже показали. Осталось показать, что из (4) следует (1) и (1.0). Для этого подставим в (4) x = x0  .  Получим начальные условия (1.0). Продифференцировав обе части системы (4) по x ,  получаем (1).

Далее мы пытаемся найти решение уравнений (4) с помощью последовательных приближений. Для этого определяем ряд векторов функций y (1 )  ,  y (2 )  ,  y (3 )  , ...  y (m )  от переменной x по формулам:
(5.1)   y (1 )  (x )  = y (0 )   + xx0  f (t,  y (0 )  )  dt ; 
(5.2)   y (2 )  (x )  = y (0 )   + xx0  f (t,  y (1 )  (t ) )  dt ; 
(5.3)   y (3 )  (x )  = y (0 )   + xx0  f (t,  y (2 )  (t ) )  dt ; 
.........
(5.m)   y (m )  (x )  = y (0 )   + xx0  f (t,  y (m – 1 )  (t ) )  dt . 
Функции y (k ) i (x )  непрерывны, потому что интеграл есть непрерывная функция от верхнего предела. Мы предполагаем, что при m → ∞ ,  y (m )  (x )  стремится к решению системы (4):
(6)   Y (x )  = limm → ∞y (m )  (x )  , 
где Y (x )  – решение системы (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 Y (x )  удовлетворяет системе (4):
Y (x )  = y0  + xx0  f (t,  Y (t ) )  dt . 

1) Доказательство существования предела y(m) при m стремящемся к бесконечности

Сведем последовательные приближения (5.1)(5.m) к суммам рядов. Для этого пишем:
y (m )  (x )  = y (0 )   + (y (1 )  (x )  – y (0 )  (x )  )  + (y (2 )  (x )  – y (1 )  (x )  )  +  ...  
 + (y (m – 1 )  (x )  – y (m – 2 )  (x )  )  + (y (m )  (x )  – y (m – 1 )  (x )  )  . 
Таким образом нам нужно доказать, что ряды
(7)   y (0 )   + Σm = 1(y (m )  (x )  – y (m – 1 )  (x )  )
сходятся при  | x – x0  |  ≤ a0  = min (a, bM  )  . 

Сначала покажем, что при  | x – x0  |  ≤ a0  ,  компоненты последовательных приближений y (m ) i принадлежат интервалу |y (m ) i  – y (0 ) i  |  ≤ b . 
Действительно, при m = 1 имеем:
|y (1 ) i  – y (0 ) i  |  = |xx0  fi (t,  y (0 )  )  dt  |  ≤ |xx0  |  fi (t,  y (0 )  )  |  dt  |  ≤ |xx0Mdt  |  = M | x – x0  |  ≤ Ma0  . 
Поскольку a0 есть наименьшее из двух чисел a и bM  ,  то a0  ≤ bM и
|y (1 ) i  – y (0 ) i  |  ≤ b . 

Далее, поскольку y (1 ) i принадлежит интервалу |y (1 ) i  – y (0 ) i  |  ≤ b ,  то |  fi (x,  y (1 ) i )  |  ≤ M .  Тогда, аналогично предыдущему,
|y (2 ) i  – y (0 ) i  |  = |xx0  fi (t,  y (1 )  (t ) )  dt  |  ≤ Ma0  . 
Отсюда
|y (2 ) i  – y (0 ) i  |  ≤ b . 

Далее, по индукции, поскольку y (m – 1 ) i принадлежит интервалу |y (m – 1 ) i  – y (0 ) i  |  ≤ b ,  то |  fi (x,  y (m – 1 ) i )  |  ≤ M и
|y (m ) i  – y (0 ) i  |  = |xx0  fi (t,  y (m – 1 ) i (t ) )  dt  |  ≤ Ma0  . 
Отсюда
|y (m ) i  – y (0 ) i  |  ≤ b . 

Итак, мы доказали, что последовательные приближения y (m ) i принадлежат интервалу
|y (m ) i  – y (0 ) i  |  ≤ b . 
Теперь мы можем оценить члены ряда (7).

Для первого члена имеем:
|y (1 ) i (x )  – y (0 ) i  |  = |xx0  fi (t,  y (0 )  )  dt  |  ≤ |xx0|  fi (t,  y (0 )  )  |  dt  |  ≤ |xx0Mdt  |  = M | x – x0  |  ; 
(8.1)   |y (1 ) i (x )  – y (0 ) i  |  ≤ M | x – x0  |  . 
Для второго члена применяем условие Липшица и оценку (8.1):
|y (2 ) i (x )  – y (1 ) i (x )  |  = |xx0(  fi (t,  y (1 )  (t ) )  –  fi (t,  y (0 )  )  )  dt  |  ≤ 
|xx0|  fi (t,  y (1 )  (t ) )  –  fi (t,  y (0 )  )  |  dt  |  ≤ N|nΣl = 1xx0|y (1 ) l (t )  – y (0 ) l  |  dt  |  ≤ 
MnN|xx0  | t – x0  |  dt  |  = MnN1 ⋅ 2  | x – x0  |  2  ; 
(8.2)   |y (2 ) i (x )  – y (1 ) i (x )  |  ≤ MnN1 ⋅ 2  | x – x0  |  2  . 

Далее применим метод индукции. Пусть
(8.m)   |y (m ) i (x )  – y (m – 1 ) i (x )  |  ≤ M (nN ) m – 1m!  | x – x0  | m  . 
Тогда
|y (m + 1 ) i (x )  – y (m ) i (x )  |  = |xx0(  fi (t,  y (m )  (t ) )  –    fi (t,  y (m – 1 )  (t ) )  )  dt  |  ≤ 
|xx0|  fi (t,  y (m )  (t ) )  –    fi (t,  y (m – 1 )  (t ) )  |  dt  |  ≤ N|nΣl = 1xx0|y (m ) l (t )  – y (m – 1 ) l (t )  |  dt  |  ≤ 
NnM (nN ) m – 1m!|xx0  | t – x0  | m  dt  |  = M (nN ) m(m + 1 ) !  | x – x0  | m + 1  ; 
(8.m+1)   |y (m + 1 ) i (x )  – y (m ) i (x )  |  ≤ M (nN ) m(m + 1 ) !  | x – x0  | m + 1  . 
Итак, поскольку (8.m) справедливо для m = 1 и из (8.m) следует (8.m+1), то (8.m) выполняется для любых m . 

Запишем i -й ряд (7) в виде:
(7.i)   y (0 ) i  + Σm = 1u (m ) i (x )  , 
где u (m ) i (x )  = y (m ) i (x )  – y (m – 1 ) i (x )  . 
Применим (8.m) и заменим  | x – x0  |  наибольшим допустимым значением a0   : 
|u (m ) i (x )  |  = |y (m ) i (x )  – y (m – 1 ) i (x )  |  ≤ M (nN ) m – 1m!  | x – x0  | m  ≤ M (nN ) m – 1m!am0  . 
Тогда каждый член ряда (7.i), кроме первого, ограничен по модулю членом ряда
(9)   Σm = 1vm  = Σm = 1M (nN ) m – 1m!am0  . 
Исследуем ряд (9) на сходимость. Применим признак Даламбера:
limm → ∞|vm + 1vm  |  = limm → ∞M (nN ) mam + 10m!(m + 1 ) !M (nN ) m – 1am0 = limm → ∞nNa0m + 1 = 0 < 1 . 
Итак, ряд (9) сходится. Поскольку все члены ряда (7.i), начиная со второго, по абсолютной величине меньше членов сходящегося ряда (9), то, в силу критерия Вейерштрасса, ряд (7.i) сходится равномерно для всех x ,  удовлетворяющих условию  | x – x0  |  ≤ a0  .  Поскольку интеграл есть непрерывная функция от верхнего предела, то каждый член ряда (7.i) есть непрерывная функция от x .  Поэтому предел
(10)   Yi (x )  = limm → ∞y (m ) i (x ) 
существует и является непрерывной функцией от x . 

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

Рассмотрим уравнение (5.m):
(5.m)   y (m )  (x )  = y (0 )   + xx0  f (t,  y (m – 1 )  (t ) )  dt . 
Докажем, что при m → ∞ ,  это уравнение стремится к уравнению
(11)   Y (x )  = y (0 )   + xx0  f (t,  Y (t ) )  dt . 

В силу (10) левая часть уравнения (5.m) стремится к Y (x )  . 

Теперь покажем, что
limm → ∞xx0  fi (t,  y (m – 1 )  (t ) )  dt = xx0  fi (t,  Y (t ) )  dt . 

Перепишем правую часть (5.m):
xx0  fi (t,  y (m – 1 )  (t ) )  dt = xx0  fi (t,  Y (t ) )  dt – xx0(  fi (t,  Y (t ) )  –  fi (t,  y (m – 1 )  (t ) )  )  dt . 
Далее заметим, что поскольку все y (m ) i принадлежат замкнутому интервалу |y (m ) i  – y (0 ) i  |  ≤ b ,  то и Yi принадлежит этому интервалу, |Yi  – y (0 ) i  |  ≤ b .  Поэтому мы можем применить условие Липшица.

Оценим абсолютную величину последнего члена:
|xx0(  fi (t,  Y (t ) )  –    fi (t,  y (m – 1 )  (t ) )  )  dt  |  ≤ |xx0|  fi (t,  Y (t ) )  –    fi (t,  y (m – 1 )  (t ) )  |  dt  |  ≤ 
N|nΣk = 1xx0  | Yk (t )  – y (m – 1 ) k (t )  |  dt  |  . 
Поскольку, при m → ∞ ,  y (m ) i (x )  стремится к Yi (x )  равномерно, то для любого положительного числа ε можно указать такое натуральное число m0i  ,  что для всех m – 1 > m0i  , 
(12)   |Yi (x )  – y (m – 1 ) i (x )  |  < ε . 
Пусть m0 есть наибольшее из чисел m01 ,  m02 , ...  m0n  .  Тогда (12) выполняется для всех m – 1 > m0 и для всех i = 1,  2, ...  n . 
Тогда
N|nΣk = 1xx0  | Yk (t )  – y (m – 1 ) k (t )  |  dt  |  < Nnε|xx0  dt  |  ≤ nNεa0  . 
Поскольку ε произвольно, то
limm → ∞  xx0(  fi (t,  Y (t ) )  –   fi (t,  y (m – 1 )  (t ) )  )  dt = 0
Поэтому
limm → ∞xx0  fi (t,  y (m – 1 )  (t ) )  dt = xx0  fi (t,  Y (t ) )  dt . 
То есть при m → ∞ уравнение
(5.m)   y (m )  (x )  = y (0 )   + xx0  f (t,  y (m – 1 )  (t ) )  dt . 
принимает вид
(11)   Y (x )  = y (0 )   + xx0  f (t,  Y (t ) )  dt . 

Доказательство единственности решения

Предположим, что уравнение
(4)   y (x )  = y (0 )   + xx0  f (t,  y (t ) )  dt
имеет два решения Y (x )  и U (x )  ,  различающиеся в некоторой точке x*   ,  принадлежащей интервалу  | x*   – x0  |  ≤ a0  . 
Рассмотрим функцию
Z (x )  = nΣk = 1  | Yk (x )  – Uk (x )  |  =   | Y1 (x )  – U1 (x )  |  +   | Y2 (x )  – U2 (x )  |  +  ...   +  | Yn (x )  – Un (x )  |  . 
Тогда Z (x*  )  > 0 . 
Поскольку Yi (x )  и Ui (x )  непрерывны, то и Z (x )  непрерывная функция. Поэтому она отлична от нуля в некотором интервале, содержащем точку x*    : 
Z (x )  > 0 при x01  < x < x02  . 
Поскольку Y (x0 )  = U (x0 )  = y0  ,  то Z (x0 )  = 0 .  То есть точка x0 не принадлежит этому интервалу.

Если x01  > x0  ,  то преобразуем (4) следующим образом:
y (x )  = y0  + x01x0  f (t,  y (t ) )  dt + xx01  f (t,  y (t ) )  dt = y01  + xx01  f (t,  y (t ) )  dt , 
где
y01  = y0  + x01x0  f (t,  y (t ) )  dt . 
Если переобозначить постоянные
x01  → x0 ;  y01  → y0  , 
то получим задачу (4), для которой
Z (x0 )  = 0 ; 
Z (x )  > 0 при x0  < x < x2  , 
где x2 – некоторое число, не превосходящее x0  + a0  . 

Если x02  < x0  ,  то поступаем аналогично:
y (x )  = y0  + x02x0  f (t,  y (t ) )  dt + xx02  f (t,  y (t ) )  dt = y02  + xx02  f (t,  y (t ) )  dt , 
Переобозначим постоянные:
x02  → x0 ;  y02  → y0  . 
Получаем задачу (4), для которой
Z (x0 )  = 0 ; 
Z (x )  > 0 при x1  < x < x0  , 
где x1 – некоторое число, не меньшее x0  – a0  . 

Итак, мы имеем:
Z (x0 )  = 0 ; 
Z (x )  > 0 при x0  < x < x2 ( или при x1  < x < x0 ).
Далее возьмем произвольное положительное число ε < x2  – x0 ( или ε < x0  – x1 ) и рассмотрим замкнутый интервал x0  ≤ x ≤ x0  + ε ( или x0  – ε ≤ x ≤ x0 ). Поскольку функция Z (x )  непрерывна, то она достигает наибольшего значения Zmax в одной из точек xmax этого интервала:
x0  < xmax  ≤ x0  + ε ( или x0  – ε ≤ xmax  < x0 ).

Сделаем оценку, применяя уравнение (4) и условие Липшица:
Zmax  = Z (xmax )  = nΣk = 1  | Yk (xmax )  – Uk (xmax )  |  = 
nΣk = 1|xmaxx0(  fk (t,  Y (t ) )  –    fk (t,  U (t ) )  )  dt  |  ≤ nΣk = 1|xmaxx0|  fk (t,  Y (t ) )  –    fk (t,  U (t ) )  |  dt  |  ≤ 
NnΣk = 1|xmaxx0nΣi = 1|Yi (t )  – Ui (t )  |  dt  |  = NnΣk = 1|xmaxx0Z (t )  dt  |  ≤ NnΣk = 1|xmaxx0Zmax  dt  |  = 
NZmaxnΣk = 1|xmax  – x0  |  = nNZmax|xmax  – x0  |  ≤ nNZmaxε . 
Итак, мы получили оценку:
Zmax  ≤ nNZmaxε . 
Поскольку Zmax  ≠ 0 ,  то разделим на Zmax   : 
1 ≤ nNε . 
Возникает противоречие, поскольку при ε < 1nN это неравенство не выполняется.

Следовательно, Z (x )  не может иметь отличных от нуля значений. Поэтому Y = U .  Что и требовалось доказать.

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

Автор: Олег Одинцов.     Опубликовано:

Меню