Методы решения физико-математических задач

Теорема существования и единственности решения дифференциального уравнения произвольного порядка

Теорема существования и единственности ДУ произвольного порядка
Формулировка и доказательство теоремы существования и единственности решения дифференциального уравнения произвольного порядка. Доказательство производится путем сведения уравнения к системе уравнений первого порядка.
()( \displaystyle \newcommand{\tg}{\mathop{\mathrm{tg}}\nolimits} )() ()( \displaystyle \newcommand{\arctg}{\mathop{\mathrm{arctg}}\nolimits} )()

Здесь мы рассмотрим теорему существования и единственности решения дифференциального уравнения (ДУ) произвольного порядка. Для доказательства теоремы мы сведем ДУ к системе ДУ первого порядка и воспользуемся результатом теоремы существования и единственности решения системы дифференциальных уравнений.

Формулировка теоремы

Пусть дано дифференциальное уравнение n-го порядка:
(1)   y (n )  (x )  =  f (x,  y,  y,  y′′, ...  y (n – 1 )  ) 
с начальными условиями при x = x0   : 
(2)   y (x0 )  = y0  ,  y(x0 )  = y0 ,  y′′(x0 )  = y′′0 ,  ... , y (n – 1 )  (x0 )  = y (n – 1 ) 0  , 
где x0 ,  y0 ,  y0,  y′′0, ...  y (n – 1 ) 0 – некоторые числа (постоянные).
Пусть f (x,  y1 ,  y2 ,  y3 , ...  yn )  – непрерывная функция от n + 1 переменных в замкнутой области R  : 
 | x – x0  |  ≤ a ;     | y1  – y0  |  ≤ b ;     | y2  – y0 |  ≤ b ;     | y3  – y′′0 |  ≤ b ;    ... ;    | yn  – y (n – 1 ) 0  |  ≤ b
и, следовательно, ограничена, по абсолютной величине, некоторым положительным значением M  : 
(3)    |  f  |  ≤ M . 
Здесь a и b есть некоторые положительные числа.
И пусть функция f удовлетворяет в области R условию Липшица:
(4)   |  f (x,  u1 ,  u2 , ...  un )  –   f (x,  v1 ,  v2 , ...  vn )  |  ≤ N(|u1  – v1  |  + |u2  – v2  |  +  ...     + |un  – vn  |  )  , 
где N – положительное число;
 | u1  – y0  |  ≤ b ;     | u2  – y0 |  ≤ b ;     | u3  – y′′0 |  ≤ b ;    ... ;    | un  – y (n – 1 ) 0  |  ≤ b ; 
 | v1  – y0  |  ≤ b ;     | v2  – y0 |  ≤ b ;     | v3  – y′′0 |  ≤ b ;    ... ;    | vn  – y (n – 1 ) 0  |  ≤ b . 
Тогда существует единственное решение уравнения (1):
y = y (x )  , 
удовлетворяющее начальным условиям (2), определенное и непрерывное для значений x в интервале:
 | x – x0  |  ≤ a0  , 
где a0 есть наименьшее из двух чисел a и bM  . 

Доказательство теоремы

Приведение к системе дифференциальных уравнений

Для доказательства, приведем уравнение
(1)   y (n )  (x )  =  f (x,  y,  y,  y′′, ...  y (n – 1 )  ) 
к системе дифференциальных уравнений первого порядка. Для этого вводим n – 1 вспомогательных функций от переменной x  : 
y2 ,  y3 , ...  yn  . 
Свяжем их соотношениями:
dydx = y2  ;    dy2dx = y3  ;    dy3dx = y4  ;    ...   dyn – 1dx = yn  . 

Дифференцируя уравнение dydx = y2 по x ,  находим:
d 2ydx 2 = dy2dx = y3  ; 
d 2ydx 2 = y3  . 
Дифференцируя еще раз, имеем:
d 3ydx 3 = dy3dx = y4  ; 
d 3ydx 3 = y4  . 
Таким образом
y (m )   = ym + 1  (m = 1, 2, 3,..., n – 1 )  . 
При   m = n – 1   имеем:
dn – 1ydxn – 1 = yn  . 
Дифференцируем по x  : 
y (n )   = dyndx  . 

Тогда исходное уравнение (1) можно представить в виде системы дифференциальных уравнений первого порядка:
(5.1)   dydx = y2  ; 
(5.2)   dy2dx = y3  ; 
(5.3)   dy3dx = y4  ; 
...
(5.n)   dyndx =  f (x,  y (x ) ,  y2 (x ) , ...  yn (x ) )  , 
с начальными условиями:
(6)   y (x0 )  = y0  ,  y2 (x0 )  = y0 ,  y3 (x0 )  = y′′0 ,  ... , yn (x0 )  = y (n – 1 ) 0  . 

Применение теоремы единственности и существования для системы дифференциальных уравнений

Теперь воспользуемся результатом теоремы существования и единственности решения системы дифференциальных уравнений.

В нашем случае
f1 (x,  y,  y2 ,  y3 , ...,  yn )  = y2  ; 
f2 (x,  y,  y2 ,  y3 , ...,  yn )  = y3  ; 
...
fn – 1 (x,  y,  y2 ,  y3 , ...,  yn )  = yn  ; 
fn (x,  y,  y2 ,  y3 , ...,  yn )  =   f (x,  y,  y2 ,  y3 , ...,  yn )  . 
Для удобства переобозначим переменные.
f1 (x,  u1 ,  u2 ,  u3 , ...,  un )  = u2  ; 
f2 (x,  u1 ,  u2 ,  u3 , ...,  un )  = u3  ; 
...
fn – 1 (x,  u1 ,  u2 ,  u3 , ...,  un )  = un  ; 
fn (x,  u1 ,  u2 ,  u3 , ...,  un )  =   f (x,  u1 ,  u2 ,  u3 , ...,  un )  . 

Все функции fi непрерывны по своим аргументам. fn непрерывна по условию теоремы. Остальные функции зависят только от одного из аргументов и являются линейными функциями. Поэтому они тоже непрерывны.

Все функции fi удовлетворяют условию Липшица. fn удовлетворяет условию Липшица по условию теоремы. Частные производные ∂ fiuk остальных функций либо равны нулю ( при i ≠ k – 1 ), либо равны единице ( при i = k – 1 ). Поэтому частные производные ∂ fiuk непрерывны. Из этого следует, что функции fi удовлетворяют условию Липшица. Доказательство этого утверждения приведено в разделе “Условие Липшица”.

Итак, все условия теоремы существования и единственности решения системы ДУ выполнены. Поэтому решение системы (5) с начальными условиями (6) существует и единственно. И, следовательно, решение дифференциального уравнения (1) с начальными условиями (2) также существует и единственно.

Теорема доказана.

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

Автор: Олег Одинцов.     Опубликовано:

Меню