Теорема существования и единственности решения дифференциального уравнения произвольного порядка
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 )  = y ′0 , y ′′(x0 )  = y ′′0 , ... , y (n – 1 )  (x0 )  = y (n – 1 ) 0  ,
где x0 , y0 , y ′0, 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  – y ′0 | ≤ 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  – y ′0 | ≤ b ; | u3  – y ′′0 | ≤ b ; ... ; | un  – y (n – 1 ) 0  | ≤ b ;
| v1  – y0  | ≤ b ; | v2  – y ′0 | ≤ 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 ; dy2 dx = y3 ; dy3 dx = y4 ; ... dyn – 1 dx = yn .
Дифференцируя уравнение dydx = y2  по x , находим:
d 2 ydx 2  = dy2 dx = y3 ;
d 2 ydx 2  = y3 .
Дифференцируя еще раз, имеем:
d 3 ydx 3  = dy3 dx = y4 ;
d 3 ydx 3  = y4 .
Таким образом
y (m )   = ym + 1 (m = 1, 2, 3,..., n – 1 )  .
При m = n – 1 имеем:
d n – 1 ydx n – 1  = yn .
Дифференцируем по x :
y (n )   = dyn dx .
Тогда исходное уравнение (1) можно представить в виде системы дифференциальных уравнений первого порядка:
(5.1) dydx = y2 ;
(5.2) dy2 dx = y3 ;
(5.3) dy3 dx = y4 ;
...
(5.n) dyn dx = f (x, y (x ) , y2 (x ) , ... yn (x ) )  ,
с начальными условиями:
(6) y (x0 )  = y0 , y2 (x0 )  = y ′0 , 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
f 1 (x, y, y2 , y3 , ..., yn )  = y2 ;
f 2 (x, y, y2 , y3 , ..., yn )  = y3 ;
...
f n – 1 (x, y, y2 , y3 , ..., yn )  = yn ;
f n (x, y, y2 , y3 , ..., yn )  = f (x, y, y2 , y3 , ..., yn )  .
Для удобства переобозначим переменные.
f 1 (x, u1 , u2 , u3 , ..., un )  = u2 ;
f 2 (x, u1 , u2 , u3 , ..., un )  = u3 ;
...
f n – 1 (x, u1 , u2 , u3 , ..., un )  = un ;
f n (x, u1 , u2 , u3 , ..., un )  = f (x, u1 , u2 , u3 , ..., un )  .
Все функции f i  непрерывны по своим аргументам. f n  непрерывна по условию теоремы. Остальные функции зависят только от одного из аргументов и являются линейными функциями. Поэтому они тоже непрерывны.
Все функции f i  удовлетворяют условию Липшица. f n  удовлетворяет условию Липшица по условию теоремы. Частные производные ∂ f i ∂uk  остальных функций либо равны нулю ( при i ≠ k – 1 ), либо равны единице ( при i = k – 1 ). Поэтому частные производные ∂ f i ∂uk  непрерывны. Из этого следует, что функции f i  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: