Теорема существования и единственности решения системы дифференциальных уравнений
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) dy1 dx = f 1 (x, y1 (x ) , y2 (x ) , ... yn (x ) )  ;
(1.2) dy2 dx = f 2 (x, y1 (x ) , y2 (x ) , ... yn (x ) )  ;
...
(1.n) dyn dx = f n (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 f 1 , f 2 , ... f n  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) d→ydx = →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) | f i (x, →y )  | ≤ M .
И пусть функции f i (x, →y )  удовлетворяют в области R условию Липшица:
(3) |  f i (x, →y (a )  )  – f i (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) |  f i (x, →y (a )  )  – f i (x, →y (b )  )  |  ≤ N || →y (a )   – →y (b )   ||  .
или в развернутом виде:
(3.1) |  f i (x, →y (a )  )  – f i (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 ∂ f i ∂yk  , 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:
|  f i (x, →y (a )  )  – f i (x, →y (b )  )  | | y (a ) k  – y (b ) k  |  ≤ N .
Перейдем к пределу y (b ) k  → y (a ) k   :
| ∂ f i ∂yk   |  = | limy (b ) k  → y (a ) k  f i (x, →y (a )  )  – f i (x, →y (b )  ) y (a ) k  – y (b ) k   |  ≤ N .
Если в области R функции f i  имеют непрерывные частные производные ∂ f i ∂yk  , то в этой области выполняется условие Липшица (3).
Для доказательства заметим, что поскольку частные производные ∂ f i ∂yk  непрерывны в замкнутой области, то они ограничены:
| ∂ f i ∂yk   |  ≤ N .
По теореме Лагранжа о конечных приращениях, имеем:
f i (x, →y (a )  )  – f i (x, →y (b )  )  = ∂ f i ∂y1  (y (a ) 1  – y (b ) 1 )  + ∂ f i ∂y2  (y (a ) 2  – y (b ) 2 )  + ... + ∂ f i ∂yn  (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:
|  f i (x, →y (a )  )  – f i (x, →y (b )  )  |  = | nΣk = 1 ∂ f i ∂yk  (y (a ) k  – y (b ) k )  |  ≤ nΣk = 1 | ∂ f i ∂yk   | | y (a ) k  – y (b ) k  |  ≤
N nΣk = 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 :
d→y (t ) dt = →f (t, →y (t ) )  .
Интегрируем каждое уравнение по t от x0  до x :
x∫x0  d→y (t ) dt dt = x∫x0  d→y (t )  = →y (x )  – →y (x0 )  = x∫x0  →f (t, →y (t ) )  dt ;
Подставим начальные условия →y (x0 )  = →y (0 )   . В результате получим систему интегральных уравнений:
(4) →y (x )  = →y (0 )   + x∫x0  →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 )   + x∫x0  →f (t, →y (0 )  )  dt ;
(5.2) →y (2 )  (x )  = →y (0 )   + x∫x0  →f (t, →y (1 )  (t ) )  dt ;
(5.3) →y (3 )  (x )  = →y (0 )   + x∫x0  →f (t, →y (2 )  (t ) )  dt ;
.........
(5.m) →y (m )  (x )  = →y (0 )   + x∫x0  →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  + x∫x0  →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  |  = | x∫x0  f i (t, →y (0 )  )  dt  |  ≤ | x∫x0  | f i (t, →y (0 )  )  | dt  |  ≤ | x∫x0  M dt  |  = 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 |  f i (x, y (1 ) i )  |  ≤ M . Тогда, аналогично предыдущему,
| y (2 ) i  – y (0 ) i  |  = | x∫x0  f i (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 |  f i (x, →y (m – 1 ) i )  |  ≤ M и
| y (m ) i  – y (0 ) i  |  = | x∫x0  f i (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  |  = | x∫x0  f i (t, →y (0 )  )  dt  |  ≤ | x∫x0  |  f i (t, →y (0 )  )  |  dt  |  ≤ | x∫x0  M dt  |  = 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 )  |  = | x∫x0  (  f i (t, →y (1 )  (t ) )  – f i (t, →y (0 )  )  )  dt  |  ≤
| x∫x0  |  f i (t, →y (1 )  (t ) )  – f i (t, →y (0 )  )  |  dt  |  ≤ N | nΣl = 1 x∫x0  | y (1 ) l (t )  – y (0 ) l  |  dt  |  ≤
MnN | x∫x0  | 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 – 1 m! | x – x0  |  m  .
Тогда
| y (m + 1 ) i (x )  – y (m ) i (x )  |  = | x∫x0  (  f i (t, →y (m )  (t ) )  –   f i (t, →y (m – 1 )  (t ) )  )  dt  |  ≤
| x∫x0  |  f i (t, →y (m )  (t ) )  –   f i (t, →y (m – 1 )  (t ) )  |  dt  |  ≤ N | nΣl = 1 x∫x0  | y (m ) l (t )  – y (m – 1 ) l (t )  |  dt  |  ≤
NnM (nN )  m – 1 m! | x∫x0  | 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 = 1 u (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 – 1 m! | x – x0  |  m  ≤ M (nN )  m – 1 m! a m0 .
Тогда каждый член ряда (7.i), кроме первого, ограничен по модулю членом ряда
(9) ∞Σm = 1 vm  = ∞Σm = 1 M (nN )  m – 1 m! a m0 .
Исследуем ряд (9) на сходимость. Применим признак Даламбера:
limm → ∞ | vm + 1 vm   |  = limm → ∞ M (nN )  m a m + 10 m!(m + 1 ) !M (nN )  m – 1 a m0  = limm → ∞ nNa0 m + 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 )   + x∫x0  →f (t, →y (m – 1 )  (t ) )  dt .
Докажем, что при m → ∞ , это уравнение стремится к уравнению
(11) →Y (x )  = →y (0 )   + x∫x0  →f (t, →Y (t ) )  dt .
В силу (10) левая часть уравнения (5.m) стремится к →Y (x )  .
Теперь покажем, что
limm → ∞ x∫x0  f i (t, →y (m – 1 )  (t ) )  dt = x∫x0  f i (t, →Y (t ) )  dt .
Перепишем правую часть (5.m):
x∫x0  f i (t, →y (m – 1 )  (t ) )  dt = x∫x0  f i (t, →Y (t ) )  dt – x∫x0  (  f i (t, →Y (t ) )  – f i (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:
| x∫x0  (  f i (t, →Y (t ) )  –   f i (t, →y (m – 1 )  (t ) )  )  dt  |  ≤ | x∫x0  |  f i (t, →Y (t ) )  –   f i (t, →y (m – 1 )  (t ) )  |  dt  |  ≤
N | nΣk = 1 x∫x0  | 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 = 1 x∫x0  | Yk (t )  – y (m – 1 ) k (t )  | dt  |  < Nnε | x∫x0  dt  |  ≤ nNεa0 .
Поскольку ε произвольно, то
limm → ∞ x∫x0  (  f i (t, →Y (t ) )  –  f i (t, →y (m – 1 )  (t ) )  )  dt = 0
Поэтому
limm → ∞ x∫x0  f i (t, →y (m – 1 )  (t ) )  dt = x∫x0  f i (t, →Y (t ) )  dt .
То есть при m → ∞ уравнение
(5.m) →y (m )  (x )  = →y (0 )   + x∫x0  →f (t, →y (m – 1 )  (t ) )  dt .
принимает вид
(11) →Y (x )  = →y (0 )   + x∫x0  →f (t, →Y (t ) )  dt .
Доказательство единственности решения
Предположим, что уравнение
(4) →y (x )  = →y (0 )   + x∫x0  →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  + x01 ∫x0  →f (t, →y (t ) )  dt + x∫x01  →f (t, →y (t ) )  dt = →y01  + x∫x01  →f (t, →y (t ) )  dt ,
где
→y01  = →y0  + x01 ∫x0  →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  + x02 ∫x0  →f (t, →y (t ) )  dt + x∫x02  →f (t, y (t ) )  dt = →y02  + x∫x02  →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 | xmax ∫x0  (  f k (t, →Y (t ) )  –   f k (t, →U (t ) )  )  dt  |  ≤ nΣk = 1 | xmax ∫x0  |  f k (t, →Y (t ) )  –   f k (t, →U (t ) )  |  dt  |  ≤
N nΣk = 1 | xmax ∫x0  nΣi = 1 | Yi (t )  – Ui (t )  |  dt  |  = N nΣk = 1 | xmax ∫x0  Z (t )  dt  |  ≤ N nΣk = 1 | xmax ∫x0  Zmax  dt  |  =
NZmax nΣk = 1 | xmax  – x0  |  = nNZmax | xmax  – x0  |  ≤ nNZmax ε .
Итак, мы получили оценку:
Zmax  ≤ nNZmax ε .
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: