Tento kurz prednášok sa poskytuje už viac ako 10 rokov pre študentov teoretickej a aplikovanej matematiky na Štátnej univerzite Ďalekého východu. Zodpovedá štandardu II generácie pre tieto špeciality. Odporúča sa pre študentov a vysokoškolákov matematických odborov.
Cauchyho veta o existencii a jedinečnosti riešenia Cauchyho úlohy pre rovnicu prvého poriadku.
V tejto časti zavedením určitých obmedzení na pravú stranu diferenciálnej rovnice prvého rádu dokážeme existenciu a jednoznačnosť riešenia určeného počiatočnými údajmi (x0,y0). Prvým dôkazom existencie riešenia diferenciálnych rovníc je Cauchy; nižšie uvedený dôkaz poskytuje Picard; vyrába sa metódou postupných aproximácií.
OBSAH
1. Rovnice prvého poriadku
1,0. Úvod
1.1. Oddeliteľné premenné rovnice
1.2. Homogénne rovnice
1.3. Zovšeobecnené homogénne rovnice
1.4. Lineárne rovnice prvého rádu a ich redukcie
1.5. Bernoulliho rovnica
1.6. Riccatiho rovnica
1.7. Rovnica v totálnych diferenciáloch
1.8. integračný faktor. Najjednoduchšie prípady hľadania integračného faktora
1.9. Rovnice nevyriešené vzhľadom na deriváciu
1.10. Cauchyho veta o existencii a jedinečnosti riešenia Cauchyho úlohy pre rovnicu prvého poriadku
1.11. Singulárne body
1.12. Špeciálne riešenia
2. Rovnice vyšších rádov
2.1. Základné pojmy a definície
2.2. Typy rovníc n-tého rádu, riešiteľné v kvadratúre
2.3. Stredné integrály. Rovnice umožňujúce redukcie v poradí
3. Lineárne diferenciálne rovnice n-tého rádu
3.1. Základné pojmy
3.2. Lineárne homogénne diferenciálne rovnice n-tého rádu
3.3. Zníženie rádu lineárnej homogénnej rovnice
3.4. Nehomogénne lineárne rovnice
3.5. Zníženie poriadku v lineárnej nehomogénnej rovnici
4. Lineárne rovnice s konštantnými koeficientmi
4.1. Homogénna lineárna rovnica s konštantnými koeficientmi
4.2. Nehomogénne lineárne rovnice s konštantnými koeficientmi
4.3. Lineárne rovnice druhého rádu s oscilačnými riešeniami
4.4. Integrácia cez výkonový rad
5. Lineárne systémy
5.1. Heterogénne a homogénne systémy. Niektoré vlastnosti riešení lineárnych systémov
5.2. Nevyhnutné a postačujúce podmienky pre lineárnu nezávislosť k riešení lineárnej homogénnej sústavy
5.3. Existencia základnej matice. Konštrukcia všeobecného riešenia lineárneho homogénneho systému
5.4. Konštrukcia celej množiny základných matíc lineárneho homogénneho systému
5.5. Heterogénne systémy. Konštrukcia všeobecného riešenia metódou variácie ľubovoľných konštánt
5.6. Lineárne homogénne systémy s konštantnými koeficientmi
5.7. Niekoľko informácií z teórie funkcií matíc
5.8. Konštrukcia fundamentálnej matice sústavy lineárnych homogénnych rovníc s konštantnými koeficientmi vo všeobecnom prípade
5.9. Veta o existencii a vety o funkčných vlastnostiach riešení normálnych systémov diferenciálnych rovníc prvého rádu
6. Prvky teórie stability
6.1
6.2. Najjednoduchšie typy odpočívadiel
7. Rovnice v parciálnych deriváciách 1. rádu
7.1. Lineárna homogénna parciálna diferenciálna rovnica 1. rádu
7.2. Nehomogénna lineárna parciálna diferenciálna rovnica 1. rádu
7.3. Sústava dvoch parciálnych diferenciálnych rovníc s 1 neznámou funkciou
7.4. Pfaffova rovnica
8. Varianty kontrolných úloh
8.1. Test č.1
8.2. Skúška č.2
8.3. Skúška č.3
8.4. Skúšobná práca č.4
8.5. Skúška č.5
8.6. Test č.6
8.7. Skúšobná práca č.7
8.8. Kontrolná práca číslo 8.
Stiahnutie zdarma elektronická kniha v pohodlnom formáte, sledujte a čítajte:
Stiahnite si knihu Kurz prednášok z obyčajných diferenciálnych rovníc, Shepeleva R.P., 2006 - fileskachat.com, rýchle a bezplatné stiahnutie.
Stiahnite si pdf
Nižšie si môžete kúpiť túto knihu za najlepšiu zľavnenú cenu s doručením po celom Rusku.
Alexander Viktorovič Abrosimov Dátum narodenia: 16. november 1948 (1948 11 16) Miesto narodenia: Kuibyshev Dátum úmrtia ... Wikipedia
I Diferenciálne rovnice rovnice obsahujúce požadované funkcie, ich derivácie rôznych rádov a nezávislé premenné. Teória D. at. vznikla koncom 17. storočia. ovplyvnené potrebami mechaniky a iných prírodných vied, ... ... Veľká sovietska encyklopédia
Obyčajné diferenciálne rovnice (ODE) sú diferenciálnou rovnicou tvaru, kde je neznáma funkcia (prípadne vektorová funkcia, potom spravidla aj vektorová funkcia s hodnotami v priestore rovnakej dimenzie; v tomto .. ... Wikipedia
Wikipedia obsahuje články o iných ľuďoch s týmto priezviskom, pozri Yudovich. Viktor Iosifovič Yudovich Dátum narodenia: 4. október 1934 (1934 10 04) Miesto narodenia: Tbilisi, ZSSR Dátum úmrtia ... Wikipedia
Diferenciál- (Diferenciál) Definícia diferenciálu, funkčný diferenciál, uzávierka diferenciálu Informácie o definícii diferenciálu, funkčný diferenciál, uzávierka diferenciálu Obsah Obsah matematický Neformálny popis… … Encyklopédia investora
Jeden zo základných pojmov v teórii parciálnych diferenciálnych rovníc. Úloha X. sa prejavuje v podstatných vlastnostiach týchto rovníc, ako sú lokálne vlastnosti riešení, riešiteľnosť rôzne úlohy, ich správnosť atď. Nech ... ... Matematická encyklopédia
Rovnica, v ktorej je neznáma funkciou jednej nezávislej premennej a táto rovnica zahŕňa nielen samotnú neznámu funkciu, ale aj jej derivácie rôznych rádov. Termín diferenciálne rovnice navrhol G. ... ... Matematická encyklopédia
Trenogin Vladilen Aleksandrovich V. A. Trenogin na prednáške na MISiS Dátum narodenia ... Wikipedia
Trenogin, Vladilen Aleksandrovič Trenogin Vladilen Aleksandrovič V. A. Trenogin na prednáške v MISiS Dátum narodenia: 1931 (1931) ... Wikipedia
Gaussova rovnica, lineárna obyčajná diferenciálna rovnica 2. rádu alebo v samoadjungovanej forme Premenné a parametre vo všeobecnom prípade môžu nadobúdať akékoľvek komplexné hodnoty. Po nahradení sa získa nasledujúci formulár ... ... Matematická encyklopédia
Makarskaja E. V. V knihe: Dni študentskej vedy. Jar - 2011. M.: Moskovská štátna univerzita ekonómie, štatistiky a informatiky, 2011. S. 135-139.
Autori uvažujú o praktickej aplikácii teórie lineárnych diferenciálnych rovníc pre štúdium ekonomických systémov. Článok analyzuje dynamické modely Keynesa a Samuelsona-Hicksa s hľadaním rovnovážnych stavov ekonomických systémov.
Ivanov A.I., Isakov I., Demin A.V. a kol., Časť 5. M.: Slovo, 2012.
Príručka zvažuje kvantitatívne metódy na štúdium spotreby kyslíka osobou počas testov s dávkovanou fyzickou aktivitou, ktoré sa vykonávajú v Štátnom vedeckom centre Ruskej federácie - IBMP RAS. Príručka je určená vedcom, fyziológom a lekárom pôsobiacim v oblasti kozmonautiky, podvodnej a športovej medicíny.
Mikheev A. V. Petrohrad: Katedra operačnej tlače Vysokej ekonomickej školy Národnej výskumnej univerzity – Petrohrad, 2012.
Táto zbierka obsahuje úlohy z priebehu diferenciálnych rovníc, ktoré autor číta na fakulte ekonomika NRU HSE - Petrohrad. Na začiatku každej témy zhrnutie sú analyzované základné teoretické fakty a príklady riešení typických problémov. Pre študentov a poslucháčov programov vyššieho odborného vzdelávania.
Konakov V.D. STI. WP BRP. Vydavateľstvo Správnej rady Fakulty mechaniky a matematiky Moskovskej štátnej univerzity, 2012. Číslo 2012.
Táto učebnica je založená na špeciálnom kurze podľa výberu študenta, ktorý čítal autor na Fakulte mechaniky a matematiky Moskovskej štátnej univerzity. M.V. Lomonosov v akademických rokoch 2010-2012. Príručka zoznamuje čitateľa s metódou parametrix a jej diskrétnym analógom, vyvinutým vo väčšine nedávne časy autora príručky a jeho kolegov spoluautorov. Zhromažďuje materiál, ktorý bol predtým obsiahnutý len v množstve článkov v časopisoch. Bez snahy o maximálnu všeobecnosť prezentácie sa autor zameral na demonštráciu možností metódy pri dokazovaní lokálnych limitných teorémov o konvergencii Markovových reťazcov k difúznemu procesu a pri získavaní obojstranných odhadov Aronsonovho typu pre niektoré degenerované difúzie.
Iss. 20. NY: Springer, 2012.
Táto publikácia je zborníkom jednotlivých článkov „Tretie Medzinárodná konferencia o dynamike informačných systémov“, ktorý sa konal na Floridskej univerzite v dňoch 16. – 18. februára 2011. Účelom tejto konferencie bolo spojiť vedcov a inžinierov z priemyslu, vlády a akademickej obce, aby sa podelili o nové objavy a výsledky v otázkach súvisiacich s teóriou a praxou dynamiky informačných systémov. Dynamika informačných systémov: Mathematical Discovery je najmodernejšia štúdia a je určená pre postgraduálnych študentov a výskumníkov, ktorí sa zaujímajú o najnovšie objavy v informačnej teórie a dynamických systémov. Vedci z iných odborov môžu tiež ťažiť z aplikácie nového vývoja vo svojich študijných odboroch.
Palvelev R., Sergeev A. G. Zborník Matematického inštitútu. V.A. Steklov RAS. 2012. V. 277. S. 199-214.
Študuje sa adiabatický limit v Landau-Ginzburgových hyperbolických rovniciach. Pomocou tohto limitu sa vytvorí súlad medzi riešeniami Ginzburg-Landauových rovníc a adiabatickými trajektóriami v modulovom priestore statických riešení, nazývaných víry. Manton navrhol heuristický adiabatický princíp postulujúci, že akékoľvek riešenie Ginzburg-Landauových rovníc s dostatočne malou kinetickou energiou možno získať ako poruchu nejakej adiabatickej trajektórie. Dôkladný dôkaz tejto skutočnosti nedávno našiel prvý autor
Uvádzame explicitný vzorec pre kvázi izomorfizmus medzi operádami Hycomm (homológia modulového priestoru stabilných kriviek rodu 0) a BV/Δ (homotopický kvocient Batalina-Vilkovského operovaný BV-operátorom). Inými slovami, odvodíme ekvivalenciu Hycomm-algebier a BV-algebier vylepšenú o homotopiu, ktorá trivializuje BV-operátora. Tieto vzorce sú uvedené v Giventalových grafoch a sú dokázané dvoma rôznymi spôsobmi. Jeden dôkaz používa akciu skupiny Givental a druhý dôkaz prechádza reťazcom explicitných vzorcov o uzneseniach Hycomm a BV. Druhý prístup poskytuje najmä homologické vysvetlenie akcie Giventalovej skupiny na Hycommových algebrách.
Pod vedeckou spracoval: A. Michajlov Zv. 14. M.: Fakulta sociológie Moskovskej štátnej univerzity, 2012.
Články v tomto zborníku sú napísané na základe správ z roku 2011 na Fakulte sociológie Moskovskej štátnej univerzity. M.V. Lomonosov na stretnutí XIV Interdisciplinárneho výročného vedeckého seminára „Matematické modelovanie sociálnych procesov“ pomenovaného po. hrdina socialistickej práce akademik A.A. Samara.
Publikácia je určená pre vedeckých pracovníkov, pedagógovia, študenti univerzít a vedeckých inštitúcií Ruskej akadémie vied, ktorí sa zaujímajú o problémy, vývoj a implementáciu metodológie matematického modelovania sociálne procesy.
"PREDNÁŠKY O OBYČAJNÝCH DIFERENCIÁLNYCH ROVNICIACH 1. ČASŤ. PRVKY VŠEOBECNEJ TEÓRIE V učebnici sú načrtnuté ustanovenia, ktoré tvoria základ teórie obyčajných diferenciálnych rovníc: ..."
-- [ Strana 1 ] --
A. E. Mamontov
PREDNÁŠKY O SPOLOČNÝCH
DIFERENCIÁLNE ROVNICE
PRVKY VŠEOBECNEJ TEÓRIE
Školiaca príručka stanovuje ustanovenia, ktoré tvoria
základy teórie obyčajných diferenciálnych rovníc: pojem riešení, ich existencia, jednoznačnosť,
závislosť od parametrov. Taktiež (v § 3) je venovaná určitá pozornosť „explicitnému“ riešeniu určitých tried rovníc. Návod je určený pre hĺbkové štúdium kurz "Diferenciálne rovnice" študentmi študujúcimi na Matematickej fakulte Novosibirskej štátnej pedagogickej univerzity.
MDT 517,91 BBK В161,61 Predslov Učebnica je určená pre študentov Matematickej fakulty Štátnej pedagogickej univerzity v Novosibirsku, ktorí chcú študovať povinný kurz "Diferenciálne rovnice" v rozšírenom zväzku. Čitateľom sú ponúknuté základné pojmy a výsledky, ktoré tvoria základ teórie obyčajných diferenciálnych rovníc: pojmy riešení, vety o ich existencii, jednoznačnosti, závislosti od parametrov. Opísaný materiál je vo forme logicky neoddeliteľného textu prezentovaný v §§ 1, 2, 4, 5. Taktiež (v § 3, ktorý sa trochu od seba odďaľuje a dočasne prerušuje hlavnú niť kurzu), sú najobľúbenejšie metódy tzv. Stručne sa zváži „explicitné“ nájdenie riešení niektorých tried rovníc. Pri prvom čítaní možno § 3 preskočiť bez výraznejšieho poškodenia logickej štruktúry kurzu.
Dôležitú úlohu zohrávajú cvičenia, ktorých je v texte veľké množstvo. Čitateľovi sa dôrazne odporúča, aby ich vyriešil "v horúcom prenasledovaní", čo zaručuje asimiláciu materiálu a bude slúžiť ako test. Navyše tieto cvičenia často napĺňajú logickú štruktúru, t.j. bez ich vyriešenia nebudú všetky tvrdenia dôsledne dokázané.
V hranatých zátvorkách v strede textu sú uvedené poznámky, ktoré majú úlohu komentárov (rozšírené alebo bočné vysvetlivky). Lexicky tieto fragmenty prerušujú hlavný text (t. j. pre súvislé čítanie ich treba „ignorovať“), no stále sú potrebné ako vysvetlenia. Inými slovami, tieto úlomky treba vnímať, ako keby boli vynesené do polí.
V texte sú samostatne rubrikované „poznámky pre učiteľa“ – pri čítaní študentmi ich možno vynechať, ale sú užitočné pre učiteľa, ktorý bude príručku používať napríklad pri prednáškach – pomáhajú lepšie pochopiť logiku kurz a naznačte smer možných vylepšení (rozšírení) kurzu . Rozpracovanie týchto pripomienok zo strany študentov však možno len privítať.
Podobnú úlohu zohrávajú aj „dôvody pre učiteľa“ – poskytujú v mimoriadne stručnej forme dôkaz niektorých ustanovení ponúkaných čitateľovi ako cvičenia.
Najbežnejšie (kľúčové) výrazy sa používajú ako skratky, ktorých zoznam je pre prehľadnosť uvedený na konci. Je tu aj zoznam matematických zápisov, ktoré sa v texte vyskytujú, ale nepatria medzi najbežnejšie (a/alebo nie sú v literatúre jednoznačne pochopené).
Symbol znamená koniec dôkazu, formuláciu tvrdenia, poznámky atď. (ak je to potrebné, aby sa predišlo zámene).
Vzorce sú v každom odseku očíslované nezávisle. Pri odkaze na časť vzorca sa používajú indexy, napríklad (2)3 znamená 3. časť vzorca (2) (časti vzorca sa považujú za fragmenty oddelené typografickou medzerou a z logickej pozície - zväzok "a").
Táto príručka nemôže úplne nahradiť hĺbkové štúdium predmetu, ktoré si vyžaduje samostatné cvičenia a čítanie doplnkovej literatúry, napríklad, ktorej zoznam je uvedený na konci príručky. Autor sa však pokúsil podať hlavné ustanovenia teórie v pomerne stručnej forme vhodnej na prednáškový kurz. V tejto súvislosti je potrebné poznamenať, že pri čítaní prednáškového kurzu o tejto príručke je potrebných asi 10 prednášok.
Plánuje sa vydať ďalšie 2 časti (zväzky), ktoré pokračujú v tejto príručke a tým zavŕšia cyklus prednášok z predmetu „obyčajné diferenciálne rovnice“: časť 2 (lineárne rovnice), časť 3 (ďalšia teória nelineárnych rovníc, parciálne diferenciálne rovnice prvého rádu).
§ 1. Úvod Diferenciálna rovnica (DE) je vzťah tvaru u1 u1 un, vyššie derivácie F y, u(y),..., = 0, y1 y2 yk (1) kde y = (y1,. .., yk) Rk sú nezávislé premenné a u = u(y) sú neznáme funkcie1, u = (u1,..., un). V (1) je teda n neznámych, takže je potrebných n rovníc, t.j. F = (F1,..., Fn), takže (1) je, všeobecne povedané, systém n rovníc. Ak existuje len jedna neznáma funkcia (n = 1), potom rovnica (1) je skalárna (jedna rovnica).
Takže je daná funkcia (funkcie) F a hľadá sa u. Ak k = 1, potom (1) sa nazýva ODE a inak - PDE. Druhý prípad je predmetom špeciálneho kurzu UMF stanoveného v rovnomennej sérii tutoriálov. V tejto sérii príručiek (pozostávajúcej z 3 dielov-zväzkov) budeme študovať iba ODR, s výnimkou posledného odseku poslednej časti (zväzku), v ktorom začneme študovať niektoré špeciálne prípady PDR.
2u u Príklad. 2 = 0 je PDE.
y1 y Neznáme veličiny u môžu byť reálne alebo komplexné, čo však nie je podstatné, keďže tento moment sa vzťahuje len na formu zápisu rovníc: akýkoľvek zložitý zápis možno premeniť na skutočný oddelením reálnej a imaginárnej časti (ale, samozrejme, zdvojením počet rovníc a neznámych) a naopak, v niektorých prípadoch je vhodné prejsť na komplexný zápis.
du d2v dv 2 = uv; u3 = 2. Toto je systém 2 ODR Príklad.
dy dy dy pre 2 neznáme funkcie nezávisle premennej y.
Ak k = 1 (ODD), potom sa použije „priamy“ znak d/dy.
u(y) du Príklad. exp(sin z)dz je ODR, pretože má Príklad. = u(u(y)) pre n = 1 nie je DE, ale funkčná diferenciálna rovnica.
Toto nie je DE, ale integro-diferenciálna rovnica, takéto rovnice študovať nebudeme. Konkrétne rovnica (2) sa však dá ľahko zredukovať na ODR:
Cvičenie. Znížte (2) na ODE.
Ale vo všeobecnosti sú integrálne rovnice zložitejším objektom (čiastočne sa študujú v priebehu funkčnej analýzy), aj keď, ako uvidíme nižšie, práve s ich pomocou sa získajú niektoré výsledky pre ODR.
DE vznikajú tak z vnútromatematických potrieb (napríklad v diferenciálnej geometrii), ako aj v aplikáciách (historicky prvýkrát a teraz hlavne vo fyzike). Najjednoduchším DE je „základný problém diferenciálneho počtu“ o obnovení funkcie z jej derivácie: = h(y). Ako je známe z rozboru, jeho riešenie má tvar u(y) = + h(s)ds. Všeobecnejšie DE vyžadujú špeciálne metódy na ich riešenie. Ako však uvidíme nižšie, prakticky všetky metódy riešenia ODR „v explicitnej forme“ sú v podstate zredukované na naznačený triviálny prípad.
V aplikáciách ODR najčastejšie vznikajú pri popise procesov vyvíjajúcich sa v čase, takže úlohu nezávislej premennej zvyčajne zohráva čas t.
význam ODR v takýchto aplikáciách je teda popísať zmenu parametrov systému v čase. Preto je vhodné pri konštrukcii všeobecná teória ODE označuje nezávislú premennú t (a nazývame ju časom so všetkými z toho vyplývajúcimi terminologickými dôsledkami) a neznámu funkciu (funkcie) x = (x1,..., xn). Touto cestou, všeobecná forma ODE (systém ODE) je nasledujúci:
kde F = (F1,..., Fn) - t.j. toto je systém n ODR pre n funkcií x, a ak n = 1, potom jedna ODR pre 1 funkciu x.
Okrem toho, x = x(t), tR a x má vo všeobecnosti komplexnú hodnotu (je to pre pohodlie, pretože niektoré systémy môžu byť napísané kompaktnejšie).
O systéme (3) sa hovorí, že má rád m vzhľadom na xm.
Deriváty sa nazývajú staršie a zvyšok (vrátane xm = seba) sa nazývajú mladšie. Ak všetky m =, potom jednoducho povieme, že poradie systému je rovnaké.
Je pravda, že číslo m sa často nazýva poradie systému, čo je tiež prirodzené, ako bude zrejmé nižšie.
Otázku potreby štúdia ODR a ich aplikácií budeme považovať za dostatočne podloženú inými disciplínami (diferenciálna geometria, matematická analýza, teoretická mechanika a pod.) a čiastočne je pokrytá v rámci praktických cvičení pri riešení úloh (napr. príklad z knihy problémov). V tomto kurze sa budeme zaoberať výlučne matematickým štúdiom systémov tvaru (3), čo znamená odpovedať na nasledujúce otázky:
1. čo znamená „riešiť“ rovnicu (systém) (3);
2. ako na to;
3. aké vlastnosti majú tieto riešenia, ako ich skúmať.
Otázka 1 nie je taká jednoznačná, ako sa zdá – pozri nižšie. Hneď si všimneme, že každý systém (3) možno zredukovať na systém prvého rádu, pričom nižšie derivácie označujeme ako nové neznáme funkcie. Najjednoduchší spôsob, ako vysvetliť tento postup, je na príklade:
5 rovníc pre 5 neznámych. Je ľahké pochopiť, že (4) a (5) sú ekvivalentné v tom zmysle, že riešenie jedného z nich (po príslušnom premenovaní) je riešením druhého. V tomto prípade by sme si mali stanoviť iba otázku plynulosti riešení - budeme to robiť ďalej, keď narazíme na ODR vyššieho rádu (t. j. nie 1.).
Teraz je však jasné, že stačí študovať iba ODR prvého rádu, zatiaľ čo iné môžu byť potrebné iba pre pohodlie zápisu (takáto situácia niekedy nastane v našom prípade).
A teraz sa obmedzíme na ODR prvého rádu:
dimx = dim F = n.
Štúdium rovnice (sústavy) (6) je nepohodlné z dôvodu, že nie je dovolené vzhľadom na derivácie dx/dt. Ako je známe z analýzy (z vety o implicitnej funkcii), za určitých podmienok na F možno rovnicu (6) vyriešiť vzhľadom na dx/dt a zapísať ju v tvare, kde je dané f: Rn+1 Rn a x: R Rn je požadovaný. Hovorí sa, že (7) je ODR rozlíšená vzhľadom na deriváty (ODR normálnej formy). Pri prechode z (6) na (7) sa prirodzene môžu vyskytnúť ťažkosti:
Príklad. Rovnicu exp(x) = 0 nemožno zapísať v tvare (7) a nemá vôbec žiadne riešenia, t.j. exp nemá nuly ani v komplexnej rovine.
Príklad. Rovnica x 2 + x2 = 1 s rozlíšením je zapísaná ako dve normálne ODR x = ± 1 x2. Mali by ste vyriešiť každý z nich a potom interpretovať výsledok.
Komentujte. Pri redukcii (3) na (6) môžu vzniknúť ťažkosti, ak (3) má rád 0 vzhľadom na nejakú funkciu alebo časť funkcií (t. j. ide o funkčnú diferenciálnu rovnicu). Ale potom tieto funkcie musia byť vylúčené pomocou implicitnej vety o funkcii.
Príklad. x = y, xy = 1 x = 1/x. Musíte nájsť x z výslednej ODR a potom y z funkčnej rovnice.
Ale v každom prípade problém prechodu z (6) na (7) patrí skôr do oblasti matematickej analýzy ako do DE a nebudeme sa ním zaoberať. Pri riešení ODR tvaru (6) však môžu nastať zaujímavé momenty z pohľadu ODR, preto je vhodné túto problematiku naštudovať pri riešení úloh (ako sa to robí napr. v ) a mierne sa jej dotkneme v § 3. Ale vo zvyšku kurzu sa budeme zaoberať len normálnymi sústavami a rovnicami. Zvážte teda ODE (systém ODE) (7). Napíšme to raz vo forme komponent po komponente:
Pojem „riešiť (7)“ (a vo všeobecnosti akékoľvek DE) sa už dlho chápe ako hľadanie „explicitného vzorca“ na riešenie (t. j. vo forme elementárnych funkcií, ich primitívnych alebo špeciálnych funkcií, napr. atď.), bez dôrazu na plynulosť riešenia a interval jeho definície. Súčasný stav teórie ODR a iných odvetví matematiky (a prírodných vied vo všeobecnosti) však ukazuje, že tento prístup je neuspokojivý, už len preto, že podiel ODR, ktoré môžu byť prístupné takejto „explicitnej integrácii“, je extrémne malý. (aj pre najjednoduchšiu ODR x = f (t) známe, že riešenie elementárne funkcie zriedka sa to stáva, hoci existuje „explicitný vzorec“).
Príklad. Rovnica x = t2 + x2 napriek svojej extrémnej jednoduchosti nemá riešenia v elementárnych funkciách (a tu neexistuje ani „vzorec“).
A hoci je užitočné poznať tie triedy ODR, pre ktoré je možná „explicitná“ konštrukcia riešenia (podobne ako užitočné je vedieť „vypočítať integrály“, keď je to možné, hoci je to extrémne zriedkavé), Charakteristicky v tejto súvislosti znejú tieto pojmy: „integrovať ODR“, „integrál ODE“ (zastarané analógy moderných konceptov „riešiť ODR“, „riešenie ODR“), ktoré odrážajú predchádzajúce koncepcie riešenia. Ako chápať moderné pojmy, teraz vysvetlíme.
a touto problematikou sa budeme zaoberať v § 3 (a tradične sa jej venuje veľká pozornosť pri riešení úloh na praktických hodinách), ale od tohto prístupu netreba očakávať žiadnu univerzálnosť. Pod procesom riešenia (7) spravidla rozumieme úplne iné kroky.
Malo by sa objasniť, ktorú funkciu x = x(t) možno nazvať riešením (7).
Predovšetkým si všimneme, že jasná formulácia pojmu riešenia nie je možná bez špecifikácie množiny, na ktorej je definovaný, už len preto, že riešenie je funkcia a akákoľvek funkcia (podľa školskej definície) je zákonom ktorý sa zhoduje s akýmkoľvek prvkom určitej množiny (nazývaným doménou definície tejto funkcie) s niektorým prvkom inej množiny (hodnotami funkcií). Hovoriť o funkcii bez určenia jej rozsahu je teda z definície absurdné. Analytické funkcie (všeobecnejšie - elementárne) tu slúžia ako "výnimka" (zavádzajúce) z nasledujúcich dôvodov (a niektorých ďalších), ale v prípade DE sú takéto slobody neprijateľné.
a vo všeobecnosti bez špecifikácie množín definícií všetkých funkcií zahrnutých v (7). Ako bude zrejmé z nasledujúceho, je účelné striktne spájať pojem riešenia s množinou jeho definícií a považovať riešenia za odlišné, ak sú ich definičné množiny odlišné, aj keď sa riešenia v priesečníku týchto množín zhodujú.
Najčastejšie to v konkrétnych situáciách znamená, že ak sú riešenia konštruované vo forme elementárnych funkcií tak, že 2 riešenia majú „rovnaký vzorec“, potom je potrebné objasniť aj to, či sa množiny, na ktorých sú tieto vzorce napísané, zhodujú. Zmätok, ktorý v tejto otázke dlho vládol, bol ospravedlniteľný, pokiaľ sa uvažovalo o riešeniach vo forme elementárnych funkcií, keďže analytické funkcie možno jednoznačne rozšíriť na širšie intervaly.
Príklad. x1(t) = et on (0,2) a x2(t) = et on (1,3) sú rôzne riešenia rovnice x = x.
V tomto prípade je prirodzené brať otvorený interval (možno nekonečný) ako množinu definícií akéhokoľvek riešenia, pretože táto množina by mala byť:
1. otvorený, takže v každom bode má zmysel hovoriť o deriváte (obojstrannom);
2. spojené tak, aby sa roztok nerozpadol na rozpojené časti (v tomto prípade je vhodnejšie hovoriť o viacerých riešeniach) - viď predchádzajúci príklad.
Riešenie (7) je teda dvojica (, (a, b)), kde a b +, je definované na (a, b).
Poznámka pre učiteľa. V niektorých učebniciach je povolené zahrnúť konce segmentu do domény riešenia, čo je však nepraktické, pretože to len komplikuje prezentáciu a neposkytuje skutočné zovšeobecnenie (pozri § 4).
Na uľahčenie pochopenia ďalšej úvahy je užitočné použiť geometrickú interpretáciu (7). V priestore Rn+1 = ((t, x)) v každom bode (t, x), kde je f definované, môžeme uvažovať vektor f (t, x). Ak v tomto priestore zostrojíme graf riešenia (7) (nazýva sa to integrálna krivka sústavy (7)), potom pozostáva z bodov tvaru (t, x(t)). Pri zmene t (a, b) sa tento bod pohybuje pozdĺž IC. Dotyčnica k IC v bode (t, x(t)) má tvar (1, x (t)) = (1, f (t, x(t))). IC sú teda tie a len tie krivky v priestore Rn+1, ktoré v každom svojom bode (t, x) majú dotyčnicu rovnobežnú s vektorom (1, f (t, x)). Na základe tejto myšlienky vznikol tzv izoklinová metóda na približnú konštrukciu IC, ktorá sa používa pri zobrazovaní grafov riešení konkrétnych ODR (pozri.
napríklad ). Napríklad pre n = 1 naša konštrukcia znamená toto: v každom bode IC má jeho sklon k osi t vlastnosť tg = f (t, x). Je prirodzené predpokladať, že ak vezmeme akýkoľvek bod z definičnej množiny f, môžeme cez ňu nakresliť IC. Táto myšlienka bude dôsledne podložená nižšie. Aj keď nám chýba prísna formulácia hladkosti riešení, urobíme to nižšie.
Teraz by sme mali spresniť množinu B, na ktorej je f definované. Túto sadu je prirodzené vziať:
1. otvorený (aby bolo možné IO postaviť v okolí ľubovoľného bodu z B), 2. spojený (inak je možné všetky spojené kusy posudzovať samostatne - každopádne IO (ako graf spojitej funkcie) nemôže skákať od jedného kusu k druhému, takže to neovplyvní všeobecnosť hľadania riešení).
Budeme uvažovať len klasické riešenia (7), teda také, že x samotné a jeho x sú spojité na (a, b). Potom je prirodzené vyžadovať, aby f C(B). V nasledujúcom texte budeme túto požiadavku vždy predpokladať. Takže konečne dostávame definíciu. Nech B Rn+1 je doména, f C(B).
Dvojica (, (a, b)), a b +, definovaná na (a, b), sa nazýva riešenie (7), ak C(a, b), pre každé t (a, b) bod (t , (t) ) B a (t) existuje a (t) = f (t, (t)) (potom automaticky C1(a, b)).
Je geometricky jasné, že (7) bude mať veľa riešení (čo je graficky ľahko pochopiteľné), pretože ak nakreslíme IR od bodov tvaru (t0, x0), kde je t0 pevné, potom dostaneme rôzne IR. Okrem toho zmena intervalu na určenie riešenia poskytne iné riešenie podľa našej definície.
Príklad. x = 0. Riešenie: x = = const Rn. Ak však zvolíme nejaké t0 a hodnotu x0 riešenia zafixujeme v bode t0: x(t0) = x0, potom je hodnota určená jednoznačne: = x0, t.j. riešenie je jedinečné až do zvolenia intervalu. (a, b) t0.
Prítomnosť „beztvárovej“ množiny riešení je pre prácu s nimi nepohodlná2 – je pohodlnejšie ich „číslovať“ nasledovne: pridať ďalšie podmienky k (7) tak, aby zvýraznili jediné (v určitom zmysle ) riešenie a potom, triediac cez tieto podmienky, pracujte s každým riešením samostatne (geometricky môže existovať jedno riešenie (IR), ale je ich veľa - tejto nepríjemnosti sa budeme venovať neskôr).
Definícia. Úloha pre (7) je (7) s ďalšími podmienkami.
V skutočnosti sme už vymysleli najjednoduchší problém - toto je Cauchyho problém: (7) s podmienkami formulára (Cauchyho údaje, počiatočné údaje):
Z hľadiska aplikácií je tento problém prirodzený: ak napríklad (7) opisuje zmenu niektorých parametrov x s časom t, potom (8) znamená, že v určitom (počiatočnom) čase je známa hodnota parametrov. . Je potrebné študovať ďalšie problémy, o tom si povieme neskôr, ale zatiaľ sa zameriame na Cauchyho problém. Prirodzene, táto úloha dáva zmysel pre (t0, x0) B. V súlade s tým je riešenie úlohy (7), (8) riešením (7) (v zmysle definície uvedenej vyššie), že t0 (a, b ), a (osem).
Našou ďalšou úlohou je dokázať existenciu riešenia Cauchyho úlohy (7), (8) a pre určité doplnky Príkladom je kvadratická rovnica, je lepšie písať x1 =..., x2 =... ako x = b/2 ±...
za určitých predpokladov o f - a jeho jedinečnosti v určitom zmysle.
Komentujte. Musíme si ujasniť pojem normy vektora a matice (hoci matice budeme potrebovať až v 2. časti). Vzhľadom na to, že v konečnej dimenzii sú všetky normy ekvivalentné, nezáleží na výbere konkrétnej normy, ak nás zaujímajú len odhady, a nie presné množstvá. Napríklad |x|p = (|xi|p)1/p možno použiť pre vektory, p je segment Peano (Picard). Uvažujme kužeľ K = (|x x0| F |t t0|) a jeho skrátenú časť K1 = K (t IP ). Je jasné, že práve K1 C.
Veta. (Peano). Nech sú splnené požiadavky na f v úlohe (1) špecifikované v definícii riešenia, t.j.:
f C(B), kde B je oblasť v Rn+1. Potom pre všetky (t0, x0) B na Int(IP) existuje riešenie problému (1).
Dôkaz. Nastavíme ľubovoľne (0, T0] a zostrojíme tzv. Eulerovu lomenú čiaru s krokom, a to: je to prerušovaná čiara v Rn+1, v ktorej má každý článok priemet na t os dĺžky, prvý odkaz vpravo začína v bode (t0, x0) a je taký, že na ňom dx/dt = f (t0, x0), pravý koniec tohto spojenia (t1, x1) slúži ako ľavý koniec druhého , na ktorom dx/dt = f (t1, x1), atď., a podobne ako vľavo. Výsledná lomená čiara definuje po častiach lineárnu funkciu x = (t). Pokiaľ t IP, lomená čiara zostáva v K1 (a ešte viac v C, a teda v B), takže konštrukcia je správna - na to sa v skutočnosti urobila pomocná konštrukcia pred vetou.
V skutočnosti existuje všade okrem bodov prerušenia a potom (s) (t) = (z) dz, kde sa v bodoch prerušenia berú ľubovoľné hodnoty derivátu.
V tomto prípade (pohyb pozdĺž prerušovanej čiary indukciou) Najmä | (t)x0| F |t t0|.
Takže o funkciách IP:
2. sú rovnako súvislé, keďže sú Lipschitz:
Tu by si mal čitateľ, ak je to potrebné, osviežiť vedomosti o takých pojmoch a výsledkoch ako: ekvikontinuita, rovnomerná konvergencia, Artsela-Ascoliho veta atď.
Podľa Arzelovej-Ascoliho vety existuje postupnosť k 0 taká, že k je na IP, kde C(IP). Konštrukciou, (t0) = x0, takže zostáva overiť, že to dokážeme pre s t.
Cvičenie. Podobne uvažujte s t.
Nastavíme 0 a nájdeme 0 tak, že pre všetky (t1, x1), (t2, x2) platí C. To je možné urobiť vzhľadom na rovnomernú spojitosť f na kompaktnej množine C. Nájdite m N tak, aby Fix t Int (IP) a vezmite ľubovoľné s Int(IP) také, že t s t +. Potom pre všetky z máme |k (z) k (t)| F, takže vzhľadom na (4) |k (z) (t)| 2F.
Všimnite si, že k (z) = k (z) = f (z, k (z)), kde z je súradnica ľavého konca lomeného segmentu obsahujúceho bod (z, k (z)). Ale bod (z, k (z)) spadá do valca s parametrami (, 2F) postaveného na bode (t, (t)) (v skutočnosti dokonca do zrezaného kužeľa - pozri obrázok, ale nie t teraz záleží), takže vzhľadom na (3) dostaneme |k (z) f (t, (t))|. Pre prerušovanú čiaru máme, ako už bolo spomenuté vyššie, vzorec Pre k nám to dá (2).
Komentujte. Nech f C1(B). Potom riešenie definované na (a, b) bude triedy C 2(a, b). V skutočnosti na (a, b) máme: existuje f (t, x(t)) = ft(t, x(t)) + (t, x(t))x (t) (tu je jakobián matica ) je spojitá funkcia. Existujú teda aj 2 C(a, b). Hladkosť riešenia môžeme ešte zvýšiť, ak je f hladké. Ak je f analytické, potom je možné dokázať existenciu a jedinečnosť analytického riešenia (ide o tzv. Cauchyho vetu), hoci to z predchádzajúcej úvahy nevyplýva!
Tu je potrebné pripomenúť, čo je to analytická funkcia. Nezamieňať s funkciou reprezentovanou mocninným radom (toto je len reprezentácia analytickej funkcie na, všeobecne povedané, časti jej definičnej oblasti)!
Komentujte. Pre dané (t0, x0) sa môžeme pokúsiť maximalizovať T0 zmenou T a R. Spravidla to však nie je také dôležité, pretože existujú špeciálne metódy na štúdium maximálneho intervalu existencie riešenia (pozri § 4).
Peanova veta nehovorí nič o jedinečnosti riešenia. Pri našom chápaní riešenia to vždy nie je jedinečné, pretože ak nejaké riešenie existuje, tak jeho obmedzenia na užšie intervaly budú inými riešeniami. Tomuto bodu sa budeme podrobnejšie venovať neskôr (v § 4), ale zatiaľ pod jedinečnosťou rozumieme zhodu ľubovoľných dvoch riešení v priesečníku intervalov ich definície. Ani v tomto zmysle Peanova veta nehovorí nič o jedinečnosti, čo nie je náhodné, pretože za jej podmienok nemožno jedinečnosť zaručiť.
Príklad. n = 1, f (x) = 2 |x|. Cauchyho úloha má triviálne riešenie: x1 0 a navyše x2(t) = t|t|. Z týchto dvoch riešení je možné zostaviť celú 2-parametrovú rodinu riešení:
kde + (nekonečné hodnoty znamenajú žiadnu zodpovedajúcu vetvu). Ak za doménu definície všetkých týchto riešení považujeme celé R, tak je ich stále nekonečne veľa.
Všimnite si, že ak v tejto úlohe použijeme dôkaz Peanovej vety z hľadiska Eulerových prerušovaných čiar, získame len nulové riešenie. Na druhej strane, ak je povolená malá chyba v každom kroku v procese konštrukcie prerušovaných Eulerových čiar, potom aj keď parameter chyby má tendenciu k nule, zostávajú všetky riešenia. Peanova veta a Eulerove prerušované čiary sú teda prirodzené ako metóda konštrukcie riešení a úzko súvisia s numerickými metódami.
Problém pozorovaný v príklade je spôsobený skutočnosťou, že funkcia f nie je hladká v x. Ukazuje sa, že ak kladieme ďalšie požiadavky na pravidelnosť f v x, potom je možné zabezpečiť jedinečnosť a tento krok je v určitom zmysle nevyhnutný (pozri nižšie).
Pripomeňme si niektoré pojmy z analýzy. Funkcia (skalárna alebo vektorová) g sa nazýva Hölderova funkcia s exponentom (0, 1] na množine, ak sa nazýva Lipschitzova podmienka pre 1. Pre 1 je to možné len pre konštantné funkcie Funkcia definovaná na segmente (pričom voľba 0 nie je podstatná) sa nazýva modul spojitosti, ak sa hovorí, že g spĺňa zovšeobecnenú Hölderovu podmienku s modulom, ak sa v tomto prípade nazýva gov modul spojitosti.
Dá sa ukázať, že akýkoľvek modul spojitosti je modulom spojitosti nejakej spojitej funkcie.
Pre nás je dôležitá inverzná skutočnosť, a to: akákoľvek spojitá funkcia na kompaktnej množine má svoj modul spojitosti, teda vyhovuje (5) niektorým. Poďme to dokázať. Pripomeňme, že ak je kompaktné a g je C(), potom g je nevyhnutne rovnomerne spojité, t.j.
= (): |x y| = |g(x)g(y)|. Ukazuje sa, že je to ekvivalent podmienky (5) s niektorými. V skutočnosti, ak existuje, potom stačí zostrojiť modul kontinuity tak, že (()) a potom pre |x y| = = () dostaneme Keďže (a) sú ľubovoľné, potom x a y môžu byť ľubovoľné.
A naopak, ak (5) platí, potom stačí nájsť také, že (()) a potom pre |x y| = () dostaneme Zostáva zdôvodniť logické prechody:
Pre monotónne a stačí vziať inverzné funkcie, ale vo všeobecnom prípade je potrebné použiť tzv. zovšeobecnené inverzné funkcie. Ich existencia si vyžaduje samostatný dôkaz, ktorý neuvedieme, ale len predstavu (užitočné je čítanie sprevádzať kresbami):
pre ľubovoľné F definujeme F(x) = min F (y), F (x) = max F (y) - toto je monotónne funkcie a majú inverzné hodnoty. Je ľahké skontrolovať, či x x F (F (x)), (F)1 (F (x)) x, F ((F)1 (x)) x.
Najlepší modul kontinuity je lineárny (Lipschitzova podmienka). Ide o „takmer diferencovateľné“ funkcie. Dať presný význam poslednému výroku si vyžaduje určité úsilie a obmedzíme sa len na dve poznámky:
1. Presne povedané, nie každá Lipschitzova funkcia je diferencovateľná, pretože príklad g(x) = |x| až R;
2. ale diferencovateľnosť implikuje Lipschitz, ako ukazuje nasledujúce tvrdenie. Akákoľvek funkcia g, ktorá má všetky M na konvexnej množine, spĺňa Lipschitzovu podmienku.
[Pre stručnosť zvážte skalárne funkcie g.] Dôkaz. Pre všetky x, y máme Je jasné, že toto tvrdenie platí aj pre vektorové funkcie.
Komentujte. Ak f = f (t, x) (všeobecne povedané, vektorová funkcia), potom môžeme zaviesť pojem „f je Lipschitz v x“, teda |f (t, x) f (t, y)| C|x y| a tiež dokážte, že ak je D konvexné v x pre všetky t, potom pre Lipschitzovu vlastnosť f vzhľadom na x v D stačí, že | cez |x y|. Pre n = 1 sa to zvyčajne robí pomocou vzorca konečného prírastku: g(x)g(y) = g (z)(xy) (ak je g vektorová funkcia, potom je z pre každú zložku iné). Pre n 1 je vhodné použiť nasledujúci analóg tohto vzorca:
Lemma. (Adamara). Nech f C(D) (všeobecne povedané, vektorová funkcia), kde D (t = t) je konvexné pre ľubovoľné t a f (t, x) f (t, y) = A (t, x, y) (x y), kde A je súvislá obdĺžniková matica.
Dôkaz. Pre ľubovoľné pevné t použijeme výpočet z dôkazu Tvrdenia pre = D (t = t), g = fk. Požadované zobrazenie získame s A(t, x, y) = A je skutočne spojité.
Vráťme sa k otázke jedinečnosti riešenia problému (1).
Položme si otázku takto: aký by mal byť modul spojitosti f vzhľadom na x, aby riešenie (1) bolo jedinečné v tom zmysle, že 2 riešenia definované na rovnakom intervale sa zhodujú? Odpoveď dáva nasledujúca veta:
Veta. (Osgood). Nech za podmienok Peanovej vety modul spojitosti f vzhľadom na x v B, t.j. funkcia v nerovnosti spĺňa podmienku (môžeme predpokladať C). Potom problém (1) nemôže mať dva rôzne riešenia definovaný na jednom intervale tvaru (t0 a, t0 + b).
Porovnajte s príkladom nejedinečnosti vyššie.
Lemma. Ak z C 1(,), potom celkovo (,):
1. v bodoch, kde z = 0, |z| existuje a ||z| | |z|;
2. v bodoch, kde z = 0, existujú jednostranné derivácie |z|±, a ||z|± | = |z | (konkrétne, ak z = 0, potom |z| = 0 existuje).
Príklad. n = 1, z(t) = t. V bode t = 0 je derivácia |z| neexistuje, ale existujú jednostranné deriváty.
Dôkaz. (Lemmy). V tých bodoch, kde z = 0, máme z z : existuje |z| = a ||z| | |z|. V tých bodoch t, kde z(t) = 0, máme:
Prípad 1: z (t) = 0. Potom získame existenciu |z| (t) = 0.
Prípad 2: z (t) = 0. Potom ak +0 alebo 0, potom z(t +)| |z(t)| ktorého modul sa rovná |z (t)|.
Podľa predpokladu F C 1 (0,), F 0, F, F (+0) = +. Nech z1,2 sú dve riešenia (1) definované na (t0, t0 +). Označme z = z1 z2. Máme:
Predpokladajme, že existuje t1 (pre definitívnosť t1 t0) také, že z(t1) = 0. Množina A = ( t t1 | z(t) = 0 ) nie je prázdna (t0 A) a je zhora ohraničená. Preto má hornú hranicu t1. Podľa konštrukcie je z = 0 na (, t1), a keďže z je spojité, máme z() = 0.
Autor: Lemma |z| C 1(, t1) a na tomto intervale |z| |z| (|z|), takže integrácia cez (t, t1) (kde t (, t1)) dáva F (|z(t)|) F (|z(t1)|) t1 t. Pre t + 0 dostaneme rozpor.
Dôsledok 1. Ak za podmienok Peanovej vety f je Lipschitz v x v B, potom úloha (1) má jedinečné riešenie v zmysle opísanom v Osgoodovej vete, pretože v tomto prípade () = C spĺňa (7).
Dôsledok 2. Ak C(B) za podmienok Peanovho teorému, potom riešenie (1) definované na Int(IP) je jedinečné.
Lemma. Akékoľvek riešenie (1) definované na IP musí spĺňať odhad |x | = |f (t, x)| F a jeho graf leží v K1 a ešte viac v C.
Dôkaz. Predpokladajme, že existuje t1 IP také, že (t, x(t)) C. Pre jednoznačnosť nech t1 t0. Potom je tu t2 (t0, t1] také, že |x(t) x0| = R. Podobne ako pri argumentácii v dôkaze Osgoodovej vety môžeme predpokladať, že t2 je taký bod úplne vľavo, ale máme (t, x (t)) C, takže |f (t, x(t))|F, a teda (t, x(t)) K1, čo je v rozpore s |x(t2) x0| = R. Preto (t, x(t) ) C na všetkých IP a potom (opakované výpočty) (t, x(t)) K1.
Dôkaz. (Dôsledok 2). C je kompaktná množina, dostaneme, že f je Lipschitz v x v C, kde grafy všetkých riešení ležia vďaka Leme. Dôsledkom 1 získame to, čo je potrebné.
Komentujte. Podmienka (7) znamená, že Lipschitzovu podmienku pre f nemožno podstatne oslabiť. Napríklad Hölderova podmienka s 1 už neplatí. Vhodné sú iba moduly kontinuity blízke lineárnej - ako napríklad „najhorší“:
Cvičenie. (dosť komplikované). Dokážte, že ak (7) vyhovuje, potom existuje 1 spĺňajúca (7) taká, že 1/ je nula.
Vo všeobecnom prípade nie je potrebné pre jedinečnosť vyžadovať presne niečo z modulu spojitosti f vzhľadom na x - sú možné všetky druhy špeciálnych prípadov, napríklad:
Vyhlásenie. Ak sú za podmienok Peanovej vety pravdivé akékoľvek 2 riešenia (1) definované na (9), je jasné, že x C 1(a, b) a potom derivácia (9) dáva (1)1, a (1)2 je zrejmé.
Na rozdiel od (1) je prirodzené, že (9) zostrojí riešenie na uzavretom intervale.
Picard navrhol nasledujúcu metódu postupných aproximácií na riešenie (1)=(9). Označme x0(t) x0 a potom indukciou. (Cauchy-Picara). Nech je za podmienok Peanovej vety funkcia f Lipschitzova v x v ľubovoľnej kompaktnej množine K konvexná v x v oblasti B, t.j.
Potom pre ľubovoľné (t0, x0) B má Cauchyho problém (1) (aka (9)) jedinečné riešenie na Int (IP) a xk x na IP, kde xk sú definované v (10).
Komentujte. Je jasné, že veta zostáva platná, ak sa podmienka (11) nahradí C(B), keďže z tejto podmienky vyplýva (11).
Poznámka pre učiteľa. V skutočnosti nie sú potrebné všetky kompaktné sady konvexné v x, ale iba valce, ale formulácia je vyrobená týmto spôsobom, pretože v § 5 budeme potrebovať všeobecnejšie kompaktné sady a okrem toho presne s takou formuláciou Poznámka vyzerá najprirodzenejšie.
Dôkaz. Zvolíme ľubovoľne (t0, x0) B a urobíme rovnakú pomocnú konštrukciu ako pred Peanovou vetou. Dokážme indukciou, že všetky xk sú definované a spojité na IP a ich grafy ležia v K1 a ešte viac v C. Pre x0 je to zrejmé. Ak to platí pre xk1, potom je z (10) jasné, že xk je definované a nepretržité na IP a toto je členstvo v K1.
Teraz dokážeme odhad na IP indukciou:
(C je kompaktná množina konvexná v x v B a je pre ňu definovaná L(C). Pre k = 0 je to overený odhad (t, x1(t)) K1. Ak platí (12) pre k:= k 1, potom z (10) máme to, čo sa požadovalo. Rad je teda majorizovaný na IP pomocou konvergentného číselného radu a preto (toto sa nazýva Weierstrassova veta) konverguje rovnomerne na IP k nejakej funkcii x C(IP). Ale to znamená xk x na IP. Potom v (10) na IP prejdeme na limit a získame (9) na IP, a teda (1) na Int(IP).
Jedinečnosť okamžite vyplýva z dôsledku 1 Osgoodovej vety, ale je užitočné ju dokázať iným spôsobom, presne pomocou rovnice (9). Nech existujú 2 riešenia x1,2 problému (1) (t.j. (9)) na Int(IP). Ako bolo uvedené vyššie, potom ich grafy nevyhnutne ležia v K1 a ešte viac v C. Nech t I1 = (t0, t0 +), kde je nejaký kladné číslo. Potom = 1/(2L(C)). Potom = 0. Teda x1 = x2 na I1.
Poznámka pre učiteľa. Dôkaz jedinečnosti je aj pomocou Gronwallovej lemy, je to ešte prirodzenejšie, keďže globálne prechádza okamžite, no zatiaľ Gronwallova lemma nie je príliš pohodlná, keďže je ťažké ju adekvátne vnímať až do lineárnych ODR. .
Komentujte. Posledný dôkaz jedinečnosti je poučný v tom, že opäť v inom svetle ukazuje, ako lokálna jedinečnosť vedie ku globálnej jedinečnosti (čo neplatí pre existenciu).
Cvičenie. Dokážte jedinečnosť naraz na všetkých IP, argumentujte naopak, ako v dôkaze Osgoodovej vety.
Dôležitým špeciálnym prípadom (1) sú lineárne ODR, t. j. tie, v ktorých je hodnota f (t, x) lineárna v x:
V tomto prípade, aby spadal do podmienok všeobecnej teórie, by sme mali vyžadovať. V tomto prípade teda prúžok funguje ako B a podmienka Lipschitzova (a dokonca diferencovateľného) vzhľadom na x je splnená automaticky: pre všetky t (a, b), x, y Rn máme |f (t, x) f (t, y)| = |A(t)(x y)| |A(t)| · |(x y)|.
Ak dočasne vyberieme kompaktnú množinu (a, b), potom na nej získame |f (t, x) f (t, y)| L|(x y)|, kde L = max |A|.
Peanova a Osgoodova alebo Cauchy-Picardova veta implikujú jedinečnú riešiteľnosť problému (13) na nejakom intervale (Peano-Picard) obsahujúcom t0. Navyše, riešením na tomto intervale je limita po sebe nasledujúcich Picardových aproximácií.
Cvičenie. Nájdite tento interval.
Ukazuje sa však, že v tomto prípade možno všetky tieto výsledky dokázať globálne naraz, t. j. na všetkom (a, b):
Veta. Nech je (14) pravda. Potom má úloha (13) jedinečné riešenie na (a, b) a následné Picardove aproximácie sa k nej rovnomerne približujú na ľubovoľnej kompaktnej množine (a, b).
Dôkaz. Opäť, ako v TK-P, zostrojíme riešenie integrálnej rovnice (9) pomocou postupných aproximácií pomocou vzorca (10). Teraz už ale nemusíme kontrolovať podmienku, aby graf spadol do kužeľa a valca, keďže
f je definované pre všetky x pokiaľ t (a, b). Potrebujeme len skontrolovať, či sú všetky xk definované a spojité na (a, b), čo je zrejmé z indukcie.
Namiesto (12) teraz ukážeme podobný odhad tvaru, kde N je nejaké číslo v závislosti od výberu . Prvý indukčný krok pre tento odhad je odlišný (pretože nesúvisí s K1): pre k = 0 |x1(t) x0| N kvôli spojitosti x1 a ďalšie kroky sú podobné ako (12).
Nie je možné to opísať, pretože je to zrejmé, ale opäť môžeme poznamenať xk x na , a x je riešenie zodpovedajúceho (10) na . Tým sme však skonštruovali riešenie na všetko (a, b), keďže výber kompaktnej množiny je ľubovoľný. Jedinečnosť vyplýva z Osgoodovej alebo Cauchyho-Picardovej vety (a z vyššie uvedenej diskusie o globálnej jedinečnosti).
Komentujte. Ako už bolo spomenuté vyššie, TC-P je formálne zbytočný kvôli Peanovej a Osgoodovej vete, ale je užitočný z 3 dôvodov:
1. umožňuje spojiť Cauchyho úlohu pre ODR s integrálnou rovnicou;
2. ponúka konštruktívnu metódu postupných aproximácií;
3. umožňuje jednoducho dokázať globálnu existenciu lineárnych ODR.
[hoci to posledné možno vyvodiť aj z argumentov § 4.] V nasledujúcom texte sa budeme najčastejšie odvolávať naň.
Príklad. x = x, x(0) = 1. Postupné aproximácie Preto x(t) = e je riešením pôvodného problému na celom R.
Najčastejšie sa séria nezíska, ale určitá konštruktivita zostáva. Je tiež možné odhadnúť chybu x xk (pozri ).
Komentujte. Z Peanových, Osgoodových a Cauchy-Picardových viet je ľahké získať zodpovedajúce vety pre ODR vyššieho rádu.
Cvičenie. Formulujte pojmy Cauchyho úlohy, riešenia sústavy a Cauchyho úlohy, všetky vety pre ODR vyššieho rádu pomocou redukcie na sústavy prvého rádu popísané v § 1.
Trochu narúšajúce logiku kurzu, ale aby sme si lepšie osvojili a zdôvodnili metódy riešenia úloh na hodinách praktických cvičení, dočasne prerušíme prezentáciu všeobecnej teórie a budeme sa venovať technickému problému „explicitného riešenia ODR“.
§ 3. Niektoré metódy integrácie Uvažujeme teda skalárnu rovnicu = f (t, x). Najjednoduchší špeciálny prípad, ktorý sme sa naučili integrovať, je tzv. URP, teda rovnica, v ktorej f (t, x) = a(t)b(x). Formálnym trikom integrácie ERP je „oddeliť“ premenné t a x (odtiaľ názov): = a(t)dt a potom vziať integrál:
kde x = B (A(t)). Takéto formálne odôvodnenie obsahuje niekoľko bodov, ktoré si vyžadujú odôvodnenie.
1. Delenie podľa b(x). Predpokladáme, že f je spojité, takže a C(,), b C(,), t.j. B je obdĺžnik (,) (,)(všeobecne povedané, nekonečné). Množiny (b(x) 0) a (b(x) 0) sú otvorené, a preto sú konečnými alebo spočítateľnými množinami intervalov. Medzi týmito intervalmi sú body alebo segmenty, kde b = 0. Ak b(x0) = 0, potom má Cauchyho úloha riešenie x x0. Možno toto riešenie nie je jedinečné, potom v jeho doméne definície existujú intervaly, kde b(x(t)) = 0, ale potom ich možno deliť b(x(t)). Všimnite si, že funkcia B je na týchto intervaloch monotónna, a preto môžeme vziať B 1. Ak b(x0) = 0, potom b(x(t)) = 0 v okolí t0 a postup je legálny . Opísaný postup by sa teda mal vo všeobecnosti použiť pri rozdeľovaní oblasti definície riešenia na časti.
2. Integrácia ľavej a pravej časti vzhľadom na rôzne premenné.
Metóda I. Chceme nájsť riešenie problému Kod(t) shi (1) x = (t). Máme: = a(t)b((t)), odkiaľ - dostali sme presne rovnaký vzorec.
Metóda II. Rovnica je tzv. symetrický zápis pôvodnej ODR, teda taký, ktorý nešpecifikuje, ktorá premenná je nezávislá a ktorá závislá. Takáto forma má zmysel práve v prípade, že uvažujeme o jednej rovnici prvého rádu vzhľadom na vetu o invariantnosti tvaru prvého diferenciálu.
Tu je vhodné zaoberať sa pojmom diferenciál podrobnejšie, ilustrovať ho na príklade roviny ((t, x)), kriviek na nej, vznikajúcich väzieb, stupňov voľnosti a parametra na krivke.
Rovnica (2) teda spája diferenciály t a x pozdĺž požadovaného IC. Potom je integrácia rovnice (2) spôsobom uvedeným na začiatku úplne legálna - znamená to, ak chcete, integráciu cez akúkoľvek premennú zvolenú ako nezávislú.
V metóde I sme to ukázali výberom t ako nezávislej premennej. Teraz to ukážeme výberom parametra s pozdĺž IR ako nezávislej premennej (pretože to jasnejšie ukazuje rovnosť t a x). Nech hodnota s = s0 zodpovedá bodu (t0, x0).
Potom máme: = a(t(s))t (s)ds, čo potom dáva Tu by sme sa mali zamerať na univerzálnosť symetrického zápisu, napríklad: kruh sa nepíše ani ako x(t), ani ako t(x), ale ako x(s), t(s).
Niektoré ďalšie ODR prvého rádu sú redukované na URP, čo je vidieť pri riešení problémov (napríklad podľa knihy problémov).
Ďalším dôležitým prípadom je lineárna ODE:
Metóda I. Variácia konštanty.
ide o špeciálny prípad všeobecnejšieho prístupu, o ktorom bude reč v 2. časti. Ide o to, že hľadanie riešenia v r. špeciálna forma znižuje poradie rovnice.
Najprv sa rozhodneme. homogénna rovnica:
Na základe jedinečnosti buď x 0 alebo všade x = 0. V druhom prípade (nech x 0 pre definitívnosť) dostaneme, že (4) dáva všetky riešenia (3)0 (vrátane nulových a záporných).
Vzorec (4) obsahuje ľubovoľnú konštantu C1.
Metóda konštantnej variácie spočíva v tom, že riešenie (3) C1(t) = C0 + Je možné vidieť (ako pre algebraické lineárne systémy) štruktúru ORNY=CHRNY+OROU (viac o tom v 2. časti).
Ak chceme vyriešiť Cauchyho úlohu x(t0) = x0, potom musíme z Cauchyho údajov nájsť C0 – ľahko dostaneme C0 = x0.
Metóda II. Nájdite IM, t. j. funkciu v, ktorou by sa (3) malo vynásobiť (napísané tak, že všetky neznáme sú zhromaždené na ľavej strane: x a(t)x = b(t)), takže derivácia nejakej pohodlnej kombinácie.
Máme: vx vax = (vx), ak v = av, t.j. (takáto rovnica, (3) je ekvivalentná rovnici, ktorá je už ľahko vyriešená a dáva (5). Ak je Cauchyho úloha vyriešená, potom v ( 6) je vhodné okamžite vziať určitý integrál Niektoré ďalšie sú redukované na lineárne ODR (3), ako je vidieť pri riešení problémov (napríklad podľa knihy problémov). Dôležitým prípadom lineárnych ODR (ihneď pre akékoľvek n) sa budeme podrobnejšie zaoberať v časti 2.
Obe uvažované situácie sú špeciálnym prípadom tzv. UPD. Uvažujme ODR prvého rádu (pre n = 1) v symetrickej forme:
Ako už bolo spomenuté, (7) špecifikuje IC v (t, x) rovine bez špecifikácie, ktorá premenná sa považuje za nezávislú.
Ak vynásobíme (7) ľubovoľnou funkciou M (t, x), dostaneme ekvivalentný tvar zápisu tej istej rovnice:
Rovnaká ODR má teda veľa symetrických záznamov. Medzi nimi osobitnú úlohu zohráva tzv. záznamov v celkových diferenciáloch, názov UPD je neúspešný, pretože táto vlastnosť nie je rovnica, ale forma jej zaznamenania, t.j. taká, že ľavá strana (7) sa rovná dF (t, x) s nejakým F.
Je jasné, že (7) je SPD práve vtedy, ak A = Ft, B = Fx s nejakým F. Ako je známe z analýzy, pre druhé je potrebné a postačujúce. technické body, napríklad plynulosť všetkých funkcií. Faktom je, že § hrá druhoradú úlohu – pre ostatné časti kurzu nie je vôbec potrebný a nerád by som vynakladal nadmerné úsilie na jeho detailnú prezentáciu.
Ak je teda splnená (9), potom existuje F (je jedinečná až do aditívnej konštanty) taká, že (7) sa prepíše ako dF (t, x) = 0 (pozdĺž IR), t.j.
F (t, x) = konštanta pozdĺž IC, t.j. IC sú úrovňové čiary funkcie F. Dostaneme, že integrácia SPD je triviálna úloha, pretože hľadanie F pomocou A a B spĺňa (9 ) nie je ťažké. Ak (9) nie je splnené, potom treba nájsť tzv. IM M (t, x) tak, že (8) je FDD, pre ktoré je potrebné a postačujúce vykonať analógiu (9), ktorá má formu:
Ako vyplýva z teórie PDE prvého rádu (ktorej sa budeme venovať v 3. časti), rovnica (10) má vždy riešenie, takže IM existuje. Každá rovnica v tvare (7) teda môže byť napísaná vo forme FDD, a preto umožňuje „explicitnú“ integráciu. Tieto úvahy však nedávajú konštruktívnu metódu vo všeobecnom prípade, pretože na vyriešenie (10) je vo všeobecnosti potrebné nájsť riešenie (7), čo je to, čo hľadáme. Existuje však množstvo techník vyhľadávania okamžitých správ, ktoré sa tradične zvažujú v praktických triedach (pozri napríklad).
Všimnite si, že vyššie uvedené metódy riešenia ERP a lineárnych ODR sú špeciálnym prípadom ideológie IM.
ERP dx/dt = a(t)b(x), zapísaná v symetrickom tvare dx = a(t)b(x)dt, sa rieši vynásobením IM 1/b(x), pretože po tomto sa zmení na FDD dx/b(x) = a(t)dt, t.j. dB(x) = dA(t). Lineárna rovnica dx/dt = a(t)x + b(t), zapísaná v symetrickom tvare dx a(t)xdt b(t)dt, sa rieši vynásobením MI
(s výnimkou veľkého bloku spojeného s lineárnymi systémami) sú, že pomocou špeciálnych metód redukcie rádu a zmeny premenných sa redukujú na ODR prvého rádu, ktoré sa potom redukujú na FDD a riešia sa aplikáciou tzv. hlavná veta diferenciálneho počtu: dF = 0 F = konšt. Otázka zníženia poradia je tradične zaradená do kurzu praktických cvičení (pozri napr.).
Povedzme si pár slov o ODR prvého rádu, ktoré nie sú vyriešené vzhľadom na derivát:
Ako je uvedené v § 1, možno sa pokúsiť vyriešiť (11) vzhľadom na x a získať normálny tvar, ale nie vždy sa to odporúča. Často je pohodlnejšie riešiť (11) priamo.
Uvažujme priestor ((t, x, p)), kde p = x sa dočasne považuje za nezávislú premennú. Potom (11) definuje povrch (F (t, x, p) = 0) v tomto priestore, ktorý možno zapísať parametricky:
Je užitočné si zapamätať, čo to znamená, napríklad pomocou gule v R3.
Požadované riešenia budú zodpovedať krivkám na tejto ploche: t = s, x = x(s), p = x (s) - jeden stupeň voľnosti sa stratí, pretože na riešeniach je súvislosť dx = pdt. Zapíšme tento vzťah z hľadiska parametrov na ploche (12): gu du + gv dv = h(fudu + fv dv), t.j.
Požadované riešenia teda zodpovedajú krivkám na ploche (12), v ktorých sú parametre spojené rovnicou (13). Ten je ODR v symetrickej forme, ktorú možno vyriešiť.
Prípad I. Ak v niektorej oblasti (gu hfu) = 0, potom (12), potom t = f ((v), v), x = g((v), v) poskytuje parametrickú reprezentáciu požadovaných kriviek v rovina ( (t, x)) (t. j. do tejto roviny premietame, keďže nepotrebujeme p).
Prípad II. Podobne, ak (gv hfv) = 0.
Prípad III. V niektorých bodoch súčasne gu hfu = gv hfv = 0. Tu je potrebná samostatná analýza, či táto množina zodpovedá niektorým riešeniam (tie sa potom nazývajú singulárne).
Príklad. Clairautova rovnica x = tx + x 2. Máme:
x = tp + p2. Túto plochu parametrizujeme: t = u, p = v, x = uv + v 2. Rovnica (13) má tvar (u + 2v)dv = 0.
Prípad I. Nerealizované.
Prípad II. u + 2v = 0, potom dv = 0, t.j. v = C = konšt.
Preto t = u, x = Cu + C2 je parametrický zápis IR.
Je ľahké to napísať explicitne x = Ct + C 2.
Prípad III. u + 2v = 0, t.j. v = u/2. Preto t = u, x = u2/4 je parametrický zápis „kandidáta IC“.
Aby sme skontrolovali, či ide skutočne o IR, napíšeme ho explicitne x = t2/4. Ukázalo sa, že ide o (špeciálne) riešenie.
Cvičenie. Dokážte, že špeciálne riešenie sa týka všetkých ostatných.
Toto je všeobecný fakt – graf akéhokoľvek špeciálneho riešenia je obalom rodiny všetkých ostatných riešení. Z toho vychádza ďalšia definícia singulárneho riešenia, presne ako obálky (pozri ).
Cvičenie. Dokáž to viac všeobecná rovnica Clairaut x = tx (x) s konvexnou funkciou, špeciálne riešenie má tvar x = (t), kde je Legendrova transformácia , t.j. = ()1 alebo (t) = max(tv (v)). Podobne pre rovnicu x = tx + (x).
Komentujte. Obsah § 3 je podrobnejšie a presnejšie popísaný v učebnici.
Poznámka pre učiteľa. Pri kurze prednášok môže byť užitočné rozšíriť § 3 a dať mu prísnejšiu formu.
Teraz sa vráťme k hlavnej osnove kurzu, pokračujúc v výklade začatom v §§ 1,2.
§ 4. Globálna riešiteľnosť Cauchyho úlohy V § 2 sme dokázali lokálnu existenciu riešenia Cauchyho úlohy, teda len na nejakom intervale obsahujúcom bod t0.
Pri niektorých dodatočných predpokladoch o f sme tiež dokázali jedinečnosť riešenia, chápajúc ho ako zhodu dvoch riešení definovaných na rovnakom intervale. Ak je f v x lineárne, získame globálnu existenciu, teda na celom intervale, kde sú koeficienty rovnice (systému) definované a spojité. Ako však ukazuje pokus aplikovať všeobecnú teóriu na lineárny systém, Peano-Picardov interval je vo všeobecnosti menší ako interval, na ktorom je možné skonštruovať riešenie. Vznikajú prirodzené otázky:
1. ako určiť maximálny interval, na ktorom možno tvrdiť existenciu riešenia (1)?
2. Zhoduje sa tento interval vždy s maximálnym intervalom, na ktorom má pravá strana (1)1 ešte zmysel?
3. ako presne formulovať pojem jednoznačnosti riešenia bez výhrad k intervalu jeho definície?
Skutočnosť, že odpoveď na otázku 2 je vo všeobecnosti záporná (alebo skôr vyžaduje veľkú presnosť), ukazuje nasledujúci príklad. x = x2, x(0) = x0. Ak x0 = 0, potom x 0 - podľa Osgoodovej vety neexistujú žiadne iné riešenia. Ak x0 = 0, potom sa rozhodneme, že je užitočné urobiť kresbu). Interval existencie riešenia nemôže byť väčší ako (, 1/x0) alebo (1/x0, +) pre x0 0 a x0 0 (druhá vetva hyperboly nesúvisí s riešením! - toto je typická chybaštudenti). Na prvý pohľad nič v pôvodnom probléme „nepredznamenalo takýto výsledok“. V § 4 nájdeme vysvetlenie tohto javu.
Na príklade rovnice x = t2 + x2 je znázornená typická chyba študentov o intervale existencie riešenia. Tu skutočnosť, že „rovnica je všade definovaná“, vôbec neznamená, že riešenie možno rozšíriť na celý riadok. Je to zrejmé aj z čisto každodenného hľadiska, napríklad v súvislosti s právnymi zákonmi a procesmi, ktoré sa podľa nich vyvíjajú: aj keď zákon výslovne nepredpisuje ukončenie existencie spoločnosti v roku 2015, neznamená to, že vôbec, že táto spoločnosť do tohto roku z interných dôvodov neskrachuje (hoci funguje v rámci zákona).
Aby bolo možné odpovedať na otázky 1–3 (a dokonca ich jasne formulovať), je potrebný pojem nerozšíriteľného riešenia. Budeme (ako sme sa zhodli vyššie) považovať riešenia rovnice (1)1 za dvojice (, (tl (), tr ())).
Definícia. Riešenie (, (tl (), tr ())) je pokračovaním riešenia (, (tl (), tr ())), ak (tl (), tr ()) (tl (), tr () ), a |(tl(),tr()) =.
Definícia. Riešenie (, (tl (), tr ())) je nerozšíriteľné, ak nemá netriviálne (t. j. rôzne) rozšírenia. (pozri príklad vyššie).
Je jasné, že práve IS majú osobitnú hodnotu a z ich hľadiska je potrebné preukázať existenciu a jedinečnosť. Vynára sa prirodzená otázka – je vždy možné skonštruovať IS na základe nejakého lokálneho riešenia, alebo na základe Cauchyho problému? Ukazuje sa, že áno. Aby sme to pochopili, predstavme si pojmy:
Definícia. Množina riešení ((, (tl (), tr ()))) je konzistentná, ak sa akékoľvek 2 riešenia z tejto množiny zhodujú v priesečníku intervalov ich definície.
Definícia. Konzistentná množina riešení sa nazýva maximálna, ak k nej nemožno pridať ďalšie riešenie, takže nová množina je konzistentná a obsahuje nové body v spojení domén riešení.
Je zrejmé, že výstavba INN je rovnocenná s výstavbou IS, a to:
1. Ak existuje IS, potom každé INN, ktoré ho obsahuje, môže byť iba súborom jeho obmedzení.
Cvičenie. Overiť.
2. Ak existuje INN, potom je HP (, (t, t+)) skonštruovaný takto:
nastavíme (t) = (t), kde je v tomto bode definovaný ľubovoľný prvok INN. Je zrejmé, že takáto funkcia bude v celku jednoznačne definovaná (t, t+) (jedinečnosť vyplýva z konzistencie množiny) a v každom bode sa zhoduje so všetkými prvkami INN definovanými v tomto bode. Pre akékoľvek t (t, t+) je v ňom, a teda v jeho okolí, nejaké definované, a keďže v tomto okolí existuje riešenie (1)1, tak tiež. Celkovo teda existuje riešenie (1)1 (t, t+). Je nerozšíriteľný, pretože inak by bolo možné k INN pridať netriviálne rozšírenie napriek jeho maximalizácii.
Konštrukcia problému ILS (1) vo všeobecnom prípade (v podmienkach Peanovho teorému), keď neexistuje lokálna jedinečnosť, je možná (pozri , ), ale dosť ťažkopádna - je založená na postupnom postupe. kroková aplikácia Peanovej vety s nižším odhadom pre dĺžku intervalu rozšírenia. HP teda vždy existuje. Zdôvodníme to len v prípade, že ide o lokálnu jedinečnosť, vtedy je konštrukcia INN (a teda aj IR) triviálna. Napríklad pre istotu budeme konať v rámci TC-P.
Veta. Nech sú splnené podmienky TK-P v doméne B Rn+1. Potom pre každý (t0, x0) B problém (1) má jedinečný IS.
Dôkaz. Uvažujme množinu všetkých riešení úlohy (1) (podľa TK-P nie je prázdna). Tvorí INN - konzistentný vďaka lokálnej jedinečnosti a maximálny vzhľadom na to, že ide o súbor všetkých riešení Cauchyho problému vo všeobecnosti. Takže NR existuje. Je jedinečný vďaka miestnej jedinečnosti.
Ak je potrebné skonštruovať IS na základe dostupného lokálneho riešenia (1)1 (a nie Cauchyho problému), potom sa tento problém v prípade lokálnej jedinečnosti redukuje na Cauchyho problém: treba si vybrať ľubovoľný bod na existujúce IR a zvážte zodpovedajúci Cauchyho problém. IS tohto problému bude pre svoju jedinečnosť nadväzovať na pôvodné riešenie. Ak neexistuje žiadna jedinečnosť, potom sa pokračovanie daného riešenia uskutoční podľa postupu uvedeného vyššie.
Komentujte. HP nie je možné predĺžiť na koncoch svojho intervalu existencie (bez ohľadu na podmienku jedinečnosti), aby bol riešením aj v koncových bodoch. Pre odôvodnenie je potrebné objasniť, čo sa myslí riešením ODR na koncoch segmentu:
1. Prístup 1. Riešenie (1)1 na intervale nech chápeme ako funkciu, ktorá spĺňa rovnicu na koncoch v zmysle jednostrannej derivácie. Potom možnosť špecifikovaného rozšírenia nejakého riešenia, napríklad na pravom konci intervalu jeho existencie (t, t+] znamená, že IC má koncový bod vo vnútri B, a C 1(t, t+]). potom po vyriešení Cauchyho úlohy x(t+) = (t+) pre (1) a nájdení jej riešenia dostaneme pre pravý koniec t+ (v bode t+ existujú obe jednostranné derivácie a rovnajú sa f (t+ , (t+)), čo znamená, že existuje obyčajný derivát), t. j. nebol NR.
2. Prístup 2. Ak sa riešenie (1)1 na intervale chápe ako funkcia, ktorá je len na koncoch spojitá, ale tak, že konce IC ležia v B (aj keď sa nevyžaduje splnenie rovnice na koncoch), potom vyjde stále to isté uvažovanie, len pokiaľ ide o zodpovedajúcu integrálnu rovnicu (pozri podrobnosti).
Okamžitým obmedzením sa len na otvorené intervaly ako množiny definícií riešení sme teda neporušili všeobecnosť (ale len sa vyhli zbytočnému ošiaľu s jednostrannými deriváciami atď.).
V dôsledku toho sme odpovedali na otázku 3, položenú na začiatku § 4: pod podmienkou jedinečnosti (napríklad Osgood alebo Cauchy-Picard) je riešenie Cauchyho problému v HP jedinečné. Ak je podmienka jedinečnosti porušená, potom môže existovať veľa IS Cauchyho problému, z ktorých každý má svoj vlastný interval existencie. Akékoľvek riešenie (1) (alebo jednoducho (1)1) môže byť rozšírené na IS.
Na zodpovedanie otázok 1 a 2 je potrebné zvážiť nie samostatne premennú t, ale správanie IC v priestore Rn+1. Na otázku, ako sa IO správa „v blízkosti koncov“, odpovedá Všimnite si, že interval existencie má svoje konce, ale IC ich nemusí mať (koniec IC v B vždy neexistuje – pozri poznámku vyššie, ale koniec nemusí existovať na B - pozri nižšie).
Veta. (o opustení kompaktu).
formulujeme ju v podmienkach lokálnej jedinečnosti, nie je to však potrebné – pozri , kde je TPK formulovaná ako kritérium pre NR.
V podmienkach TC-P graf ľubovoľného IS rovnice (1)1 ponecháva akúkoľvek kompaktnú množinu KB, t.j. KB(t,t+): (t, (t)) K pri t.
Príklad. K = ((t, x) B | ((t, x), B)).
Komentujte. IC IS v blízkosti t± sa teda blíži k B: ((t, (t)), B) 0 ako t t± - proces pokračovania v riešení nemôže skončiť striktne vo vnútri B.
pozitívne, tu ako cvičenie je užitočné dokázať pozitívnosť vzdialenosti medzi disjunktnými uzavretými množinami, z ktorých jedna je kompaktná množina.
Dôkaz. Fix K B. Vezmite ľubovoľnú 0 (0, (K, B)). Ak B = Rn+1, potom podľa definície predpokladáme (K, B) = +. Množina K1 = ( (t, x) | ((t, x), K) 0 /2 ) je kompaktná aj v B, takže existuje F = max |f |. Čísla T a R až po K volíme dostatočne malé, aby akýkoľvek valec v tvare Napríklad stačilo vziať T 2 + R2 2/4. Potom má Cauchyho úloha tvaru podľa TK-P riešenie na intervale nie užšom ako (t T0, t + T0), kde T0 = min(T, R/F) pre všetky (t, x) K.
Teraz, ako požadovaný segment, môžete vziať = . Vskutku, musíme ukázať, že ak (t, (t)) K, potom t + T0 t t + T0. Ukážme si napríklad druhú nerovnosť. Riešenie Cauchyho úlohy (2) s x = (t) existuje napravo aspoň do bodu t + T0, ale je IS toho istého problému, ktorý je pre svoju jedinečnosť rozšírením, takže t + T0 t+.
Graf IS teda vždy "dosahuje B", takže interval existencie IS závisí od geometrie IC.
Napríklad:
Vyhlásenie. Nech B = (a, b)Rn (konečný alebo nekonečný interval), f spĺňa podmienky TC-P v B, je IS problému (1) s t0 (a, b). Potom buď t+ = b alebo |(t)| + pre t t+ (a podobne pre t).
Dôkaz. Nech je teda t+ b, potom t+ +.
Uvažujme kompaktnú množinu K = B B. Pre ľubovoľné R + podľa TPK existuje (R) t+ také, že pre t ((R), t+) bod (t, (t)) K. Ale keďže t t+, je to možné len pre účet |(t)| R. Ale to znamená |(t)| + pre t t+.
V tomto konkrétnom prípade vidíme, že ak je f definované „pre všetky x“, potom interval existencie IS môže byť menší ako maximálne možné (a, b) len kvôli tendencii IS pri približovaní sa k konce intervalu (t, t+) (všeobecne prípad - po hranicu B).
Cvičenie. Zovšeobecnite posledné tvrdenie na prípad, keď B = (a, b), kde Rn je ľubovoľná oblasť.
Komentujte. Malo by byť zrejmé, že |(t)| + neznamená žiadne k(t).
Odpovedali sme teda na otázku 2 (porovnaj príklad na začiatku § 4): IR dosiahne B, ale jeho priemet na os t nemusí dosiahnuť konce priemetu B na os t. Otázkou 1 zostáva - existujú nejaké znaky, podľa ktorých sa bez vyriešenia ODR dá posúdiť možnosť pokračovania riešenia na "najširší možný interval"? Vieme, že pre lineárne ODR je toto rozšírenie vždy možné, ale v príklade na začiatku § 4 je to nemožné.
Uvažujme najprv pre ilustráciu špeciálny prípad ERP pre n = 1:
konvergencia nevlastného integrálu h(s)ds (nevlastného v dôsledku = + alebo v dôsledku singularity h v bode) nezávisí od voľby (,). Preto nižšie jednoducho napíšeme h(s)ds, keď hovoríme o konvergencii alebo divergencii tohto integrálu.
to by sa už dalo urobiť v Osgoodovej vete a súvisiacich tvrdeniach.
Vyhlásenie. Nech a C(,), b C(, +), obe funkcie sú kladné na svojich intervaloch. Nech Cauchyho úloha (kde t0 (,), x0) má IS x = x(t) na intervale (t, t+) (,). potom:
Dôsledok. Ak a = 1, = +, potom t+ = + Dôkaz. (Tvrdenia). Všimnite si, že x sa monotónne zvyšuje.
Cvičenie. dokázať.
Preto x(t+) = lim x(t) + existuje. Máme prípad 1. t+, x(t+) + - je nemožné pomocou TPK, pretože x je IS.
Oba integrály sú buď konečné alebo nekonečné.
Cvičenie. Pridajte dôkaz.
Zdôvodnenie pre učiteľa. Výsledkom je, že v prípade 3: a(s)ds + a v prípade 4 (ak sa vôbec realizuje) to isté.
Pre najjednoduchšie ODR pre n = 1 tvaru x = f (x) je teda rozšíriteľnosť riešení až určená podobnosťou.
autonómne) rovnice, pozri časť 3.
Príklad. Pre f (x) = x, 1 (najmä lineárny prípad = 1) a f (x) = x ln x možno zaručiť rozšíriteľnosť (kladných) riešení na +. Pre f(x) = x a f(x) = x ln x v 1 sa riešenia „rozložia v konečnom čase“.
Vo všeobecnom prípade je situácia určená mnohými faktormi a nie je taká jednoduchá, ale dôležitosť "rýchlosti rastu f v x" zostáva. Pre n 1 je ťažké sformulovať kritériá rozšíriteľnosti, ale existujú dostatočné podmienky. Spravidla sa ospravedlňujú pomocou tzv. apriórne odhady riešení.
Definícia. Nech h C(,), h 0. Hovorí sa, že pre riešenia nejakej ODR platí AO |x(t)| h(t) na (,), ak akékoľvek riešenie tejto ODR vyhovuje tomuto odhadu v tej časti intervalu (,), kde je definované (t. j. nepredpokladá sa, že riešenia sú nevyhnutne definované na celom intervale (,)) ).
Ukazuje sa však, že prítomnosť AO zaručuje, že riešenia budú stále definované ako celok (,) (a teda vyhovujú odhadu na celom intervale), takže apriórny odhad sa zmení na aposteriorný:
Veta. Nech Cauchyho úloha (1) spĺňa podmienky TK-P a pre jej riešenia existuje AO na intervale (,) s nejakým h C(,), a krivočiary valec (|x| h(t), t (,)) B Potom je HP (1) definovaný na všetkých (,) (a teda spĺňa AO).
Dôkaz. Dokážme, že t+ (t je podobné). Povedzme t+. Uvažujme kompaktnú množinu K = (|x| h(t), t ) B. Pri TPK, ako t t+, bod grafu (t, x(t)) opúšťa K, čo je nemožné kvôli AO.
Na preukázanie rozšírenia riešenia na určitý interval teda stačí formálne odhadnúť riešenie na celom požadovanom intervale.
Analógia: merateľnosť funkcie podľa Lebesguea a formálne hodnotenie integrálu znamená reálnu existenciu integrálu.
Tu je niekoľko príkladov situácií, v ktorých táto logika funguje. Začnime ilustráciou vyššie uvedenej tézy o "rast f v x je dosť pomalý."
Vyhlásenie. Nech B = (,) Rn, f spĺňa podmienky TK-P v B, |f (t, x)| a(t)b(|x|), kde a a b spĺňajú podmienky predchádzajúceho tvrdenia c = 0 a = +. Potom IS problému (1) existuje na (,) pre všetky t0 (,), x0 Rn.
Lemma. Ak a sú spojité, (t0) (t0); pre t t dôkaz. Všimnite si, že v okolí (t0, t0 +): ak (t0) (t0), potom je to okamžite zrejmé, inak (ak (t0) = (t0) = 0) máme (t0) = g(t0, 0 ) (t0), čo opäť dáva to, čo sa vyžaduje.
Predpokladajme teraz, že existuje t1 t0 také, že (t1). Jasným uvažovaním možno nájsť (t1) t2 (t0, t1] také, že (t2) = (t2) a ďalej (t0, t2), ale potom v bode t2 máme =, - rozpor.
g je ľubovoľné a v skutočnosti je potrebné iba C a kdekoľvek =, tam. Ale aby sme si nepreťažili hlavu, uvažujme ako v Leme. Existuje tu prísna nerovnosť, ale nelineárna ODR a existuje aj tzv.
Poznámka pre učiteľa. Nerovnosti tohto druhu ako v Leme sa nazývajú nerovnosti typu Chaplygin (NC). Je ľahké vidieť, že lemma nepotrebovala podmienku jedinečnosti, takže takýto „prísny NP“ platí aj v rámci Peanovej vety. „Neprísne LF“ je zjavne nepravdivé bez jedinečnosti, keďže rovnosť je špeciálny prípad neprísnej nerovnosti. Napokon, „nestriktný NP“ je pravdivý v rámci podmienky jedinečnosti, ale môže byť preukázaný len lokálne, pomocou IM.
Dôkaz. (Tvrdenia). Dokážme, že t+ = (t = podobne). Predpokladajme t+, potom tvrdením vyššie |x(t)| + pre t t+, takže môžeme predpokladať, že x = 0 na . Ak dokážeme AO |x| h on ) (lopta je pre pohodlie zatvorená).
Cauchyho problém x(0) = 0 má jedinečný IS x = 0 na R.
Označme dostatočnú podmienku na f, pri ktorej je možné zaručiť existenciu IS na R+ pre všetky dostatočne malé x0 = x(0). Aby to bolo možné, predpokladajme, že (4) má tzv Ljapunovova funkcia, t.j. funkcia V taká, že:
1. VC1(B(0,R));
2. sgnV (x) = sgn|x|;
Skontrolujeme splnenie podmienok A a B:
A. Zvážte Cauchyho problém, kde |x1| R/2. Zostrojme valec B = R B(0, R) - definičný obor funkcie f, kde je ohraničený a triedy C 1 tak, že existuje F = max |f |. Podľa TK-P existuje riešenie (5) definované na intervale (t1 T0, t1 + T0), kde T0 = min(T, R/(2F)). Výberom dostatočne veľkého T možno dosiahnuť T0 = R/(2F). Je dôležité, aby T0 nezáviselo od výberu (t1, x1), za predpokladu, že |x1| R/2.
B. Pokiaľ je riešenie (5) definované a zostáva v guli B(0, R), môžeme uviesť nasledujúci argument. Máme:
V(x(t)) = f(x(t)) V(x(t)) 0, t.j. V(x(t)) V(x1) M (r) = max V (y). Je jasné, že m a M neklesajú; r sú nespojité pri nule, m(0) = M (0) = 0 a mimo nuly sú kladné. Preto existuje R° také, že M(R)m(R/2). Ak |x1| R, potom V(x(t)) V(x1) M(R)m(R/2), odkiaľ |x(t)| R/2. Všimnite si, že R R/2.
Teraz môžeme sformulovať vetu, ktorá zo Secs. A,B odvodzuje globálnu existenciu riešení (4):
Veta. Ak (4) má Lyapunovovu funkciu v B(0, R), potom pre všetky x0 B(0, R) (kde R je definované vyššie) IS Cauchyho problému x(t0) = x0 pre systém (4) (s ľubovoľným t0) definovaným na +.
Dôkaz. Podľa položky A je možné riešenie zostrojiť na , kde t1 = t0 + T0 /2. Toto riešenie leží v B(0, R) a aplikujeme naň položku B, takže |x(t1)| R/2. Opäť aplikujeme položku A a získame riešenie na , kde t2 = t1 + T0/2, t.j. teraz je riešenie postavené na . Na toto riešenie aplikujeme položku B a získame |x(t2)| R/2 atď. V spočítateľnom počte krokov získame riešenie v § 5. Závislosť riešení ODR na Uvažujme Cauchyho úlohu, kde Rk. Ak pre niektoré t0(), x0() má tento Cauchyho problém IS, potom je to x(t,). Vynára sa otázka: ako študovať závislosť x na? Táto otázka je dôležitá kvôli rôznym aplikáciám (a vyvstane najmä v časti 3), z ktorých jednou (aj keď možno nie najdôležitejšou) je približné riešenie ODR.
Príklad. Zoberme si Cauchyho problém, ktorého IS existuje a je jedinečný, ako vyplýva z TK-P, ale nie je možné ho vyjadriť elementárnymi funkciami. Ako potom skúmať jeho vlastnosti? Jeden zo spôsobov je nasledovný: všimnite si, že (2) je „blízko“ problému y = y, y(0) = 1, ktorého riešenie sa dá ľahko nájsť: y(t) = et. Môžeme predpokladať, že x(t) y(t) = et. Táto myšlienka je jasne formulovaná takto: uvažujme problém At = 1/100 toto je (2) a pri = 0 je to problém pre y. Ak dokážeme, že x = x(t,) je spojité v (v určitom zmysle), potom dostaneme, že x(t,) y(t) je 0, čo znamená x(t, 1/100) y( t ) = et.
Je pravda, že zostáva nejasné, ako blízko je x k y, ale dokázať, že x je spojité vzhľadom k, je prvým nevyhnutným krokom, bez ktorého nie je možný ďalší pokrok.
Podobne je užitočné študovať závislosť od parametrov v počiatočných údajoch. Ako uvidíme neskôr, táto závislosť sa dá ľahko zredukovať na závislosť od parametra na pravej strane rovnice, takže sa zatiaľ obmedzíme na problém v tvare Nech f C(D), kde D je oblasť v Rn+k+1; f je Lipschitz v x v akejkoľvek kompaktnej množine v D konvexný v x (napríklad C(D) stačí). Opravujeme (t0, x0). Označme M = Rk | (t0, x0,) D je množina prípustných (pre ktoré má problém (4) zmysel). Všimnite si, že M je otvorené. Predpokladáme, že (t0, x0) sú zvolené tak, že M =. Podľa TK-P pre všetky M existuje jediný IS problému (4) - funkcia x = (t,) definovaná na intervale t (t(), t+()).
Presne povedané, keďže to závisí od mnohých premenných, musíme napísať (4) takto:
kde (5)1 je splnené na množine G = ( (t,) | M, t (t (), t+()) ). Rozdiel medzi znakmi d / dt a / t je však čisto psychologický (ich použitie závisí od rovnakého psychologického konceptu "fix"). Množina G je teda prirodzená maximálna množina definície funkcie a otázka kontinuity by sa mala skúmať práve na G.
Potrebujeme pomocný výsledok:
Lemma. (Gronwall). Nech funkcia C, 0 vyhovuje odhadu pre všetky t. Potom pre všetky platí Poznámka pre učiteľa. Pri čítaní prednášky si nemôžete tento vzorec zapamätať vopred, ale nechajte priestor a zadajte ho po skončení.
Ale potom majte tento vzorec na očiach, pretože v ToNZ to bude potrebné.
h = A + B Ah + B, odkiaľ získame to, čo sa požaduje.
Význam tejto lemy: diferenciálna rovnica a nerovnosť, súvislosť medzi nimi, integrálna rovnica a nerovnosť, súvislosť medzi nimi všetkými, Gronwallove diferenciálne a integrálne lemy a súvislosť medzi nimi.
Komentujte. Túto lemu je možné dokázať za všeobecnejších predpokladov o, A a B, ale zatiaľ to nepotrebujeme, ale urobíme to v kurze UMF (takže je ľahké vidieť, že sme nepoužili spojitosť A a B atď.).
Teraz sme pripravení jasne uviesť výsledok:
Veta. (ToNS) Podľa predpokladov o f a vo vyššie uvedenom zápise môžeme tvrdiť, že G je otvorené, ale C(G).
Komentujte. Je jasné, že množina M nie je vo všeobecnosti zapojená, takže nemusí byť zapojená ani G.
Poznámka pre učiteľa. Ak by sme však do počtu parametrov zahrnuli (t0, x0), spojenie by bolo - to sa robí v .
Dôkaz. Nech (t,) G. Je potrebné dokázať, že:
Pre istotu nech t t0. Máme: M, takže (t,) je definované na (t(), t+()) t, t0, čo znamená, že na nejakom segmente takom, že t bod (t, (t,),) prechádza cez kompaktná krivka D (rovnobežná s nadrovinami ( = 0)). To znamená, že zostavu formulára Definícia musíte mať stále na očiach!
existuje aj kompaktná množina v D pre dostatočne malé a a b (konvexné v x), takže funkcia f je Lipschitzova v x:
[Toto hodnotenie musíte mať neustále na očiach! ] a je rovnomerne spojitá vo všetkých premenných a ešte viac |f (t, x, 1)f (t, x, 2)| (|12|), (t, x, 1), (t, x, 2).
[Toto hodnotenie musíte mať neustále na očiach! ] Uvažujme ľubovoľnú 1 takú, že |1 | b a zodpovedajúce riešenie (t, 1). Množina ( = 1) je kompaktná v D ( = 1) a pre t = t0 bod (t, (t, 1), 1) = (t0, x0, 1) = (t0, (t0,), 1) ( = 1) a podľa TPK pre t t+(1) bod (t, (t, 1), 1) opúšťa ( = 1). Nech t2 t0 (t2 t+(1)) je úplne prvá hodnota, pri ktorej spomínaný bod dosiahne.
Konštrukciou t2 (t0, t1]. Našou úlohou je ukázať, že t2 = t1 pod dodatočnými obmedzeniami. Teraz t3 . Máme (pre všetky takéto t3 sú všetky množstvá použité nižšie definované konštrukciou):
(t3, 1)(t3,) = f (t, (t, 1), 1)f (t, (t,),) dt, Pokúsme sa dokázať, že táto hodnota je v absolútnej hodnote menšia ako a.
kde sa integrand hodnotí takto:
±f (t, (t,),), namiesto ±f (t, (t,),), pretože rozdiel |(t, 1) (t,)| len zatiaľ neexistuje žiadny odhad, takže (t, (t, 1),) je nejasné, ale pre |1 | existuje a (t, (t,), 1) je známy.
takže |(t3, 1)(t3,)| K|(t, 1)(t,)|+(|1|) dt.
Teda funkcia (t3) = |(t3, 1) (t3,)| (toto je spojitá funkcia) spĺňa podmienky Gronwallovej lemy s A(s) K 0, B(s) (|1 |), T = t2, = 0, takže touto lemou dostaneme [Tento odhad treba dodržať vždy na mysli! ] ak vezmeme |1 | 1(tl). Budeme predpokladať, že 1(t1) b. Všetky naše úvahy sú správne pre všetky t3.
Takže pri takejto voľbe 1, keď t3 = t2, stále platí |(t2, 1) (t2,)| a, ako aj |1 | b. Preto (t2, (t2, 1), 1) je možné len vďaka tomu, že t2 = t1. To však znamená najmä, že (t, 1) je definované na celom intervale , t.j. t1 t+(1), a všetkých bodoch tvaru (t, 1) G ak t , |1 | 1(tl).
To znamená, že hoci t+ závisí od, ale segment zostáva naľavo od t+() v dostatočnej blízkosti k. Na obrázku Podobne pri t t0 je znázornená existencia čísel t4 t0 a 2(t4). Ak t t0, potom bod (t,) B(, 1) G, podobne pre t t0, a ak t = t0, potom platia oba prípady, takže (t0,) B(, 3) G, kde 3 = min (12). Je dôležité, že pre pevné (t,) je možné nájsť t1(t,) tak, že t1 t 0 (alebo t4, v tomto poradí) a 1(t1) = 1(t,) 0 (alebo 2, v tomto poradí), aby bola jasná voľba 0 = 0(t,) (keďže do výsledného valcového okolia možno vpísať guľu).
v skutočnosti bola dokázaná jemnejšia vlastnosť: ak je IS definovaný na určitom intervale, potom sú na ňom definované všetky IS s dostatočne blízkymi parametrami (t.j.
všetky mierne narušené HP). Avšak a naopak, táto vlastnosť vyplýva z otvorenosti G, ako bude ukázané nižšie, takže ide o ekvivalentné formulácie.
Tým sme dokázali bod 1.
Ak sa nachádzame v zadanom valci v priestore, potom odhad platí pre |1 | 4(, t,). Súčasne |(t3,) (t,)| pre |t3 t| 5(, t,) z dôvodu kontinuity v t. Výsledkom je, že pre (t3, 1) B((t,),) máme |(t3, 1) (t,)|, kde = min(4, 5). Toto je bod 2.
„Ministerstvo školstva a vedy Ruskej federácie Federálna štátna rozpočtová vzdelávacia inštitúcia vyššieho odborného vzdelávania ŠTÁTNA UNIVERZITA MANAGEMENTU Inštitút prípravy vedeckého, pedagogického a vedeckého personálu PROGRAM VSTUPNÝCH SKÚŠOK V ŠPECIÁLNEJ DISCIPLÍNE SOCIOLÓGIA MANAŽMENTU MOSKVA - 2014 MOSKVA. ORGANIZAČNÉ A METODICKÉ POKYNY prijímacie skúšky na vysokú školu v ... "
« Štátna univerzita Amur Katedra psychológie a pedagogiky VZDELÁVACÍ A METODICKÝ KOMPLEX DISCIPLÍNA KONZULTATÍVNA PSYCHOLÓGIA Hlavný vzdelávací program v smere bakalárskeho štúdia 030300.62 Psychológia Blagoveshchensk 2012 UMKd vypracovaný Zvážil a odporučil na stretnutí Katedry psychológie Pedagogiky
"automobilový priemysel) Omsk - 2009 3 Federálna agentúra pre vzdelávanie GOU VPO Sibírska štátna automobilová a cestná akadémia (SibADI) Katedra strojárskej pedagogiky METODICKÉ POKYNY pre štúdium odboru Pedagogické technológie pre študentov odboru 050501 - Odborný výcvik (automobily a automobilový priemysel . ."
"Učebnica série G.S. Rozenberg, F.N. Ryansky TEORETICKÁ A APLIKOVANÁ EKOLÓGIA Učebnica odporúčaná Pedagogicko-metodickou asociáciou pre klasické vysokoškolské vzdelávanie Ruskej federácie ako učebnica pre študentov vysokých škôl vzdelávacie inštitúcie v environmentálnych odboroch 2. vydanie Nižnevartovské vydavateľstvo Pedagogického inštitútu Nižnevartov 2005 LBC 28.080.1ya73 P64 Recenzenti: Dr. Biol. vied, profesor V.I. Popchenko (Inštitút ekológie...»
“MINISTERSTVO ŠKOLSTVA A VEDY RUSKEJ FEDERÁCIE federálna štátna rozpočtová vzdelávacia inštitúcia vyššieho odborného vzdelávania KRASNOYARSKÁ ŠTÁTNA PEDAGOGICKÁ UNIVERZITA pomenovaná po. V.P. Astafieva E.M. Antipova MALÝ WORKSHOP Z BOTANIKY Elektronické vydanie KRASNOYARSK 2013 LBC 28,5 A 721 Recenzenti: Vasiliev A.N. V.P. Astafiev; Yamskikh G.Yu., doktor geologických vied, profesor Sibírskej federálnej univerzity Treťjakova I.N., doktor biologických vied, profesor, vedúci pracovník Lesníckeho inštitútu...»
„Ministerstvo školstva a vedy Ruskej federácie Federálna štátna vzdelávacia rozpočtová inštitúcia vyššieho odborného vzdelávania Amurská štátna univerzita Katedra psychológie a pedagogiky VZDELÁVACÍ A METODICKÝ KOMPLEX DISCIPLÍNY ZÁKLAD PEDIATRIE A HYGIENY Hlavný vzdelávací program v smere výcviku 050400.62 Psychologické a pedagogické vzdelanie Blagoveshchensk 2012 1 UMKd vyvinuté Revidované a odporúčané na stretnutí Katedry psychológie a ... “
«kontrolné úlohy s podrobnou odpoveďou Štátna (záverečná) certifikácia absolventov deviateho ročníka všeobecnovzdelávacích inštitúcií (v novej podobe) 2013 GEOGRAFIA Moskva 2013 Zostavila: Ambartsumova E.M. Zvýšenie objektivity výsledkov štátnej (záverečnej) atestácie absolventov 9. ročníka všeobecnovzdelávacích inštitúcií (v ... “
„Praktické odporúčania k využívaniu referenčného, informačného a metodického obsahu na vyučovanie ruského jazyka ako štátneho jazyka Ruskej federácie. Praktické odporúčania sú určené učiteľom ruštiny (aj ako cudzieho jazyka). Obsah: Praktické rady a usmernenia pre výber 1. obsahu materiálu na školenie a vzdelávacie aktivity venovaný problémom fungovania ruského jazyka as štátny jazyk...»
«EVMURYUKINA ROZVOJ KRITICKÉHO MYSLENIA A MEDIÁLNEJ KOMPETENCIE ŠTUDENTOV V PROCESE ANALÝZY TLAČE učebnica pre vysoké školy Taganrog 2008 2 Muryukina Ye.V. Rozvoj kritického myslenia a mediálnej kompetencie študentov v procese analýzy tlače. Učebnica pre vysoké školy. Taganrog: NP Centrum rozvoja osobnosti, 2008. 298 s. Učebnica sa zaoberá rozvojom kritického myslenia a mediálnej kompetencie žiakov v procese mediálnej výchovy. Pretože dnešná tlač...“
"O. P. Golovčenko O FORMOVANÍ POHYBOVEJ ČINNOSTI ČLOVEKA II. časť PEDAGOGIKA A POHYBOVÉ ČINNOSTI 3 Vzdelávacie vydanie Oleg Petrovič Golovčenko FORMOVANIE POHYBOVEJ ČINNOSTI ČLOVEKA Výukový program II. časť Pedagogika pohybovej činnosti Druhé vydanie, opravené *** Editor N.I. Usporiadanie počítača Kosenkova vyrobili D.V. Smolyak a S.V. Potapova *** Podpísané na zverejnenie 23.11. Formát 60 x 90/1/16. Písací papier Časy náhlavnej súpravy Prevádzková metóda tlače Usl. p.l...."
«ŠTÁTNA VZDELÁVACIA INŠTITÚCIA VYSOKÉHO ODBORNÉHO VZDELÁVANIA Kazanská štátna univerzita pomenovaná po V.I. IN AND. ULYANOVA-LENINA Elektronické knižnice vedeckých a vzdelávacích zdrojov. Učebná pomôcka Abrosimov A.G. Lazareva Yu.I. Kazaň 2008 Elektronické knižnice vedeckých a vzdelávacích zdrojov. Učebná pomôcka v smere Elektronika vzdelávacie zdroje. - Kazaň: KSU, 2008. Vzdelávacia a metodická príručka sa vydáva rozhodnutím ... "
“MINISTERSTVO ŠKOLSTVA RUSKEJ FEDERÁCIE Štátna vzdelávacia inštitúcia vyššieho odborného vzdelávania Orenburgská štátna univerzita Akbulak pobočka Katedra pedagogiky V.A. TETSKOVA METODIKA VÝUČBY VÝTVARNEJ VÝUBY NA ZÁKLADNEJ ŠKOLE VŠEOBECNEJ ŠKOLY METODICKÉ POKYNY Odporúčané na vydanie Edičná a vydavateľská rada Št. vzdelávacia inštitúcia vyššie odborné vzdelanieŠtátna univerzita v Orenburgu...»
MINISTERSTVO ŠKOLSTVA A VEDY RUSKEJ FEDERÁCIE Dzhegutanova DETSKÁ LITERATÚRA KRAJÍN ŠTUDIJNÉHO JAZYKOVÉHO VZDELÁVACIEHO A METODICKÉHO KOMPLEXU Stavropol 2010 1 Vydané rozhodnutím MDT 82.0 redakčnej a vydavateľskej rady LBC 83,3 (0) GOU VPO Stavropol Oponenti Štátny pedagogický ústav: ... "
„PREDPISY o novom systéme vnútroškolského hodnotenia kvality vzdelávania Stredná škola MBOU Kamyshinskaya 1. Všeobecné ustanovenia 1.1. Vyhláška o vnútroškolskom systéme hodnotenia kvality vzdelávania (ďalej - vyhláška) ustanovuje jednotné požiadavky na implementáciu vnútroškolského systému hodnotenia kvality vzdelávania (ďalej len - SSEKO) v rozpočte obce vzdelávacia inštitúcia Kamyshinskaya stred stredná škola(ďalej len škola). 1.2. Praktická realizácia SSOKO je postavená v súlade s ... “
“MINISTERSTVO ZDRAVOTNÍCTVA REPUBLIKY UZBEKISTAN TAŠKENT LEKÁRSKA AKADÉMIA ODDELENIE VL S KLINICKOU ALERGOLÓGIOU SCHVÁLENÉ prorektorom pre študijné záležitosti prof. O.R. Teshaev _ 2012 ODPORÚČANIA PRE ROZVOJ VZDELÁVACIEHO A METODICKÉHO ROZVOJA PRE PRAKTICKÉ HODINY NA JEDNOTNOM METODICKOM SYSTÉME Smernice pre učiteľov lekárske univerzity Taškent- 2012 MINISTERSTVO ZDRAVOTNÍCTVA REPUBLIKY UZBEKISTAN CENTRUM PRE ROZVOJ LEKÁRSKEHO VZDELÁVANIA TAŠKENT MEDICAL...»
„Federálna agentúra pre vzdelávanie Štátna univerzita Gorno-Altaj A.P. Makoshev POLITICKÁ GEOGRAFIA A GEOPOLITIKA Vzdelávacia a metodická príručka Gorno-Altaisk RIO Štátna univerzita Gorno-Altaj 2006 Vydané rozhodnutím Redakčnej a vydavateľskej rady Štátnej univerzity Gorno-Altaj štátna univerzita Makoshev A.P. POLITICKÁ GEOGRAFIA A GEOPOLITIKA. Učebná pomôcka. - Gorno-Altajsk: RIO GAGU, 2006.-103 s. Výchovno-metodická príručka bola vypracovaná podľa vzdelávacích ... “
„A.V. Novitskaya, L.I. Nikolaeva ŠKOLA BUDÚCNOSTI MODERNÝ VZDELÁVACÍ PROGRAM ETAPY ŽIVOTNEJ TRIEDY 1 METODICKÁ PRÍRUČKA PRE UČITEĽOV ZÁKLADNÝCH ŠKOL Moskva 2009 MDT 371(075,8) LBC 74,00 N 68 Autorské práva sú chránené zákonom, odkaz na autorov je povinný. Novitskaya A.V., Nikolaeva L.I. H 68 Moderné vzdelávací programŽivotné kroky. – M.: Avvallon, 2009. – 176 s. ISBN 978 5 94989 141 4 Táto brožúra je určená predovšetkým pedagógom, ale určite svojimi informáciami...“
« Výchovno-metodický komplex RUSKÉ OBCHODNÉ PRÁVO 030500 - Právna veda Moskva 2013 Autor - zostavovateľ Katedry občianskoprávnych disciplín Recenzent - Vzdelávací a metodický komplex bol posúdený a schválený na zasadnutí Katedry občianskoprávnych disciplín protokol č. _2013. Ruské obchodné právo: vzdelávacie a metodické ... “
"ALE. A. Jamaškin V. V. Ruženkov Al. A. Yamashkin GEOGRAFIA MORDOVSKEJ REPUBLIKY Učebnica SARANSKÉ VYDAVATEĽSTVO MORDOVSKEJ UNIVERZITY 2004 MDT 91 (075) (470 345) LBC D9(2P351–6Mo) Ya549 Recenzenti: Katedra fyzickej geografie, Pagogická univerzita Voronezh doktor geografie profesor A. M. Nosonov; učiteľ školského komplexu č. 39 Saransk A. V. Leontiev Zverejnené rozhodnutím pedagogickej a metodickej rady fakulty preduniverzitného a stredného ... "
|
|
MINISTERSTVO ŠKOLSTVA A VEDY RUSKEJ FEDERÁCIE NÁRODNÝ VÝSKUM JADROVÁ UNIVERZITA "MEPHI" T. I. Bucharova, V. L. Kamynin, A. B. Kostin, D. S. Tkachenko Kurz prednášok z obyčajných diferenciálnych rovníc ako učebná pomôcka pre študentov vysokých škôl Moskva 2 Priebeh prednášok o obyčajnom diferenciálne rovnice : Návod. - M.: NRNU MEPhI, 2011. - 228 s. Učebnica vznikla na základe kurzu prednášok autorov na Moskovskom inštitúte inžinierskej fyziky dlhé roky. Je určený pre študentov Národnej výskumnej jadrovej univerzity MEPhI všetkých fakúlt, ako aj pre študentov vysokých škôl s pokročilou matematickou prípravou. Manuál bol vypracovaný v rámci Programu tvorby a rozvoja NRJU MEPhI. Recenzent: doktor fyz.-mat. Sciences N.A. Kudrjašov. ISBN 978-5-7262-1400-9 © Národná výskumná jadrová univerzita MEPhI, 2011 Obsah Predhovor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 I. Úvod do teórie obyčajných diferenciálnych rovníc Základné pojmy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cauchyho problém. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 6 11 II. Existencia a jedinečnosť riešenia Cauchyho úlohy pre rovnicu prvého rádu Veta o jedinečnosti pre OLE prvého rádu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . Existencia riešenia Cauchyho problému pre OLE prvého rádu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pokračovanie riešenia pre ODR prvého rádu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III. Cauchyho úloha pre normálny systém n-tého rádu Základné pojmy a niektoré pomocné vlastnosti vektorových funkcií. . . . Jedinečnosť riešenia Cauchyho úlohy pre normálny systém. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ; . Koncept metrického priestoru. Princíp kompresných zobrazení. . . . . . Vety o existencii a jedinečnosti na riešenie Cauchyho úlohy pre normálne systémy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 14 23 34 38 38 43 44 48 IV. Niektoré triedy obyčajných diferenciálnych rovníc riešených v kvadratúrnej rovnici so separovateľnými premennými. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lineárne OÄC prvého rádu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Homogénne rovnice. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bernoulliho rovnica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rovnica v totálnych diferenciáloch. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 55 58 63 64 65 V. 67 Rovnice prvého rádu neriešené vzhľadom na deriváciu Veta o existencii a jednoznačnosti pre riešenie ODR neriešená vzhľadom na deriváciu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Špeciálne riešenie. Diskriminačná krivka. obálka. . . . . . . . . . . . . . . . Metóda zavedenia parametrov. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lagrangeova rovnica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Clairautova rovnica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VI. Lineárne systémy ODR Základné pojmy. Veta o existencii a jedinečnosti na riešenie úlohy Homogénne systémy lineárnych ODR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vronského determinant. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Komplexné riešenia homogénneho systému. Prechod na skutočné dsf. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nehomogénne systémy lineárnych ODR. Metóda variácie konštánt. . . . . Homogénne systémy lineárnych ODR s konštantnými koeficientmi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Exponenciálna funkcia matice. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 67 70 77 79 81 85 Cauchy 85 . . . 87. . . 91. . . . . . 96 97 . . . 100 . . . 111 Nehomogénne systémy lineárnych ODR s konštantnými koeficientmi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 VII. Lineárne ODR vysokého rádu Redukcia na systém lineárnych ODR. Veta o existencii a jedinečnosti na riešenie Cauchyho úlohy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Homogénna lineárna ODR vysokého rádu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vlastnosti komplexných riešení homogénnej lineárnej ODR vyššieho rádu. Prechod od komplexného ÔSR k reálnemu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nehomogénne lineárne OÄD vysokého rádu. Metóda variácie konštánt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Homogénne lineárne OÄD vysokého rádu s konštantnými koeficientmi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nehomogénna lineárna ODR vysokého rádu s konštantnými koeficientmi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 VIII. Teória udržateľnosti Základné pojmy a definície súvisiace s udržateľnosťou. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stabilita riešení lineárneho systému. . . . . . Ljapunovove vety o stabilite. . . . . . . . . . Stabilita pri prvom priblížení. . . . . . . Správanie fázových trajektórií v blízkosti bodu pokoja 162 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 128 136 139 142 150 162 168 172 182 187 IX. Prvé integrály systémov ODR 198 Prvé integrály autonómnych systémov obyčajných diferenciálnych rovníc198 Neautonómne systémy ODR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205 Symetrický zápis systémov OÄC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 X. Parciálne diferenciálne rovnice prvého rádu Homogénne lineárne parciálne diferenciálne rovnice prvého rádu Cauchyho úloha pre lineárnu parciálnu diferenciálnu rovnicu prvého rádu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kvázilineárne rovnice v parciálnych deriváciách prvého rádu. . . . Cauchyho úloha pre kvázilineárnu parciálnu diferenciálnu rovnicu prvého rádu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bibliografia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . -4-210. . . . . 210 . . . . . 212. . . . . 216. . . . . 223. . . . . 227 PREDSLOV Pri príprave knihy si autori dali za cieľ zhromaždiť na jednom mieste a prezentovať v dostupnej forme informácie o väčšine problémov súvisiacich s teóriou obyčajných diferenciálnych rovníc. Príručka preto okrem materiálu zaradeného do povinného programu kurzu obyčajných diferenciálnych rovníc vyučovaného na NRNU MEPhI (a iných univerzitách) obsahuje aj doplňujúce otázky, na ktoré spravidla nie je dostatok času na prednáškach, ale ktoré budú užitočné pre lepšie pochopenie predmetu a budú užitočné pre súčasných študentov v ich budúcej odbornej činnosti. Pre všetky tvrdenia navrhovaného manuálu sú uvedené matematicky presné dôkazy. Tieto dôkazy spravidla nie sú pôvodné, ale všetky boli revidované v súlade so štýlom prezentácie matematických kurzov na MEPhI. Podľa názoru rozšíreného medzi učiteľmi a vedcami by sa matematické disciplíny mali študovať s úplnými a podrobnými dôkazmi, postupne od jednoduchých k zložitým. Autori tohto návodu sú toho istého názoru. Teoretické informácie uvedené v knihe sú podložené rozborom dostatočného množstva príkladov, ktoré, dúfame, uľahčia čitateľovi štúdium materiálu. Príručka je určená vysokoškolákom s pokročilou matematickou prípravou, predovšetkým študentom Národnej výskumnej jadrovej univerzity MEPhI. Zároveň poslúži aj všetkým, ktorí sa zaujímajú o teóriu diferenciálnych rovníc a vo svojej práci využívajú toto odvetvie matematiky. -5- Kapitola I. Úvod do teórie obyčajných diferenciálnych rovníc 1. 1. Základné pojmy V celom návode ha, bi označujeme ľubovoľnú z množín (a, b), , (a, b], , dostaneme x0 2 Zx ln 4C + 3 u(t)v(t) dt5 Zx v(t) dt.log C 6 x0 x0 Po potencovaní poslednej nerovnosti a aplikácii (2.3) máme 2 x 3 Zx Z u(x) 6 C + u(t)v (t) dt 6 C exp 4 v(t) dt5 x0 x0 pre všetky x 2 [ 1, 1]. , y) 2 G. Teda f spĺňa Lipschitzovu podmienku s L = 1 , v skutočnosti aj s L = sin 1 v y. Derivácia fy0 v bodoch (x, 0) 6= (0, 0) však ani neexistuje.Nasledujúca veta, ktorá je sama o sebe zaujímavá, nám umožňuje dokázať jedinečnosť riešenia Cauchyho úlohy: Veta 2.1 (O odhade pre rozdiel dvoch riešení) Nech G je doména 2 v R a nech f (x, y) 2 C G a splní Lipschitzova podmienka v G o y s konštantou L. Ak y1 , y2 sú dve riešenia rovnice y 0 = f (x, y) na úsečke , potom platí nasledujúca nerovnosť (odhad): jy2 (x) y1 (x)j 6 jy2 (x0) y1 (x0)j exp L(x x0) 6 y1 pre všetky x 2 . -19- y2 Dôkaz. Definíciou 2. 2 riešení rovnice (2.1) dostaneme, že 8 x 2 body x, y1 (x) a x, y2 (x) 2 G. Pre všetky t 2 máme správne rovnosti y10 (t) = f t , y1 (t ) a y20 (t) = f t, y2 (t) , ktoré integrujeme vzhľadom na t na segmente , kde x 2 . Integrácia je legálna, pretože pravá a ľavá strana fungujú nepretržite. Získame sústavu rovnosti Zx y1 (x) y1 (x0) = x0 Zx y2 (x) y2 (x0) = f t, y1 (t) dt, f t, y2 (t) dt. x0 Odčítaním jedného od druhého máme jy1 (x) y2 (x) j = y1 (x0) y2 (x0) + Zx h f t, y1 (t) i f t, y2 (t) dt 6 x 0 Zx 6 y1 (x0) y2 ( x0) + f t, y1 (t) f t, y2 (t) dt 6 x 0 Zx 6 y1 (x0) y2 (x0) + L y1 (t) y2 (t) dt. x0 Označme C = y1 (x0) y2 (x0) > 0, v(t) = L > 0, u(t) = y1 (t) j 6 jy2 (x0) y1 (x0)j exp L(x x0) y2 (t) > 0. pre všetky x 2 . Veta bola dokázaná. Ako dôsledok dokázanej vety získame vetu o jednoznačnosti pre riešenie Cauchyho úlohy (2.1), (2.2). Dôsledok 1. Nech funkcia f (x, y) 2 C G a splní Lipschitzovu podmienku v y v G a nech funkcie y1 (x) a y2 (x) sú dve riešenia rovnice (2.1) na rovnakom intervale. s x02. Ak y1 (x0) = y2 (x0), potom y1 (x) y2 (x) na . Dôkaz. Zoberme si dva prípady. -20- 1. Nech x > x0 , potom z vety 2. 1 vyplýva, že h i t.j. y1 (x) y1 (x) y2 (x) 6 0 exp L(x x0) , y2 (x) pre x > x0 . 2. Nech x 6 x0 vykonajte zmenu t = x, potom yi (x) = yi (t) y~i (t) pre i = 1, 2. Keďže x 2 platí t 2 [ x0 , x1 ] a rovnosť y~1 (x0) = y~2 (x0). Poďme zistiť, ktorú rovnicu y~i (t) spĺňa. Platí nasledujúci reťazec rovnosti: d y~i (t) = dt d~ yi (x) = dx f x, yi (x) = f (t, y~i (t)) . Tu sme použili pravidlo diferenciácie komplexnej funkcie a skutočnosť, že yi (x) sú riešenia rovnice (2.1). Keďže funkcia f~(t, y) f (t, y) je spojitá a spĺňa Lipschitzovu podmienku vzhľadom na y, potom podľa vety 2.1 máme, že y~1 (t) y~2 (t) na [ x0 , x1 ], t.j. y1 (x) y2 (x) až . Kombináciou oboch uvažovaných prípadov dostaneme tvrdenie o dôsledku. Dôsledok 2. (O spojitej závislosti na počiatočných údajoch) Nech je funkcia f (x, y) 2 C G a splníme v G Lipschitzovu podmienku na y s konštantou L a funkcie y1 (x) a y2 (x) sú riešenia Rovnica (2.1) definovaná na . Označme l = x1 x0 a 5 = y1 (x0) y2 (x0). Potom pre 8 x 2 platí nerovnosť y1 (x) y2 (x) 6 δ eL l. Dôkaz vyplýva bezprostredne z vety 2. 1. Nerovnosť z Dôsledku 2 sa nazýva odhad stability riešenia vzhľadom na počiatočné údaje. Jeho význam spočíva v tom, že ak sú pri x = x0 riešenia „blízko“, potom sú „blízko“ aj na poslednom segmente. Veta 2.1 udáva pre aplikácie dôležitý odhad modulu rozdielu dvoch riešení a Dôsledok 1 udáva jedinečnosť riešenia Cauchyho úlohy (2.1), (2.2). Existujú aj ďalšie dostatočné podmienky na jedinečnosť, jednu z nich teraz uvádzame. Ako sme uviedli vyššie, geometrická jedinečnosť riešenia Cauchyho úlohy znamená, že bodom (x0, y0) oblasti G môže prechádzať najviac jedna integrálna krivka rovnice (2.1). Veta 2.2 (Osgood o jedinečnosti). Nech funkcia f (x, y) 2 C G a pre 8 (x, y1), (x, y2) 2 G nerovnosť f (x, y1) f (x, y2) 6 6 ϕ jy1 y2 j , kde ϕ ( u) > 0 pre u 2 (0, β], ϕ(u) je spojité a Zβ du ! +1, keď ε ! 0+. Potom najviac jedna integrálna krivka (2.1).-21- Dôkaz. existujú dve riešenia y1 (x) a y2 (x) rovnice (2.1), a to tak, že y1 (x0) = y2 (x0) = y0 , označíme z(x) = y2 (x) y1 (x).dyi dx dz = f (x, y2) f (x, y1) jzj 6 ϕ jzj jzj, t.j. Potom z dx 1 d nerovnosť jzj2 6 ϕ jzj jzj, z čoho pre jzj 6= 0 vyplýva, že 2 dx dvojnásobná nerovnosť: Zjz2 j Zx2 dx 6 x1 2 d jzj 6 2 jzjϕ jzj Zx2 dx, (2,5) x1 jz1 j i = 1, 2. Podľa predpokladu z(x) 6 0 a navyše je spojitý, takže taký segment existuje, vyberte ho a opravte. Uvažujme množiny n o X1 = x x< x1 и z(x) = 0 , n o X2 = x x >x2 a z(x) = 0 . Aspoň jedna z týchto množín nie je prázdna, pretože z(x0) = 0 a x0 62 . Nech je napríklad X1 6= ∅, je ohraničený zhora, takže 9 α = sup X1 . Všimnite si, že z(α) = 0, t.j. α 2 X1 , keďže za predpokladu, že z(α) > 0, vďaka spojitosti, budeme mať z(x) > 0 na nejakom intervale α δ1 , α + δ1 , čo je v rozpore s definíciou α = sup X1 . Z podmienky z(α) = 0 vyplýva, že α< x1 . По построению z(x) > 0 pre všetky x 2 (α, x2 ], a keďže z(x) ! 0+ je spojité pre x ! α + 0. Zopakujme si argumenty pri odvodení (2.5), integrujúc cez segment [α + δ, x2 ], kde x2 je zvolené vyššie a pevné a δ 2 (0, x2 α) je ľubovoľné, dostaneme nasledujúcu nerovnosť: Zjz2 j Zx2 dx 6 α+δ d jzj2 6 nerovnosť, máme tendenciu δ ! 0+, potom z(α+δ) ! z(α) = 0, zo Zjz2 j d jzj2 ! +1, podľa podmienky spojitosti z(x), a potom integrál 2 jzjϕ jzj vety jz(α+ δ)j -22 - Pravá strana nerovnosti Rx2 dx = x2 α δ 6 x2 α je ohraničená α + δ zhora konečnou hodnotou, čo je súčasne nemožné, že Cauchyho problém (2.1), (2.2) chápeme takto problém nájdenia funkcie y(x): 0 y = f (x, y), (x, y) 2 G, y(x0) = y0 , (x0 , y0 ) 2 G, kde f (x, y) 2 C G a (x0 , y0) 2 G, G je definičný obor v R2 Lema 2. 2. Nech f (x, y) 2 C G Potom platia nasledujúce tvrdenia: 1 ) ľubovoľná re riešenie ϕ(x) rovnice (2.1) na intervale ha, bi vyhovuje (2.2) x0 2 ha, bi je riešenie na ha, bi integrálnej rovnice Zx y(x) = y0 + f τ, y( τ) dτ; (2.6) x0 2) ak ϕ(x) 2 C ha, bi je riešením integrálnej rovnice (2.6) na ha, bi, 1 kde x0 2 ha, bi, potom ϕ(x) 2 C ha, bi a je roztok (2.1), (2.2). Dôkaz. 1. Nech ϕ(x) je riešenie (2.1), (2.2) na ha, bi. Potom poznámkou 2.2 ϕ(x) 2 C ha, bi a 8 τ 2 ha, bi máme rovnosť ϕ 0 (τ) = f τ, ϕ(τ) , integráciou ktorých z x0 na x dostaneme ( pre ľubovoľné x 2 ha bi) Rx ϕ(x) ϕ(x0) = f τ, ϕ(τ) dτ a ϕ(x0) = y0, t.j. ϕ(x) je riešenie (2.6). x0 2. Nech y = ϕ(x) 2 C ha, bi je riešením (2.6). Pretože f x, ϕ(x) je spojité na ha, bi podľa predpokladu, potom Zx ϕ(x) y0 + f τ, ϕ(τ) dτ 2 C 1 ha, bi x0 ako integrál s premennou hornou hranicou spojitého funkciu. Derivovaním poslednej rovnosti vzhľadom na x dostaneme ϕ 0 (x) = f x, ϕ (x) 8 x 2 ha, bi a samozrejme ϕ(x0) = y0 , t.j. ϕ(x) je riešením Cauchyho úlohy (2.1), (2.2). (Ako obvykle, deriváciou na konci segmentu sa rozumie zodpovedajúca jednostranná derivácia.) -23- Poznámka 2. 6. Lema 2. 2 sa nazýva lemma o ekvivalencii Cauchyho problému (2.1) , (2.2) na integrálnu rovnicu (2.6). Ak dokážeme, že riešenie rovnice (2.6) existuje, získame riešiteľnosť Cauchyho úlohy (2.1), (2.2). Tento plán je implementovaný v nasledujúcej vete. Veta 2.3 (Veta o lokálnej existencii). Nech obdĺžnik P = (x, y) 2 R2: jx x0 j 6 α, jy y0 j 6 β leží celý v oblasti G funkcie f (x, y). Funkcia f (x, y) 2 C G a spĺňa Lipschitzovu podmienku pre n y ov G s konštantou L. Označme β M = max f (x, y) , h = min α, M . Potom existuje riešenie Cauchyho úlohy (2.1), (2.2) na intervale P. Dôkaz. Stanovme existenciu riešenia integrálnej rovnice (2.6) na intervale. Za týmto účelom zvážte nasledujúcu postupnosť funkcií: Zx y0 (x) = y0 , y1 (x) = y0 + f τ, y0 (τ) dτ, ... x0 Zx yn (x) = y0 + f τ, yn 1 (τ ) dτ atď. x0 1. Ukážme, že je definovaných 8 n 2 N funkcií yn (postupných aproximácií), t.j. ukážme, že pre 8 x 2 platí nerovnosť yn (x) y0 6 β pre všetky n = 1, 2, . . . Používame metódu matematickej indukcie (MMI): a) indukčná báza: n = 1. Zx y1 (x) y0 = f τ, y0 (τ) dτ 6 M0 x x0 6 M h 6 β, x0 kde M0 = max. f (x, y0) pre jx x 0 j6a, M06M; b) predpoklad a krok indukcie. Nech platí nerovnosť pre yn 1 (x), dokážme ju pre yn (x): Zx yn (x) y0 = f τ, yn 1 (τ) dτ 6 M x x0 Ak teda jx x0 j 6 h , potom yn (x) y0 6 β 8 n 2 N. -24- x0 6 M h 6 β. Naším cieľom je dokázať konvergenciu najbližšieho 1 následníka yk (x) k=0 , preto je vhodné ju znázorniť ako: yn = y0 + n X yk 1 (x) = y0 + y1 yk (x) y0 + y2 y1 + . . . + yn yn 1, k=1 t.j. postupnosti čiastkových súčtov funkčného radu. 2. Odhadnite členy tohto radu dokázaním nasledujúcich nerovností 8 n 2 N a 8 x 2 : x0 jn yn (x) yn 1 6 M0 L 6 M0 Ln n! Aplikujme metódu matematickej indukcie: jx n 1 1 hn . n! (2.7) a) indukčný základ: n = 1. y1 (x) x y 0 6 M0 x0 6 M0 h, dokázané vyššie; b) predpoklad a krok indukcie. Nech platí nerovnosť pre n, povedzme to pre n: Zx yn (x) yn 1 f τ, yn 1 (τ) = f τ, yn 2 (τ) 1, do dτ 6 x0 Zx i yn 6 by Lipschitzova podmienka 6 L h yn 1 2 dτ 6 x0 h Zx i 6 podľa indukčnej hypotézy 6 L n 2 M0 L jτ x0 jn 1 dτ = (n 1)! x0 M0 Ln 1 = (n 1)! Zx jτ n 1 x0 j M0 Ln 1 jx x0 jn M0 L n 6 dτ = (n 1)! n n! 1 x0 Rx Tu sme využili fakt, že integrál I = jτ x0 pre x > x0 pre x< x0 Rx I = (τ x0 Rx I = (x0 n 1 x0) τ)n 1 dτ = dτ = x0 (x (x0 x)n n Таким образом, неравенства (2.7) доказаны. -25- x0)n и n = jx x0 jn . n x0 jn 1 dτ : hn . 3. Рассмотрим тождество yn = y0 + ним функциональный ряд: y0 + 1 P n P yk (x) yk 1 (x) и связанный с k=1 yk 1 (x) . Частичные суммы это- yk (x) k=1 го ряда равны yn (x), поэтому, доказав его сходимость, получим сходимость 1 последовательности yk (x) k=0 . В силу неравенств (2.7) функциональный ряд мажорируется на отрезке k 1 P k 1 h числовым рядом M0 L . Этот číselný rad konverguje k! k=1 podľa d'Alembertovho kritéria, pretože M0 Lk hk+1 k! ak+1 = ak(k + 1)! M0 L k 1 hk = h L ! 0, k+1 tis. 1. Potom podľa Weierstrassovho testu rovnomernej konvergencie funkčná postupnosť 1 P y0 + yk (x) yk 1 (x) konverguje absolútne a rovnomerne na intervale k=1 ke , teda funkčná postupnosť 1 yk (x ) k=0 konverguje rovnomerne na intervale k nejakej funkcii ϕ(x), a keďže yn (x) 2 C , z toho vyplýva, že ϕ(x) 2 C ako limita rovnomerne konvergentnej postupnosti spojitých funkcií. 4. Zvážte definíciu yn (x): Zx yn (x) = y0 + f τ, yn 1 (τ) dτ (2.8) x0 je skutočná rovnosť pre všetky n 2 N a x 2 . Ľavá strana rovnosti (2.8) má limitu ako n ! 1, keďže yn (x) ⇒ ϕ(x) na , a teda pravá strana (2.8) má tiež limit Rx (rovnaký). Ukážme, že sa rovná funkcii y0 + f τ, ϕ(τ) dτ , x0 pomocou nasledujúceho kritéria pre rovnomernú konvergenciu funkčnej postupnosti: X yn (x) ⇒ ϕ(x) pre n ! 1 () sup yn (x) y (x) ! 0 za n! jeden . x2X X Pripomeňme, že označenie yn (x) ⇒ ϕ(x) pre n ! 1 sa zvyčajne používa na rovnomernú konvergenciu na množine X funkčnej postupnosti 1 funkcie yk (x) k=0 k funkcii ϕ(x). -26- Ukážme, že y0 + Rx X f τ, yn 1 (τ) dτ ⇒ y0 + x0 tu X = . Za týmto účelom uvažujme f τ, yn 1 (τ) f τ, ϕ(τ) dτ 6 x2X x0 Zx h i yn 1 (τ) 6 podľa Lipschitzovej podmienky 6 sup L ϕ(τ) dτ 6 x2X x0 6 L h sup yn 1 (τ) ϕ(τ) ! 0 za n! 1 τ 2X X 1 konvergencia yn (x) ⇒ ϕ(x). Ak teda prejdeme na limitu v (2.8), dostaneme pre všetky x 2 správnu rovnosť Zx ϕ(x) = y0 + f τ, ϕ(τ) dτ, x0, v ktorých ϕ(x) 2 C . Podľa lemmy 2.2 dokázanej vyššie je ϕ(x) riešením Cauchyho problému (2.1), (2.2). Veta bola dokázaná. Poznámka 2. 7. Veta 2. 3 stanovuje existenciu riešenia na intervale . Dôsledkom 1 vety 2.1 je toto riešenie jedinečné v tom zmysle, že žiadne iné riešenie Cauchyho úlohy (2.1), (2.2) definované sa s ním na tomto intervale nezhoduje. Poznámka 2. 8. Znázornite obdĺžnik P ako spojenie dvoch (pretínajúcich sa) obdĺžnikov P = P [ P + , (obr. 2. 3) kde n P = (x, y) n P = (x, y) + x 2; x2; -27- jy jy o y0 j 6 β, o y0 j 6 β. Ryža. 2. 3. Zjednotenie obdĺžnikov Nech f (x, y . M − = max − f (x, y , M + = max + P P ) získame existenciu (a jednoznačnosť) riešenia na úsečke n o β + + , kde h = min α, M + alebo na , n o β − Všimnite si, že v tomto prípade, všeobecne povedané, h+ 6= h− a hh = min α, M − z vety 2. 3 je minimum h+ a h− . Poznámka 2. 9. Existenciu riešenia úlohy (2.1), (2.2) zaručuje Veta 2.3 len na nejakom intervale . V takom prípade sa hovorí, že teorém je lokálny. Vynára sa otázka: nie je lokálny charakter vety 2.3 dôsledkom použitej metódy jeho dokazovania? Snáď inou metódou dôkazu je možné zistiť existenciu riešenia na celom intervale , t.j. globálne, ako to bolo s vlastnosťou jedinečnosti riešenia Cauchyho úlohy (2.1), (2.2)? Nasledujúci príklad ukazuje, že lokálny charakter vety 2.3 súvisí s „podstatou“ problému, a nie s metódou jeho dôkazu. Príklad 2. 1. Uvažujme Cauchyho úlohu 0 y = −y 2 , (2.9) y(0) = 1 n o v obdĺžniku P = (x, y) jxj 6 2, jy − 1j 6 1 . Funkcia f (x, y) = −y 2 je spojitá v P a fy0 = −2y 2 C P , takže sú splnené všetky podmienky Theo1 β , α = a Veta 2. 3 a M = max f (x, y) = 4. Potom h = min P P M 4 -28- Veta 2. 3 zaručuje existenciu riešenia na intervale 1 1 . Vyriešme - , 4 4 túto Cauchyho úlohu pomocou "separácie premenných": - dy = dx y2 () y(x) = 1 . x+C 1 je riešením Cauchyho úlohy (2.9). x+1 Graf riešenia je znázornený na obr. (2.4), ktorý ukazuje, že riešenie 1 pre x< x = − покидает прямоугольник P , а при x 6 −1 даже не 2 существует. Подставляя x = 0, найдем C = 1 и y(x) = Рис. 2. 4. Локальный характер разрешимости задачи Коши В связи с этим возникает вопрос об условиях, обеспечивающих существование решения на всем отрезке . На приведенном примере мы видим, что решение покидает прямоугольник P , пересекая его «верхнее» основание, поэтому можно попробовать вместо прямоугольника P в теореме 2. 3 взять полосу: o n 2 A 6 x 6 B − 1 < y < +1 , A, B 2 R. Q = (x, y) 2 R Оказывается, что при этом решение существует на всем отрезке A, B , если f (x, y) удовлетворяет условию Липшица по переменной y в Q. А именно, имеет место следующая важная для приложений теорема. Теорема 2. 4. Пусть функция f (x, y) определена, непрерывна и удовлетворяет условию Липшица по y с константой L в полосе Q = (x, y) 2 R2: A 6 x 6 B, y 2 R , -29- где A, B 2 R. Òогда при любых начальных данных x0 2 , y0 2 R т.е. (x0 y0) 2 Q существует и притом единственное решение задачи Êоши (2.1), (2.2), определенное на всем . Доказательство. Áудем считать, что x0 2 (A, B). Проведем рассуждения по схеме теоремы 2. 3 отдельно для полосы o n + 2 x 2 y 2 R и Q = (x, y) 2 R n Q = (x, y) 2 R2 o x 2 y 2 R . + Если x0 = A или x0 = B, то один из этапов рассуждений (для Q или, соответственно, для Q) отсутствует. + Возьмем полосу Q и построим последовательные приближения yn+ (x), + как в теореме 2. 3. Поскольку Q не содержит ограничений на размер по y, то пункт 1) доказательства теоремы 2. 3 не проверяем. Далее, как в предыдущей теореме, от последовательности переходим к ряду с частичными суммами yn+ (x) = y0 + n X yk+ (x) yk+ 1 (x) , где x 2 . k=1 Повторяя рассуждения, доказываем оценку вида (2.7) x0 jn x0)n n 1 (B 6 M0 L 6 M0 L (2.10) n! n! при всех x 2 ; здесь M0 = max f (x, y0) при x 2 , откуда yn+ (x) yn+ 1 n 1 jx yn+ (x) как и выше в теореме 2. 3 получим, что ⇒ ϕ+ (x), n ! 1, причем ϕ+ (x) 2 C , ϕ+ (x) – решение интегрального уравнения (2.6) на . Возьмем полосу Q и построим последовательность yn (x). Действуя ана логично, получим, что 9 ϕ (x) 2 C , ϕ (x) – решение интегрального уравнения (2.6) на . Определим функцию ϕ(x) как «сшивку» по непрерывности ϕ+ и ϕ , т.е. + ϕ (x), при x 2 , ϕ(x) = ϕ (x), при x 2 . Отметим, что ϕ+ (x0) = ϕ (x0) = y0 и потому ϕ(x) 2 C . Функции ϕ (x) по построению удовлетворяют интегральному уравнению (2.6), т.е. Zx ϕ (x) = y0 + f τ, ϕ (τ) dτ, x0 -30- где x 2 для ϕ+ (x) и x 2 для ϕ (x), соответственно. Следовательно, при любом x 2 функция ϕ(x) удовлетворяет инте 1 гральному уравнению (2.6). Тогда по лемме 2. 2, ϕ(x) 2 C и является решением задачи Коши (2.1), (2.2). Теорема доказана. Из доказанной теоремы 2. 4 нетрудно получить следствие для интервала (A, B) (открытой полосы). Ñледствие. Пусть функция f (x, y) определена, непрерывна в открытой полосе Q = (x, y) 2 R2: x 2 (A, B), y 2 R , причем A и B 2 R могут быть символами 1 и +1 соответственно. Предположим, что f (x, y) удовлетворяет в полосе Q условию: 9 L(x) 2 C(A, B), такая, что 8 x 2 (A, B) и 8 y1 , y2 2 R выполняется неравенство f (x, y2) f (x, y1) 6 L(x) jy2 y1 j. Òогда при любых начальных данных x0 2 (A, B), y0 2 R т.е. (x0 y0) 2 Q существует и притом единственное решение задачи Êоши (2.1), (2.2), определенное на всем (A, B). Доказательство. Для любой полосы Q1 = (x, y) 2 R2: x 2 , y2R , где A1 >A, B1< B, лежащей строго внутри Q и содержащей (x0 , y0), справедлива теорема 2. 4, так как при доказательстве оценок вида (2.10), необходимых для обоснования равномерной на сходимости последовательности yn (x) , используются постоянные M0 = max f (x, y0) при x 2 и L = max L(x) x 2 . Эти постоянные не убывают при расширении (A, B). Возьмем последовательность расширяющихся отрезков , удовлетворяющих условиям B >Bk+1 > Bk pre všetky k2N; 1) A< Ak+1 < Ak , 2) x0 2 при всех k 2 N; 3) Ak ! A, Bk ! B при k ! 1. Заметим сразу, что S = (A, B) и, более того, для любого x 2 (A, B) k найдется номер x 2 . N (x) 2 N, такой, что при всех -31- k >N platí Dokážme toto pomocné tvrdenie pre prípad A, B 2 R (čiže A a B sú konečné; ak A = 1 alebo B =+1, tak podobne). Vezmite x A B x , ľubovoľné x 2 (A, B) a δ(x) = min , δ(x) > 0. O 2 2 číslo δ z konvergencie Ak ! A a Bk! B dostaneme, že 9 N1 (δ) 2 N: 8 k > N1 , A< Ak < A + δ < x, 9 N2 (δ) 2 N: 8 k >N2,x< B δ < Bk < B. Тогда для N = max N1 , N2 справедливо доказываемое свойство. Построим последовательность решений задачи Коши (2.1), (2.2) Yk (x), применяя теорему 2. 4 к соответствующему отрезку . Любые два из этих решений совпадают на общей области определения по следствию 1 из теоремы 2.1. Таким образом, два последовательных решения Yk (x) и Yk+1 (x) совпадают на , но Yk+1 (x) определено на более широком отрезке . Построим решение на всем (A, B). Возьмем и построим ϕ(x) – решение задачи (2.1), (2.2) на всем (по теореме 2. 4). Затем продолжим это решение на , . . . , . . . Получим, что решение ϕ(x) определено на всем (A, B). Докажем его единственность. Предположим, что существует решение ψ(x) задачи Коши (2.1), (2.2), также определенное на всем (A, B). Докажем, что ϕ(x) ψ(x) при любом x 2 (A, B). Пусть x – произвольная точка (A, B), найдется номер N (x) 2 N, такой, что x 2 при всех k >N. Aplikovaním Dôsledku 1 časti 2.1 (t. j. vety o jedinečnosti) dostaneme, že ϕ(t) ψ(t) pre všetky t 2 a najmä pre t = x. Keďže x je ľubovoľný bod v (A, B), je dokázaná jednoznačnosť riešenia a s ním aj dôsledok. Poznámka 2. 10. V práve preukázanom dôsledku sme sa prvýkrát stretli s pojmom rozšírenie riešenia na širšiu množinu. V nasledujúcom odseku sa tomu budeme venovať podrobnejšie. Uveďme niekoľko príkladov. p Príklad 2. 2. Pre rovnicu y 0 = ejxj x2 + y 2 zistite, či jej riešenie celkovo existuje (A, B) = (1, +1). Uvažujme túto rovnicu v „páse“ Q = R2 , funkcia p jxj f (x, y) = e x2 + y 2 ∂f y = ejxj p , fy0 6 ejxj = L(x). ∂y x2 + y 2 Podľa tvrdenia 2.1 z časti 2.1 funkcia f (x, y) spĺňa Lipschitzovu podmienku vzhľadom na y s „konštantou“ L = L(x), x je pevné. Potom sú splnené všetky podmienky následku a pre akýkoľvek počiatočný údaj (x0 , y0) 2 R2 existuje riešenie Cauchyho úlohy a navyše je jedinečné na (1, +1). Všimnite si, že samotná rovnica nemôže byť vyriešená v kvadratúre, ale približné riešenia môžu byť zostrojené numericky. je definovaná a spojitá v Q, -32- Príklad 2. 3. Pre rovnicu y 0 = ex y 2 zistite, či existujú jej riešenia definované na R. Ak túto rovnicu opäť uvažujeme v „páse“ Q = R2 , kde funkcia ∂ f f (x, y)= ex y 2 (x, y1) 6 L(x) jy2 y1 j pre všetky y1 , y2 2 R. Skutočne, f (x, y2) f (x, y1) = ex jy2 + y1 j jy2 y1 j a výraz jy2 + y1 j nie je pre y1 , y2 2 R ohraničený. Dôsledok teda neplatí. Túto rovnicu riešime "separáciou premenných", získame všeobecné riešenie: " y(x) = 0, y(x) = 1 . ex + C Pre definitívnosť vezmite x0 = 0, y0 2 R. Ak y0 = 0, potom y(x ) 0 je riešením Cauchyho úlohy na R. 1 je riešením Cauchyho úlohy, pre y0 2 [ 1, 0) ex je definované pre všetky x 2 R, kým pre y0 2 ( 1, 1) [ (0, +1) riešenie nie je y0 + 1 možno pokračovať cez bod x = ln Presnejšie, ak x > 0, tak y0 1 je definované riešenie y(x) = y0 +1 pre x 2 (1, x), a ak x< 0 x e y0 y0 < 1 , то решение определено при x 2 (x , +1). В первом случае lim y(x) = +1, а во втором – lim y(x) = 1. Если y0 6= 0, то y(x) = x!x 0 y0 +1 y0 x!x +0 -33- Для наглядности нарисуем интегральные кривые при соответствующих значениях y0 (рис. 2. 5). Рис. 2. 5. Интегральные кривые уравнения y 0 = ex y 2 Таким образом, для задачи Коши 0 y = ex y 2 , y(0) = y0 имеем следующее: 1) если y0 2 [ 1, 0], то решение существует при всех x 2 R; y0 + 1 2) если y0 < 1, то решение существует лишь при x 2 ln ; +1 ; y0 y0 + 1 . 3) если y0 > 0, potom riešenie existuje len pre x 2 1; ln y0 Tento príklad ukazuje, že obmedzenie rastu funkcie f (x, y) v dôsledku vety 2.4 preukázanej vyššie je nevyhnutné na rozšírenie riešenia na celok (A, B). Podobne sa získajú príklady s funkciou f (x, y) = f1 (x) y 1 + ε pre ľubovoľné ε > 0, vo vyššie uvedenom príklade je ε = 1 brané len na uľahčenie prezentácie. 2. 3. Pokračovanie riešenia ODR prvého rádu Definícia 2. 5. Uvažujme rovnicu y 0 = f (x, y) a nech y(x) je jej riešením na ha, bi a Y (x) jeho riešenie na hA , Bi, kde ha, bi je obsiahnuté v hA, Bi a Y (x) = y(x) na ha, bi. Potom sa Y (x) nazýva rozšírenie riešenia y(x) na hA, Bi, zatiaľ čo y(x) sa nazýva rozšírenie na hA, Bi. -34- V časti 2.2 sme dokázali lokálnu existenčnú vetu pre riešenie Cauchyho úlohy (2.1), (2.2). Za akých podmienok možno toto riešenie predĺžiť na širší interval? Práve tejto otázke je venovaná táto časť. Jeho hlavný výsledok je nasledovný. Veta 2.5 (o pokračovaní riešenia v ohraničenej uzavretej oblasti). Nech funkcia f (x, y) 2 C G a spĺňa Lipschitzovu podmienku vzhľadom na y v R2 a (x0 , y0) je vnútorným bodom ohraničenej uzavretej oblasti G G. Potom riešenie rovnice y 0 = f (x, y) rozšíriteľné až do ∂G hranice G, t.j. môže byť rozšírený na taký segment, že body a, y(a) a b, y(b) ležia na ∂G. ∂f (x, y) je spojité v ohraničenej ∂y uzavretej oblasti G konvexné v y, potom funkcia f (x, y) spĺňa Lipschitzovu podmienku v G vzhľadom na premennú y. Pozri dôsledok tvrdenia 2. 1 ∂f z pododdielu 2.1. Preto bude táto veta pravdivá, ak bude spojitá v ∂y G. Poznámka 2. 11. Pripomeňme, že ak Dôkaz. Pretože (x0 , y0) je vnútorný bod G, potom existuje uzavretý obdĺžnik n o 2 P = (x, y) 2 R x x0 6 α, y y0 6 β , ktorý leží celý v G. Potom podľa vety 2. 3 z n 2.2 existuje h > 0 také, že na intervale existuje (a jednoznačné) riešenie y = ϕ(x) rovnice y 0 = f (x, y). Pokračujme najprv v tomto riešení doprava až k hranici oblasti G, pričom dôkaz rozdeľme na samostatné kroky. 1. Uvažujme množinu E R: n o E = α > 0 riešenie y = ϕ(x) je rozšíriteľné, existuje riešenie y = ϕ1 (x) rovnice y 0 = f (x, y) spĺňajúce Cauchyho podmienky ϕ1 ~b = ϕ ~b. Teda ϕ(x) a ϕ1 (x) sú riešenia na intervale ~b h1 , ~b tej istej rovnice, ktoré sa zhodujú v bode x = ~b, takže sa zhodujú na celom intervale ~b h1, ~b a ϕ1 (x) je teda rozšírením riešenia ϕ(x) zo segmentu ~b h1 , ~b na ~b h1 , ~b + h1 . Uvažujme funkciu ψ(x): ϕ(x), x 2 x0 , ψ(x) = ϕ1 (x), x 2 ~b ~b , h1 , ~b + h1 ~b h1 , x0 + α0 + h1 , čo je riešením rovnice y 0 = f (x, y) a spĺňa Cauchyho podmienku ψ(x0) = y0 . Potom číslo α0 + h1 2 E, čo je v rozpore s definíciou α0 = sup E. Preto je prípad 2 nemožný. Podobne riešenie ϕ(x) siaha doľava do intervalu , kde bod je a, ϕ(a) 2 ∂G. Veta je úplne dokázaná. -37- Kapitola III. Cauchyho problém pre normálny systém n-tého rádu 3. 1. Základné pojmy a niektoré pomocné vlastnosti vektorových funkcií V tejto kapitole sa budeme zaoberať normálnym systémom n-tého rádu v tvare 8 > t, y , . . . , y y _ = f 1 n 1 1 > ,< y_ 2 = f2 t, y1 , . . . , yn , (3.1) . . . > > : y_ = f t, y, . . . , y , n n 1 n kde neznáme (požadované) funkcie sú y1 (t), . . . , yn (t), pričom funkcie fi sú známe, i = 1, n, bodka nad funkciou označuje deriváciu vzhľadom na t. Predpokladá sa, že všetky fi sú definované v doméne G Rn+1. Systém (3.1) je vhodné zapísať vo vektorovom tvare: y_ = f (t, y), kde y(t) y1 (t) . . . yn (t), f (t, y) f1 (t, y). . . , fn (t, y); V označení vektorov pre stručnosť nebudeme písať šípky. Takýto zápis bude tiež označený (3.1). Nech je bod t0 , y10 , . . . , yn0 leží v G. Cauchyho úlohou pre (3.1) je nájsť riešenie ϕ(t) systému (3.1), ktoré spĺňa podmienku: ϕ1 (t0) = y10 , ϕ2 (t0) = y20 , ..., ϕn (t0) = yn0 , (3.2) alebo vo vektorovom tvare ϕ(t0) = y 0 . Ako je uvedené v kapitole 1, riešením sústavy (3.1) na intervale ha, bi rozumieme vektorovú funkciu ϕ(t) = ϕ1 (t), . . . , ϕn (t) spĺňajúce tieto podmienky: 1) 8 t 2 ha, bi bod t, ϕ(t) leží v G; 2) 8 t 2 ha, bi 9 d dt ϕ(t); 38 3) 8 t 2 ha, bi ϕ(t) vyhovuje (3.1). Ak takéto riešenie navyše spĺňa (3.2), kde t0 2 ha, bi, potom sa nazýva riešenie Cauchyho úlohy. Podmienky (3.2) sa nazývajú počiatočné podmienky alebo Cauchyho podmienky a čísla t0 , y10 , . . . , yn0 sú Cauchyho dáta (počiatočné dáta). V špeciálnom prípade, keď vektorová funkcia f (t, y) (n+1) premennej závisí od y1 , . . . , yn lineárne, t.j. má tvar: f (t, y) = A(t) y + g(t), kde A(t) = aij (t) je n n matica, systém (3.1) sa nazýva lineárny. V nasledujúcom texte budeme potrebovať vlastnosti vektorových funkcií, ktoré tu uvádzame kvôli prehľadnosti. Pravidlá sčítania a násobenia číslom pre vektory sú známe z kurzu lineárnej algebry, tieto základné operácie sa vykonávajú súradnicovo. n Ak do R zavedieme skalárny súčin x, y = x1 y1 + . . . + xn yn , potom získame euklidovský priestor, tiež označovaný Rn , s dĺžkou s q n P vektora jxj = x, x = x2k (alebo euklidovskej normy). Pre skalárny súčin k=1 a dĺžku platia dve základné nerovnosti: 1) 8 x, y 2 Rn 2) 8 x, y 2 Rn x+y 6 x + y x, y 6 x (trojuholníková nerovnosť); y (Cauchyho-Bunyakovova nerovnosť - Z priebehu matematickej analýzy druhého semestra je známe, že konvergencia postupnosti bodov (vektorov) v euklidovskom priestore (konečne-dimenzionálnom) je ekvivalentná konvergencii postupností súradníc. Hovorí sa, že tento vektor je ekvivalentný súradnicovej konvergencii. To ľahko vyplýva z nerovností: q p max x 6 x21 + ... + x2n = jxj 6 n max xk .16k6n 16k6n Podobne ako v skalárnom prípade derivácia a integrál vektorovej funkcie sú definované a vlastnosti sa dajú ľahko dokázať prechodom na súradnice. Uvedieme niekoľko nerovností pre vektorové funkcie, ktoré budú použité v nasledujúcom texte. 1. Pre ľubovoľnú vektorovú funkciu y(t) = y1 (t), . . . , yn (t) , integrovateľný (napríklad spojitý) na , platí nerovnosť: Zb Zb y(t) dt 6 a y(t) dt a -39- (3.3) alebo v súradnicovom tvare 0 Zb Zb y1 ( t) dt, @ y2 (t) dt, . . . , a 1 Zb a Zb q yn (t) dt A 6 y12 (t) +. . . yn2 (t) dt. a Dôkaz. Všimnite si najprv, že nerovnosť nevylučuje prípad b< a, для этого случая в правой части присутствует знак внешнего модуля. По определению, интеграл от вектор-функции – это предел интегральn P ных сумм στ (y) = y(ξk) tk при характеристике («мелкости») разбиения k=1 λ(τ) = max tk стремящейся к нулю. По условию στ ! k=1, N Rb y(t) dt , а по a неравенству треугольника получим στ 6 n X Zb y(ξk) tk ! k=1 при λ(τ) ! 0 y(t) dt, a (здесь мы для определенности считаем a < b). По теореме о переходе к пределу в неравенстве получим доказываемое. Случай b < a сводится к изученному, Rb Ra так как = . a b Аналоги теорем Ролля и Лагранжа отсутствуют для вектор-функций, однако можно получить оценку, напоминающую теорему Лагранжа. 2. Для любой вектор-функции x(t), непрерывно дифференцируемой на , имеет место оценка ¾приращения¿: x(b) x(a) 6 max x 0 (t) b a. (3.4) Доказательство. Неравенство (3.4) сразу получается из (3.3) при y(t) = x 0 (t). При доказательстве теоремы разрешимости для линейных систем нам понадобятся оценки с n n матрицами, которые мы сейчас и рассмотрим. 3. Пусть A(t) = aij (t) n n матрица, обозначим произведение Ax через y. Как оценить y через матрицу A и x ? Оказывается, справедливо неравенство Ax 6 A -40- 2 x, (3.5) где x = p jx1 j2 + . . . + jxn j2 , A 2 = n P ! 12 a2ij , а элементы матрицы i,j=1 A и координаты вектора x могут быть комплексными. Доказательство. Для любого i = 1, n, ai – i-tý riadok matica A, potom: 2 2 2 yi = ai1 x1 + ai2 x2 + . . . + ain xn = ai , x 6 h i 2 6 pri Cauchyho-Áunyakovského nerovnosti 6 jai j2 x = ! ! n n X X 2 2 aik xl =, k=1 [e-mail chránený] 2 2 l=1 2 x, k,i=1 z čoho vyplýva (3.5). Definícia 3. 1. Povedzme, že vektorová funkcia f (t, y) spĺňa Lipschitzovu podmienku vzhľadom na vektorovú premennú y na množine G premenných (t, y), ak 9 L > 0 tak, že pre ľubovoľné t , y , 2 t, y 2 G je splnená nerovnosť f t, y 2 f t, y 1 6 L y 2 y 1. Rovnako ako v prípade funkcie dvoch premenných (pozri Tvrdenie 2.1), postačujúcou podmienkou pre Lipschitzovu vlastnosť v oblasti G „konvexné v y“ je, že parciálne derivácie sú ohraničené. Uveďme presnú definíciu. Definícia 3. 2. Oblasť G premenných (t, y) sa nazýva konvexná 1 2 v y, ak pre ľubovoľné dva body t, y a t, y ležiace v G patrí úsečka spájajúca tieto dva body celá do nej, t.j. e. množina n o t, y y = y 1 + τ y 2 y 1 , kde τ 2 . Tvrdenie 3. 1. Ak je definičný obor G premenných (t, y) konvexný v y a parciálne derivácie ∂fi sú spojité a ohraničené konštantou l v G pre ∂yj všetkých i, j = 1, n, potom vektorová funkcia f t, y vyhovuje v G Lipschitzovej podmienke na y s konštantou L = n l. 1 2 Dôkaz. Uvažujme ľubovoľné body t, y a t, y z G a 1 2 segment, ktorý ich spája, t.j. množina t, y , kde y = y + τ y y1 , t je pevné a τ 2 . -41- Zavedme vektorovú funkciu jedného skalárneho argumentu g(τ) = f t, y(τ) , 2 1 potom g(1) g(0) = f t, y f t, y a na druhej strane Z1 g (1) g (0) = d g(τ) dτ = dτ Z1 A(τ) d y(τ) dτ = dτ 0 0 h = v dôsledku y = y 1 + τ y 2 y i 1 Z1 = A(τ) y 2 y 1 dτ , 0 kde A(τ) je matica so záznamami ∂fi a ∂yj y2 y 1 je príslušný stĺpec. Tu sme použili pravidlo diferenciácie komplexnej funkcie, konkrétne pre všetky i = 1, n, t je pevné: gi0 (τ) = ∂fi ∂y1 ∂fi ∂y2 ∂fi ∂yn d fi t , y(τ) = + + ... + = dτ ∂y1 ∂τ ∂y2 ∂τ ∂yn ∂τ ∂fi ∂fi , ..., y2 y1 . = ∂y1 ∂yn Ak to zapíšeme v maticovom tvare, dostaneme: 0 2 1 g (τ) = A(τ) y y s n n maticou A(τ) = aij (τ) ∂fi ∂yj . Pomocou integrálneho odhadu (3.3) a nerovnosti (3.5) po dosadení dostaneme: f t, y 2 f t, y 1 Z1 = g 0 (τ) dτ = 0 Z1 6 A(τ) y 2 Z1 y1 A(τ) y 2 0 Z1 dτ 6 0 A(τ) A(τ) dτ y2 y1 6 y2 y1 6 n l 0 6 max A(τ) keďže 2 y 1 dτ 6 2 2 n P ∂fi = i,j=1 ∂yj 2 y2 y1, 2 6 n2 l2 pre 8 τ 2 . Tvrdenie bolo dokázané. -42- 3. 2. Jednoznačnosť riešenia Cauchyho úlohy pre normálny systém Veta 3. 1 (o odhade rozdielu dvoch riešení). Nech G je nejaká doména Rn+1 a vektorová funkcia f (x, y) je spojitá v G a spĺňa Lipschitzovu podmienku vzhľadom na vektorovú premennú y na množine G s konštantou L. Ak y 1 , y 2 sú dve riešenia normálnej sústavy (3.1) y_ = f (x, y) na segmente , potom odhad y 2 (t) y 1 (t) 6 y 2 (t0) y 1 (t0) exp L(t t0 ) platí pre všetky t 2 . Dôkaz doslovne opakuje dôkaz vety 2.1 z oddielu 2.1, berúc do úvahy zrejmé renotácie. 2 Odtiaľ je ľahké získať teorém o jedinečnosti a stabilite riešenia vzhľadom na počiatočné údaje. Dôsledok 3.1. Nech je vektorová funkcia f (t, y) spojitá v oblasti G a spĺňa Lipschitzovu podmienku v y v G a nech funkcie y 1 (t) a y 2 (t) sú dve riešenia normálneho systému (3.1 ) na rovnakom segmente a t0 2 . Ak y 1 (t0) = y 2 (t0), potom y 1 (t) y 2 (t) na . Dôsledok 3.2. (pri nepretržitej závislosti od počiatočných údajov). Nech je vektorová funkcia f (t, y) spojitá v oblasti G a splní Lipschitzovu podmienku na y s konštantou L > 0 v G a nech vektorové funkcie y 1 (t) a y 2 (t) sú riešenia normálny systém (3.1) definovaný na . Potom pre 8 t 2 platí nerovnosť y 1 (t), kde δ = y 1 (t0) y 2 (t0) a l = t1 y 2 (t) 6 δ eL l, t0. Dôkaz dôsledkov doslovne opakuje dôkazy dôsledkov 2.1 a 2.2, berúc do úvahy zjavné renotácie. 2 Štúdium riešiteľnosti Cauchyho úlohy (3.1), (3.2) sa rovnako ako v jednorozmernom prípade redukuje na riešiteľnosť integrálnej (vektorovej) rovnice. Lema 3. 1. Nech f (t, y) 2 C G; Rn 1. Potom platia nasledujúce tvrdenia: 1) ľubovoľné riešenie ϕ(t) z rovnice (3.1) na intervale ha, bi spĺňajúce (3.2) t0 2 ha, bi je spojité riešenie na ha, bi 1 až C G; H je zvyčajné označovať množinu všetkých funkcií spojitých v oblasti G s hodnotami v priestore H. Napríklad f (t, y) 2 C G; komponenty Rn) definované na množine G. je množina všetkých spojitých vektorových funkcií (s n -43-integrálnou rovnicou y(t) = y 0 + Zt f τ, y(τ) dτ ; (3.6) t0 2) ak vektorová -funkcia ϕ(t) 2 C ha, bi je spojité riešenie integrálnej rovnice (3.6) na ha, bi, kde t0 2 ha, bi, potom ϕ(t) má spojitú deriváciu na ha, bi a je riešením (3.1), (3.2). Dôkaz. 1. Nech 8 τ 2 ha, bi spĺňa rovnosť dϕ(τ) = f τ, ϕ(τ) . Potom integráciou od t0 do t, berúc do úvahy (3.2), dostaneme dτ Rt 0, že ϕ(t) = y + f τ, ϕ(τ) dτ, t.j. ϕ(t) vyhovuje rovnici (3.6). t0 2. Nech spojitá vektorová funkcia ϕ(t) spĺňa rovnicu (3.6) na ha, bi Potom f t, ϕ(t) je spojitá na ha, bi podľa vety o spojitosti zloženej funkcie, a preto pravá strana (3.6) ) (a teda ľavá strana) má spojitú deriváciu vzhľadom na t na ha, bi. Pre t = t0, z (3.6) ϕ(t0) = y0, t.j. ϕ(t) je riešením Cauchyho úlohy (3.1), (3.2). Všimnite si, že ako obvykle, derivácia na konci segmentu (ak doň patrí) sa chápe ako jednostranná derivácia funkcie. Lema je dokázaná. Poznámka 3. 1. Pomocou analógie s jednorozmerným prípadom (pozri kapitolu 2) a vyššie dokázaných tvrdení môžeme dokázať vetu o existencii a rozšírení riešenia Cauchyho problému zostrojením iteračnej postupnosti konvergujúcej k riešenie integrálnej rovnice (3.6) na nejakom intervale t0 h, t0 + h . Tu uvádzame ďalší dôkaz vety o existencii (a jedinečnosti) pre riešenie založené na princípe kontrakčného mapovania. Robíme to preto, aby sme čitateľa oboznámili s modernejšími metódami teórie, ktoré budú v budúcnosti aplikované v kurzoch integrálnych rovníc a rovníc matematickej fyziky. Na uskutočnenie nášho plánu potrebujeme množstvo nových konceptov a pomocných tvrdení, ktoré teraz zvážime. 3. 3. Pojem metrického priestoru. Princíp kontrakčných zobrazení Najdôležitejší pojem limita v matematike je založený na pojme „blízkosť“ bodov, t.j. aby bolo možné nájsť vzdialenosť medzi nimi. Na číselnej osi je vzdialenosť modulom rozdielu dvoch čísel, na rovine je dobrá slávny vzorec Euklidovské vzdialenosti atď. Mnohé fakty analýzy nevyužívajú algebraické vlastnosti prvkov, ale spoliehajú sa iba na pojem vzdialenosti medzi nimi. Rozvoj tohto prístupu, t.j. oddelenie „bytia“ súvisiaceho s pojmom limita vedie ku konceptu metrického priestoru. -44- Definícia 3. 3. Nech X je množina ľubovoľnej povahy a ρ(x, y) je reálna funkcia dvoch premenných x, y 2 X, ktorá spĺňa tri axiómy: 1) ρ(x, y) > 08 x, y2 X a ρ(x, y) = 0 len pre x = y; 2) ρ(x, y) = ρ(y, x) (axióma symetrie); 3) ρ(x, z) 6 ρ(x, y) + ρ(y, z) (trojuholníková nerovnosť). V tomto prípade množina X s danú funkciuρ(x, y) sa nazýva metrický priestor (ÌP) a funkcia ρ(x, y) : X X 7! R spĺňajúce 1) – 3), – metrické alebo vzdialenosti. Uveďme niekoľko príkladov metrických priestorov. Príklad 3. 1. Nech X = R so vzdialenosťou ρ(x, y) = x y dostaneme MT R. n o n xi 2 R, i = 1, n je Príklad 3. 2. Nech X = R = x1 , . . . , xn je množina usporiadaných kolekcií n reálnych čísel s n 2 P x = x1 , . . . , xn so vzdialenosťou ρ(x, y) = xk yk , dostaneme n1 k=1 nrozmerný euklidovský priestor R . n Príklad 3. 3. Nech X = Ca, b; R je množina všetkých funkcií spojitých na a, b s hodnotami v Rn , t.j. spojité vektorové funkcie, so vzdialenosťou ρ(f, g) = max f (t) g(t) , kde f = f (t) = f1 (t), . . . fn(t), t2sn2Pg = g(t)g1(t), . . . , gn (t), f g = fk (t) gk (t) . k=1 Pre príklady 3. 1 –3. 3 axiómy MP sú priamo overené, necháme to ako cvičenie pre svedomitého čitateľa. Ako obvykle, ak je každé prirodzené n spojené s prvkom xn 2 X, potom hovoríme, že je daná postupnosť bodov xn MP X. Definícia 3. 4. O postupnosti bodov xn MP X hovoríme, že konverguje k bodu x 2 X ak lim ρ xn , x = 0. n!1 Definícia 3. 5. Postupnosť xn sa nazýva základná, ak pre ľubovoľné ε > 0 existuje prirodzené číslo N (ε) také, že pre všetky n > N a m > N nerovnosť ρ xn , xm< ε. Определение 3. 6. МП X называется полным (ПÌП), если любая его фундаментальная последовательность сходится к элементу этого пространства. -45- Полнота пространств из примеров 3. 1 и 3. 2 доказана в курсе математиче ского анализа. Докажем полноту пространства X = C a, b ; Rn из примера 3. 3. Пусть последовательность вектор-функций fn (t) фундаментальна в X. Это означает, что 8 ε >0 9 N (ε) 2 N: 8 m, n > N =) max fm (t) fn (t)< ε. Поэтому выполнены условия критерия Коши равномерной на a, b сходи мости функциональной последовательности, т.е. fn (t) ⇒ f (t) при n ! 1. Как известно, предел f (t) в этом случае – непрерывная функция. Докажем, что f (t) – это предел fn (t) в метрике пространства C a, b ; Rn . Из равномерной сходимости получим, что для любого ε >0 existuje číslo N (ε) také, že pre všetky n > N a pre všetky t 2 a, b nerovnosť fn (t) f (t)< ε, а так как в левой части неравенства стоит непрерывная функция, то и max fn (t) f (t) < ε. Это и есть сходимость в C a, b ; Rn , следовательно, полнота установлена. В заключение приведем пример МП, не являющегося полным. Пример 3. 4. Пусть X = Q – множество рациональных чисел, а расстояние ρ(x, y) = x y – модуль разностиpдвух чисел. Если взять последовательность десятичных приближений числа 2 , т.е. x1 = 1; x2 = 1, 4; x3 = 1, 41; . . ., p то, как известно, lim xn = 2 62 Q. При этом данная последовательность n!1 сходится в R, значит она фундаментальна в R, а следовательно, она фундаментальна и в Q. Итак, последовательность фундаментальна в Q, но предела, лежащего в Q, не имеет. Пространство не является полным. Определение 3. 7. Пусть X – метрическое пространство. Отображение A: X 7! X называется сжимающим отображением или сжатием, если 9 α < 1 такое, что для любых двух точек x, y 2 X выполняется неравенство: ρ Ax, Ay 6 α ρ(x, y). (3.7) Определение 3. 8. Точка x 2 X называется неподвижной точкой отображения A: X 7! X, если Ax = x . Замечание 3. 2. Всякое сжимающее отображение является непрерывным, т.е. любую сходящуюся последовательность xn ! x, n ! 1, переводит в сходящуюся последовательность Axn ! Ax, n ! 1, а предел последовательности – в предел ее образа. Действительно, если A – сжимающий оператор, то положив в (3.7) X X y = xn ! x, n ! 1, получим, что Axn ! Ax, n ! 1. Теорема 3. 2 (Принцип сжимающих отображений). Пусть X полное метрическое пространство, а отображение A: X 7! X является сжатием. Òогда A имеет и притом единственную неподвижную точку. Доказательство этого фундаментального факта см. , . -46- Приведем обобщение теоремы 3. 2, часто встречающееся в приложениях. Теорема 3. 3 (Принцип сжимающих отображений). Пусть X полное метрическое пространство, а отображение A: X 7! X таково, что оператор B = Am с некоторым m 2 N является сжатием. Òогда A имеет и притом единственную неподвижную точку. Доказательство. При m = 1 получаем теорему 3. 2. Пусть m > 1. Uvažujme B = Am , B: X 7! X, B - kompresia. Podľa vety 3.2 má operátor B jedinečný pevný bod x . Keďže A a B dochádzajú AB = BA a keďže Bx = x , máme B Ax = A Bx = Ax , t.j. y = Ax je tiež pevný bod B, a keďže takýto bod je podľa vety 3.2 jedinečný, potom y = x alebo Ax = x . Preto x je pevný bod operátora A. Dokážme jedinečnosť. Predpokladajme, že x~ 2 X a A~ x = x~, potom m m 1 B x~ = A x~ = A x~ = . . . = x~, t.j. x~ je tiež pevný bod pre B, odkiaľ x~ = x . Veta bola dokázaná. Špeciálnym prípadom metrického priestoru je normovaný lineárny priestor. Uveďme presnú definíciu. Definícia 3. 9. Nech X je lineárny priestor (reálny alebo komplexný), na ktorom je definovaná numerická funkcia x pôsobiaca od X do R a spĺňajúca axiómy: 1) 8 x 2 X, x > 0 a x = 0 len pre x = θ; 2) 8 x 2 X a pre 8 X2 R (alebo C) 3) 8 x, y2 X je nick). x+y6x + y λx = jλjx; (trojuholníková nerovnosť) Potom sa X nazýva normovaný priestor, x: X 7! R spĺňajúce 1) – 3) sa nazýva norma. a funkcia V normovanom priestore môžete zadať vzdialenosť medzi prvkami podľa vzorca ρ x, y = x y . Splnenie MP axióm je ľahko overiteľné. Ak je výsledný metrický priestor úplný, potom sa zodpovedajúci normovaný priestor nazýva Banaxov priestor. Často je možné zaviesť normu rôznymi spôsobmi na rovnakom lineárnom priestore. V dôsledku toho vzniká koncept. Definícia 3. 10. Nech X je lineárny priestor a nech a sú dve 1 2 normy zavedené naň. Normy a nazývajú sa ekvivalentné 1 2 normy, ak 9 C1 > 0 a C2 > 0: 8 x 2 X C1 x 1 6 x 2 6 C2 x 1 . Poznámka 3. 3. Ak a sú dve ekvivalentné normy na X a 1 2 priestor X je úplný v jednej z nich, potom je úplný aj v druhej norme. Toto ľahko vyplýva zo skutočnosti, že postupnosť xn X, ktorá je základná vzhľadom na, je tiež základná vzhľadom na a konverguje k 1 2 rovnaký prvok x 2 X. sa používa, keď sa uzavretá guľa tohto priestoru považuje za úplný n priestor o Br (a) = x 2 X ρ x, a 6 r , kde r > 0 a a 2 X sú pevné. Všimnite si, že uzavretá guľa v PMP je sama o sebe PMP s rovnakou vzdialenosťou. Dôkaz tejto skutočnosti nechávame na čitateľa ako cvičenie. Poznámka 3. 5. Úplnosť priestoru bola stanovená z príkladu n miera 3. 3. Všimnite si, že v lineárnom priestore X = C 0, T , R možno zaviesť normu kxk = max x(t) takže výsledná normalizácia bude Banach. Na tú istú množinu vektorových funkcií spojitých na priestore 0, T môžeme zaviesť ekvivalentnú normu vzorcom kxkα = max e αt x(t) pre ľubovoľné α 2 R. Pre α > 0 vyplýva ekvivalencia z nerovností e αT x(t) 6 e αt x(t) 6 x(t) pre všetky t 2 0, T , odkiaľ e αT kxk 6 kxkα 6 kxk. Túto vlastnosť ekvivalentných noriem využívame pri dokazovaní vety o jedinečnej riešiteľnosti Cauchyho úlohy pre lineárne (normálne) systémy. 3. 4. Vety o existencii a jedinečnosti na riešenie Cauchyho úlohy pre normálne systémy Uvažujme Cauchyho úlohu (3.1) – (3.2), kde počiatočné údaje t0 , y 0 2 G, G Rn+1 sú definičným oborom vektorová funkcia f (t, y ). V tejto časti budeme predpokladať, že G má – nejaké n tvar G = a, b o , kde definičný obor je Rn a gulička je BR (y 0) = Veta platí. y 2 Rn y y0 6 R leží celé v. Veta 3. 4. Nech f (t, y) 2 C G je vektorová funkcia; Rn a 9M > 0 a L > 0 tak, že sú splnené nasledujúce podmienky: 1) 8(t,y)2G = a, bf(t, y)6M; 2) 8 (t, y1), (t, y2) 2Gft,y2ft,y16Ly2y1. Stanovte číslo δ 2 (0, 1) a nechajte t0 2 (a, b). Potom R189h = min; ; to a; b t0 > 0 M L tak, že existuje aj jednoznačné riešenie Cauchyho úlohy (3.1), (3.2) y(t) na intervale Jh = t0 h, t0 + h a y(t) y 0 6 R pre všetky t 2 Jh. -48- Dôkaz. Podľa Lemy 3.1 je Cauchyho problém (3.1), (3.2) ekvivalentný integrálnej rovnici (3.6) na intervale , a teda aj na Jh , kde h je zvolené vyššie. Uvažujme Banachov priestor X = C (Jh ; Rn), množinu vektorových funkcií x(t) spojitých na segmente Jh s normou kxk = max x(t) a do X zaveďme uzavretú množinu: t2Jh SR y 0 n 8 t 2 Jh = y(t) 2 X y(t) n = y(t) 2 X y y(t) o 0 6R = o 0 y 6R je uzavretá guľa v X. Operátor A definovaný pravidlom : Ay = y 0 + Zt f τ , y(τ) dτ, t 2 Jh , t0 preberá SR y 0 do seba, keďže y 0 = max Ay Zt t2Jh f τ, y(τ) dτ 6 h M 6 R t0 podmienkou 1 vety a definíciou h. Dokážme, že A je operátor kontrakcie na SR. Zoberme si ľubovoľné 0 1 2 a odhadnime hodnotu: Zt 6 max t2Jh f τ, y 2 (τ) f τ, y 1 (τ) dτ 6 t0 6h L y2 y1 = q y2 y1 , kde q = h L 615< 1 по условию теоремы. Отметим (см. замечание 3.4), что замкнутый шар SR y 0 в банаховом пространстве X является ПМП. Поэтому применим принцип сжимающих отображений (теорема 3. 2), по которому существует единственное решение y(t) 2 X интегрального уравнения (3.6) на отрезке Jh = t0 h, t0 + h . Теорема доказана. Замечание 3. 6. Если t0 = a или t0 = b, то утверждение теоремы сохраняется с небольшими изменениями в формуле для h и отрезка Jh . Приведем эти изменения для случая t0 = a. В этом случае число h > 0 je vybrané podľa R vzorcom h = min M; 1 1 5; b a , a všade musíme vziať -49- Jh = t0 , t0 + h = a, a + h ako segment Jh. Všetky ostatné podmienky vety sa nemenia, jej dôkaz s prihliadnutím na premenovanie R je zachovaný. Podobne pre prípad t0 = b platí h = min M ; 1 1 5; ba a Jh = bh, b. n Poznámka 3. 7. Vo vete 3. 4 je podmienka f (t, y) 2 C G; R , kde G = a, b D, možno oslabiť nahradením požiadavkou, aby f (t, y) bolo spojité vzhľadom na premennú t pre každé y 2 pri zachovaní podmienok 1 a 2. Dôkazom zostáva rovnaký. Poznámka 3. 8. Stačí, že podmienky 1 a 2 vety 3. 4 platia 0 pre všetky t, y 2 a, b BR y a konštanty M a L závisia, všeobecne povedané, 0 na obmedzeniach y a R. vektorová funkcia f t, y , podobne ako vo vete 2.4, platí veta o existencii a jednoznačnosti pre riešenie Cauchyho úlohy (3.1), (3.2) na celom intervale a, b. n Veta 3. 5. Nech je vektorová funkcia f x, y 2 C G, R , kde G = a, b Rn a existuje L > 0 tak, že podmienka 8 t, y 1 , t, y 2 2 G f t, y 2 f t, y 1 6 L y 2 y 1 . Potom pre ľubovoľné t0 2 a y 0 2 Rn existuje na a a b jedinečné riešenie Cauchyho úlohy (3.1), (3.2). Dôkaz. Vezmime ľubovoľné t0 2 a y 0 2 Rn a opravíme ich. Množinu G = a, b Rn reprezentujeme nasledovne: G = G [ G+ , kde Rn , a G+ = t0 , b Rn , za predpokladu, že t0 2 a, b , inak jedna G = a, t0 zo štádií dôkaz bude chýbať. Dovoľte nám zdôvodniť pásik G+ . Na intervale t0 , b je Cauchyho úloha (3.1), (3.2) ekvivalentná rovnici (3.6). Zavádzame operátor pre integrál n A: X 7! X, kde X = Cto, b; R , podľa vzorca Ay = y 0 + Zt f τ, y(τ) dτ. t0 Potom integrálnu rovnicu (3.6) môžeme zapísať ako operátorovú rovnicu Ay = y. (3.8) Ak dokážeme, že operátorová rovnica (3.8) má riešenie v PMP X, tak získame riešiteľnosť Cauchyho úlohy na t0 , b alebo na a, t0 pre G . Ak je toto riešenie jedinečné, potom na základe ekvivalencie bude jedinečné aj riešenie Cauchyho problému. Uvádzame dva dôkazy jedinečnej riešiteľnosti rovnice (3.8). Dôkaz 1. Uvažujme ľubovoľné vektorové funkcie 1 2 n y , y 2 X = C t0 , b ; R , potom sú odhady platné pre ľubovoľné -50- t 2 t0 , b Ay 2: Ay 1 Zt h f τ, y 2 (τ) = 1 f τ, y (τ) i dτ 6 t0 Zt y 2 (τ) 6L y 1 (τ) dτ 6 L t t0 max y 2 (τ) y 1 (τ) 6 τ 2 t0 6L t t0 y2 y1 . Pripomeňme, že norma v X je zavedená takto: kxk = max x(τ) . Zo získanej nerovnosti budeme mať ) dτ 6 L2 t0 Zt y2 y1 6 t0 6 L2 t t0 2! 2 y2 y1 . Pokračujúc v tomto procese môžeme indukciou dokázať, že 8 k 2 N Ak y 2 Ak y 1 6 L t t0 k! k y2 y1. Nakoniec dostaneme odhad Ak y 2 Ak y 1 = max Ak y 2 L b t0 Ak y 1 6 L b t0 k! k y2 y1. k Keďže α(k) = ! 0 za k! 1, potom je k0 také, že k! že α(k0)< 1. Применим теорему 3. 3 с m = k0 , получим, что A имеет в X неподвижную точку, причем единственную. Доказательство 2. В банаховом пространстве X = C t0 , b ; Rn введем семейство эквивалентных норм, при α >0 (pozri poznámku 3. 5) podľa vzorca: x α = max e αt x(t) . -51- Ukážme, že je možné zvoliť α tak, že operátor A v priestore X s normou pre α > L bude kontraktívny. Skutočne, α Ay 2 Ay 1 α Zt h f τ, y 2 (τ) αt = max e 1 f τ, y (τ) i dτ 6 t0 6 max e αt Zt y 2 (τ) L y 1 (τ) dτ = t0 = L max e Zt αt e ατ y 2 (τ) eατ dτ 6 y 1 (τ) t0 6 L max e αt Zt eατ dτ max e ατ y 2 (τ) y 1 (τ) = y2 α t0 = L max e αt Keďže α > L, potom q = L α 1 1 αt e α e e αt0< 1 и оператор A – сжимающий (например, с α = L). Таким образом, доказано, что существует и притом единственная вектор + функция ϕ (t) – решение Коши (3.1), (3.2) на t0 , b . задачи Rn задачу Коши сведем к предыдущей при Для полосы G = a, t0 помощи линейной замены τ = 2t0 t. В самом деле, для вектор-функция y(t) = y 2t0 τ = y~(t), задача Коши (3.1), (3.2) запишется в виде: y~(τ) = f (2t0 τ, y~(τ)) f~ (τ, y~(τ)) , y~(t0) = y 0 на отрезке τ 2 t0 , 2t0 a . Поэтому можно применить предыдущие рассуждения, взяв b = 2t0 a. Итак, существует и притом единственное решение задачи Коши y~(τ) на всем отрезке τ 2 t0 , 2t0 a и,следовательно, ϕ (t) = y~ 2t0 t – решение задачи Коши (3.1), (3.2) на a, t0 . Возьмем «сшивку» вектор-функций ϕ (t) и ϕ+ (t), т.е. вектор-функцию ϕ (t), при t 2 a, t0 ; ϕ(t) = ϕ+ (t), при t 2 t0 , b . d dτ Как при доказательстве теоремы 2.4, устанавливаем, что ϕ(t) – это решение задачи Коши (3.1), (3.2) на a, b . Единственность его следует из следствия 3.1. Теорема доказана. -52- Замечание 3.9. Утверждение 3. 1 дает достаточное условие того, что векторфункция f t, y в выпуклой по y области G удовлетворяет условию Лип∂fi шица. А именно, для этого достаточно, чтобы все частные производные ∂yj были непрерывны и ограничены некоторой константой в G. Аналогично следствию из теоремы 2.4 получаем такое утверждение для нормальных систем. Ñледствие 3.3. Пусть вектор-функция f (t, y) определена, непрерывна в открытой полосе o n n Q = (t, y) t 2 (A, B), y 2 R , причем A и B могут быть символами 1 и +1 соответственно. Предположим, что вектор-функция f (t, y) удовлетворяет в полосе Q условию: 9 L(t) 2 C(A, B) такая, что 8 t 2 (A, B) и 8 y 1 , y 2 2 Rn выполняется неравенство f t, y 2 f t, y 1 6 L(t) y 2 y 1 . Òогда при любых начальных данных t0 2 (A, B), y 0 2 Rn существует и притом единственное решение задачи Êоши (3.1), (3.2) на всем интервале (A, B). Доказательство проводится повторением соответствующих рассуждений из п. 2.2, оставляем его добросовестному читателю. В качестве других следствий из доказанной теоремы 3. 5 получим теорему о существовании и единственности решения задачи Коши для линейной системы. Речь идет о задаче нахождения вектор-функции y(t) = (y1 (t), . . . , yn (t)) из условий: d y(t) = A(t)y(t) + f 0 (t), t 2 a, b , (3.9) dt y(t0) = y 0 , (3.10) где A(t) = aij (t) – n n матрица, f 0 (t) – вектор-функция переменной t, t0 2 a, b , y 0 2 Rn – заданы. n 0 Теорема 3. 6. Пусть a (t) 2 C a, b , f (t) 2 C a, b ; R , ij t0 2 a, b , y 0 2 Rn заданы. Òогда существует и притом единственное решение задачи Êоши (3.9), (3.10) на всем отрезке a, b . Доказательство. Проверим, что для функции f t, y = A(t)y + f 0 (t) выполнены теоремы 3. 5. Во-первых, f t, y 2 C G; Rn , где условия G = a, b Rn , как сумма двух непрерывных функций. Во-вторых, (см. неравенство (3.5)): Ay 2 Ay 1 = A(t) y 2 y 1 6 A 2 y 2 y 1 6 L y 2 y 1 , -53- поскольку A n P 2 ! 21 aij (t) 2 – непрерывная на a, b функция. Тогда i,j=1 по теореме 3. 5 получим доказываемое утверждение. Теорема 3. 7. Пусть aij (t) 2 C (R), f 0 (t) 2 C (R; Rn) заданы. Òогда при любых начальных данных t0 2 R, y 0 2 Rn существует и притом единственное решение задачи Êоши (3.9), (3.10) на всей числовой прямой. Доказательство. Проверим, что выполнены все условия следствия из теоре мы 3. 5 с A = 1, B = +1. Вектор-функция f t, y = A(t)y + f 0 (t) непрерывна в полосе Q = R Rn как функция (n + 1) переменной. Кроме того, L(t) y 2 y 1 , f t, y 2 f t, y 1 6 A(t) 2 y 2 y 1 где L(t) – непрерывная по условию теоремы на A, B = 1, +1 функция. Таким образом, все условия следствия выполнены, и теорема доказана. -54- Глава IV. Некоторые классы обыкновенных дифференциальных уравнений, решаемых в квадратурах В ряде случаев дифференциальное уравнение может быть решено в квадратурах, т.е. для его решения может быть получена явная формула. В таких случаях методика решения, как правило, следующая. 1. Предполагая, что решение существует, находят формулу, по которой решение выражается. 2. Существование решения затем доказывается непосредственной проверкой, т.е. подстановкой найденной формулы в исходное уравнение. 3. Используя дополнительные данные, (например, задавая начальные данные Коши) выделяют конкретное решение. 4. 1. Уравнение с разделяющимися переменными В данном параграфе применим уже использовавшуюся выше методику для решения уравнений с разделяющимися переменными, т.е. уравнений вида y 0 (x) = f1 (x) f2 (y), Áудем предполагать, что f1 (x) 2 C (ha, bi) , x 2 ha, bi, f2 (y) 2 C (hc, di) , y 2 hc, di. (4.1) f2 (y) 6= 0 на hc, di а следовательно, в силу непрерывности функции f2 (y), она сохраняет знак на hc, di . Итак, предположим, что в окрестности U(x0) точки x0 2 ha, bi существует решение y = ϕ(x) уравнения (4.1). Тогда имеем тождество dy = f1 (x) f2 (y), dx y = ϕ(x), 55 x 2 U(x0). Но тогда равны дифференциалы dy = f1 (x) dx f2 (y) мы учли, что f2 (y) 6= 0 . Из равенства дифференциалов вытекает равенство первообразных с точностью до постоянного слагаемого: Z Z dy = f1 (x) dx + C. (4.2) f2 (y) После введения обозначений Z F2 (y) = Z dy , f2 (y) F1 (x) = f1 (x) dx, получаем равенство F2 (y) = F1 (x) + C. (4.3) Заметим, что F20 (y) = 1/f2 (y) 6= 0, поэтому к соотношению (4.3) можно применить теорему об inverzná funkcia , vďaka čomu možno vyriešiť rovnosť (4.3) vzhľadom na y a dostaneme vzorec y(x) = F2 1 F1 (x) + C , (4.4) platný v okolí bodu x0 . Ukážme, že rovnosť (4.4) dáva riešenie rovnice (4.1) v okolí bodu x0 . S použitím vety o diferenciácii inverznej funkcie a pri zohľadnení vzťahu F10 (x) = f1 (x) dostaneme y 0 (x) = dF2 1 (z) dz z=F1 (x)+C F10 (x) = 1 F20 ( y) y=y(x) F10 (x) = f2 y(x) f1 (x), z čoho vyplýva, že funkcia y(x) z (4.4) je riešením rovnice (4.1). Uvažujme teraz Cauchyho úlohu pre rovnicu (4.1) s počiatočnou podmienkou y(x0) = y0 . (4.5) Vzorec (4.2) môžeme zapísať ako Zy dξ = f2 (ξ) Zx f1 (x) dx + C. x0 y0 Nahradením počiatočnej podmienky (4.5) tu zistíme, že C = 0, t.j. riešenie Cauchyho úlohy určíme zo vzťahu Zy y0 dξ = f2 (ξ) Zx f1 (x) dx. x0 -56- (4.6) Je zrejmé, že je jednoznačne určená. Všeobecné riešenie rovnice (4.1) je teda dané vzorcom (4.4) a riešenie Cauchyho úlohy (4.4), (4.5) nájdeme zo vzťahu (4.6). Poznámka 4. 1. Ak f2 (y) = 0 pre nejaké y = yj , (j = 1, 2, . . . , s), potom sú riešenia rovnice (4.1) samozrejme tiež funkciami y( x) yj, j = 1, 2,. . . , s, čo je dokázané priamou substitúciou týchto funkcií do rovnice (4.1). Poznámka 4. 2. Pre rovnicu (4.1) je všeobecné riešenie určené zo vzťahu F2 (y) F1 (x) = C. (4.7) Ľavá strana vzťahu (4.7) je teda konštantná pri každom riešení rovnice (4.1). Vzťahy ako (4.7) je možné zapísať aj pri riešení iných ODR. Takéto vzťahy sa zvyčajne nazývajú integrály (všeobecné integrály) zodpovedajúcej ODR. Uveďme presnú definíciu. Definícia 4. 1. Uvažujme rovnicu y 0 (x) = f (x, y). (4.8) Vzťah (x, y) = C, (4.9) kde (x, y) je funkciou triedy C 1 sa nazýva všeobecný integrál rovnice (4.8), ak tento vzťah nie je splnený zhodne, ale je splnené pri každom riešení rovnice (4.8 ). Pre každú konkrétnu hodnotu C 2 R dostaneme parciálny integrál. Všeobecné riešenie rovnice (4.8) získame zo všeobecného integrálu (4.9) pomocou vety o implicitnej funkcii. Príklad 4. 1. Uvažujme rovnicu x (4.10) y 0 (x) = y a počiatočnú podmienku y(2) = 4. (4.11) Aplikovaním vyššie opísanej metódy separácie premenných na riešenie rovnice (4.10) dostaneme y dy = x dx , odkiaľ nájdeme všeobecný integrál pre rovnicu (4.10) y 2 x2 = C. Všeobecné riešenie rovnice (4.10) je zapísané vzorcom p y= C + x2 a riešenie Cauchyho úlohy ( 4.10), (4.11) sa zapisuje vzorcom p y = 12 + x2 . -57- 4. 2. Lineárne ODR prvého rádu Lineárna ODR prvého rádu je rovnica y 0 (x) + p(x)y(x) = q(x), Ak q(x) 6 Ak q(x) x 2 ha, ž. (4.12) 0, potom sa rovnica nazýva nehomogénna. 0, potom sa rovnica nazýva homogénna: y 0 (x) + p(x)y(x) = 0. (4.120) Veta 4. 1. 1) Ak y1 (x), y2 (x) sú riešenia homogénna rovnica (4.120) , α, β sú ľubovoľné čísla, potom funkcia y (x) αy1 (x) + βy2 (x) je tiež riešením rovnice (4.120). 2) Pre všeobecné riešenie nehomogénnej rovnice (4.12) platí vzorec yon = yoo + ych; (4.13) tu yо je všeobecné riešenie nehomogénnej rovnice (4.12), yн je partikulárne riešenie nehomogénnej rovnice (4.12), yоо je všeobecné riešenie homogénnej rovnice (4.120). Dôkaz. Prvé tvrdenie vety je dokázané priamym overením: máme y 0 αy10 + βy20 = αp(x)y1 βp(x)y2 = p(x) αy1 + βy2 = p(x)y . Dokážme druhé tvrdenie. Nech y0 je ľubovoľné riešenie rovnice (4.120), potom y00 = p(x)y0 . Na druhej strane 0 ych = p(x)ych + q(x). Preto 0 y0 + ych = p(x) y0 + ych + q(x), čo znamená, že y y0 + ych je riešením rovnice (4.12). Vzorec (4.13) teda dáva riešenie nehomogénnej rovnice (4.12). Ukážme, že všetky riešenia rovnice (4.12) možno získať z tohto vzorca. Nech y^(x) je skutočne riešením rovnice (4.12). Dáme y~(x) = y^(x) ych. Máme y~ 0 (x) = y^ 0 (x) 0 ych (x) = p(x)^ y (x) + q(x) + p(x)ych (x) = p(x) y ^ (x) q(x) = ych (x) = p(x)~ y (x). Teda y~(x) je riešením homogénnej rovnice (4.120) a máme y^(x) = y~(x) + ych, čo zodpovedá vzorcu (4.13). Veta bola dokázaná. -58- Ďalej budeme uvažovať Cauchyho úlohy pre rovnice (4.12) a (4.120) s počiatočnou podmienkou y(x0) = y0 , x0 2 ha, bi. (4.14) Pri funkciách p(x) a q(x) z (4.12) predpokladáme, že p(x), q(x) 2 C (ha, bi). Poznámka 4. 3. Dajte F (x, y) = p(x)y + q(x). Potom, vzhľadom na vyššie uvedené podmienky pre p(x) a q(x), máme F (x, y), ∂F (x, y) 2 C G , ∂y G = ha, bi R1 a, následne pre Cauchyho problém (4.12), (4.14) vety o existencii a jednoznačnosti riešenia, dokázané v kapitole 2, platia na celom intervale ha, bi. Najprv zvážte homogénnu rovnicu (4.120). Veta 4. 2. tvrdenia: Nech p(x) 2 C (ha, bi). Potom platí: 1) ľubovoľné riešenie rovnice (4.120) je definované na celom intervale ha, bi; 2) všeobecné riešenie homogénnej rovnice (4. 120) je daný vzorcom y(x) = C e, kde CR p(x) dx, (4.15) je ľubovoľná konštanta; 3) riešenie Cauchyho úlohy (4.120), (4.14) je dané vzorcom Rx y(x) = y0 e x0 p(ξ) dξ . (4.16) Dôkaz. Odvoďme vzorec (4.15) v súlade s metódou uvedenou na začiatku kapitoly. V prvom rade si všimnime, že funkcia y 0 je riešením rovnice (4.120). Nech y(x) je riešenie rovnice (4.120) a nech y 6 0 na ha, bi. Potom 9 x1 2 ha, bi tak, že y(x1) = y0 6= 0. Uvažujme rovnicu (4.120) v okolí bodu x1 . Toto je rovnica so separovateľnými premennými a y(x) 6= 0 v nejakom okolí bodu x1 . Potom podľa výsledkov predchádzajúceho odseku získame explicitný vzorec pre riešenie Z dy = p(x) dx, ln y = p(x) dx + C, y -59- odkiaľ R y(x) = C e p(x) dx , c 6= 0, čo zodpovedá vzorcu (4.15). Navyše, riešenie y 0 je dané aj vzorcom (4.15) pre C = 0. Priamou substitúciou do rovnice (4.120) vidíme, že funkcia y(x) daná vzorcom (4.15) pre ľubovoľné C je riešením rovnica (4,120), navyše na celom intervale ha, bi. Ukážme, že vzorec (4.15) definuje všeobecné riešenie rovnice (4.120). Nech y^(x) je vlastne ľubovoľné riešenie rovnice (4.120). Ak y^(x) 6= 0 na ha, bi, potom zopakovaním predchádzajúcej úvahy dostaneme, že táto funkcia je daná vzorcom (4.15) pre nejaké C: totiž, ak y^(x0) = y^0 , potom Rx p( ξ) dξ. y^(x) = y^0 e x0 Ak 9x1 2 ha, bi je také, že y^(x1) = 0, potom Cauchyho úloha pre rovnicu (4.120) s počiatočnou podmienkou y(x1) = 0 má dve riešenia y ^(x) a y(x) 0. Podľa poznámky 4.3 je riešenie Cauchyho úlohy jedinečné, preto y^(x) 0, a preto je dané vzorcom (4.15) pre C = 0. Dokázali sme teda, že všeobecná rovnica riešenia (4.120) je definovaná na všetkých ha, bi a je daná vzorcom (4.15). Vzorec (4.16) je zjavne konkrétny prípad vzorca (4.15), takže funkcia y(x), ktorú definuje, je riešením rovnice (4.120). Okrem toho x R0 p(ξ) dξ y(x0) = y0 e x0 = y0 , takže vzorec (4.16) skutočne definuje riešenie Cauchyho úlohy (4.120), (4.14). Veta 4.2 je dokázaná. Uvažujme teraz nehomogénnu rovnicu (4.12). Veta 4. 3. Nech p(x), q(x) 2 C (ha, bi). Potom platia nasledujúce tvrdenia: 1) ľubovoľné riešenie rovnice (4.12) je definované na celom intervale ha, bi; 2) všeobecné riešenie nehomogénnej rovnice (4.12) je dané vzorcom Z R R R p(x) dx p(x) dx q(x)e p(x) dx dx, (4.17) y(x) = Ce +e kde C je ľubovoľná konštanta; 3) riešenie Cauchyho úlohy (4.12), (4.14) je dané vzorcom Rx y(x) = y0 e x0 Zx p(ξ) dξ + q(ξ)e x0 -60- Rx ξ p(θ ) dθ dξ. (4.18) Dôkaz. V súlade s vetou 4.1 a vzorcom (4.13) yon = yоо + yн je potrebné nájsť konkrétne riešenie rovnice (4.12). Na jej nájdenie použijeme takzvanú metódu variácie ľubovoľnej konštanty. Podstata tejto metódy je nasledovná: vezmeme vzorec (4.15), konštantu C v ňom nahradíme neznámou funkciou C(x) a hľadáme konkrétne riešenie rovnice (4.12) v tvare ych (x) = C (x) e R p(x) dx. (4.19) Do rovnice (4.12) dosadíme yn (x) z (4.19) a nájdeme C(x) tak, aby táto rovnica bola splnená. Máme R R 0 ych (x) = C 0 (x) e p(x) dx + C(x) e p(x) dx p(x) . Dosadením do (4.12) dostaneme C 0 (x) e R p(x) dx + C(x) e R p(x) dx p(x) + C(x)p(x) e R p(x ) dx = q(x), odkiaľ R C0 (x) = q(x) e p(x) dx. Integráciou posledného vzťahu a dosadením nájdeného C(x) do vzorca (4.19) dostaneme, že Z R R p(x) dx ych (x) = e q(x) e p(x) dx dx. Navyše, na základe vety 4. 2 R y® = C e p(x) dx . Preto pomocou vzorca (4.13) z vety 4.1 dostaneme, že Z R R R p(x) dx p(x) dx y(x) = yoo + ych = Ce +e q(x)e p(x) dx dx, ktorý sa zhoduje so vzorcom (4.17). Je zrejmé, že vzorec (4.17) dáva riešenie na celom intervale ha, bi. Nakoniec riešenie Cauchyho úlohy (4.12), (4.14) je dané vzorcom Rx y(x) = y0 e Rx p(ξ) dξ x0 +e p(θ) dθ Zx Rξ p(θ) dθ q( ξ)ex0 x0 dξ. (4.20) x0 Vzorec (4.20) je totiž špeciálny prípad vzorca (4.17) pre C = y0 , takže definuje riešenie rovnice (4.12). Okrem toho, x R0 y(x0) = y0 e x0 x R0 p(ξ) dξ +e p(θ) dθ Zx0 Rξ q(ξ)e x0 x0 x0 -61- p(θ) dθ dξ = y0 , teda počiatočné údaje (4.14). Vzorec (4.20) zredukujeme na tvar (4.18). Skutočne, z (4.20) máme Rx y(x) = y0 e Zx p(ξ) dξ + x0 Rξ q(ξ)e x p(θ) dθ Rx dξ = y0 e Zx p(ξ) dξ + x0 x0 Rx q ( ξ)e p(θ) dθ dξ, ξ x0, ktorý sa zhoduje so vzorcom (4.18). Veta 4. 3 je dokázaná. Dôsledok (o odhade riešenia Cauchyho úlohy pre lineárny systém). x0 2 ha, bi, p(x), q(x) 2 C (ha, bi) a p(x) 6 K, q(x) 6 M Nech 8 x 2 ha, bi. Potom riešenie Cauchyho úlohy (4.12), (4.14) vyhovuje odhadu M Kjx x0 j Kjx x0 j y(x) 6 y0 e + e 1 . K (4,21) Dôkaz. Nech najprv x > x0 . Na základe (4.18) máme Rx Zx K dξ y(x) 6 y0 ex0 Rx K dθ M eξ + dξ = y0 eK(x x0) Zx +M x0 = y0 e K(x x0) eK(x ξ ) dξ = x0 M + K e K(x ξ) ξ=x ξ=x0 = y0 e Kjx x0 j M Kjx + e K x0 j1. Teraz nechajme x< x0 . Тогда, аналогично, получаем x R0 y(x) 6 y0 e x K dξ Zx0 + Rξ M ex K dθ dξ = y0 eK(x0 x) Zx0 +M x = y0 e K(x0 eK(ξ x) dξ = x M x) eK(ξ + K x) ξ=x0 ξ=x M h K(x0 x) = y0 e + e K M Kjx Kjx x0 j e = y0 e + K i 1 = K(x0 x) x0 j Таким образом, оценка (4.21) справедлива 8 x 2 ha, bi. Пример 4. 2. Решим уравнение y = x2 . x Решаем сначала однородное уравнение: y0 y0 y = 0, x dy dx = , y x ln jyj = ln jxj + C, -62- y = C x. 1 . Решение неоднородного уравнения ищем методом вариации произвольной постоянной: y чн = C(x) x, Cx = x2 , x 0 C x+C 0 C = x, x2 C(x) = , 2 откуда x3 , 2 y чн = а общее решение исходного уравнения y =Cx+ x3 . 2 4. 3. Однородные уравнения Однородным уравнением называется уравнение вида y 0 y (x) = f , (x, y) 2 G, x (4.22) G – некоторая область в R2 . Áудем предполагать, что f (t) – непрерывная функция, x 6= 0 при (x, y) 2 G. Однородное уравнение заменой y = xz, где z(x) – новая искомая функция, сводится к уравнению с разделяющимися переменными. В силу данной замены имеем y 0 = xz 0 + z. Подставляя в уравнение (4.22), получим xz 0 + z = f (z), откуда z 0 (x) = 1 x f (z) z . (4.23) Уравнение (4.23) представляет собой частный случай уравнения с разделяющимися переменными, рассмотренного в п. 4.1. Пусть z = ϕ(x) – решение уравнения (4.23). Тогда функция y = xϕ(x) является решением исходного уравнения (4.22). Действительно, y 0 = xϕ 0 (x) + ϕ(x) = x 1 x f (ϕ(x)) ϕ(x) + ϕ(x) = xϕ(x) y(x) = f ϕ(x) = f =f . x x Пример 4. 3. Ðешим уравнение y0 = y x -63- ey/x . Положим y = zx. Тогда xz 0 + z = z откуда y(x) = 1 z e, x z0 = ez , dz dx = , e z = ln jzj + C, z e x z = ln ln Cx , c 6= 0, x ln ln Cx , c 6= 0. 4. 4. Уравнение Áернулли Уравнением Áернулли называется уравнение вида y 0 = a(x)y + b(x)y α , α 6= 0, α 6= 1 . x 2 ha, bi (4.24) При α = 0 или α = 1 получаем линейное уравнение, которое было рассмотрено в п. 4.2. Áудем предполагать, что a(x), b(x) 2 C (ha, bi). Замечание 4. 4. Если α > 0, potom je zrejmé, že funkcia y(x) 0 je riešením rovnice (4.24). Na vyriešenie Bernoulliho rovnice (4.24) α 6= 0, α 6= 1 vydelíme obe strany rovnice y α . Pre α > 0 musíme vziať do úvahy, že na základe poznámky 4.4 je funkcia y(x) 0 riešením rovnice (4.24), ktorá sa pri takomto delení stratí. Preto bude v budúcnosti potrebné doplniť ho do všeobecného riešenia. Po delení dostaneme vzťah y α y 0 = a(x)y 1 α + b(x). Zavedme novú požadovanú funkciu z = y 1 α , potom z 0 = (1 teda dospejeme k rovnici pre z z 0 = (1 α)a(x)z + (1 α)y α)b(x) . α y 0, a (4.25) Rovnica (4.25) je lineárna rovnica. Takéto rovnice sú uvažované v kapitole 4.2, kde sa získa vzorec pre všeobecné riešenie, vďaka ktorému sa riešenie z(x) z rovnice (4.25) zapíše ako z(x) = Ce R (α 1) a( x) dx + + (1 α )e R (α 1) a(x) dx 1 Z b(x)e R (α 1) a(x) dx dx. (4.26) Potom funkcia y(x) = z 1 α (x), kde z(x) je definované v (4.26), je riešením Bernoulliho rovnice (4.24). -64- Okrem toho, ako je uvedené vyššie, pre α > 0 je riešením aj funkcia y(x) 0. Príklad 4. 4. Riešime rovnicu y 0 + 2y = y 2 ex . (4.27) Rovnicu (4.27) vydelíme y 2 a urobíme zmenu z = dostaneme lineárnu nehomogénnu rovnicu 1 y. Výsledkom je, že z 0 + 2z = ex . (4.28) Najprv riešime homogénnu rovnicu: z 0 + 2z = 0, dz = 2dx, z ln jzj = 2x + c, z = Ce2x, C 2 R1. Riešenie nehomogénnej rovnice (4.28) sa hľadá metódou variácie ľubovoľnej konštanty: zin = C(x)e2x , C 0 e2x 2Ce2x + 2Ce2x = ex , C 0 = e x, C(x) = e x, odkiaľ zin = ex , a všeobecné riešenie rovnice (4.28) z(x) = Ce2x + ex . Preto riešenie Bernoulliho rovnice (4.24) možno zapísať ako y(x) = 1 . ex + Ce2x Riešením rovnice (4.24) je navyše aj funkcia y(x) Toto riešenie sme stratili pri delení tejto rovnice y 2 . 0. 4. 5. Rovnica v úplných diferenciáloch Uvažujme rovnicu v diferenciáloch M (x, y)dx + N (x, y)dy = 0, (x, y) 2 G, (4.29) G je nejaká doména v R2 . Takáto rovnica sa nazýva úplná diferenciálna rovnica, ak existuje funkcia F (x, y) 2 C 1 (G), nazývaná potenciál, taká, že dF (x, y) = M (x, y) dx + N ( x, y )dy, (x, y) 2 G. Pre jednoduchosť predpokladajme, že M (x, y), N (x, y) 2 C 1 (G) a oblasť G sú jednoducho spojené. Za týchto predpokladov sa v priebehu matematickej analýzy (pozri napr. ) dokázalo, že potenciál F (x, y) pre rovnicu (4.29) existuje (t. j. (4.29) je rovnica totálnych diferenciálov) práve vtedy ak My (x, y) = Nx (x, y) -65- 8 (x, y) 2 G. Navyše (x, Z y) F (x, y) = M (x, y) dx + N (x, y) dy, (4.30) (x0, y0), kde bod (x0, y0) je nejaký pevný bod z G, (x, y) je aktuálny bod v G a krivočiary integrál sa vezme pozdĺž akejkoľvek krivky spájajúcej body (x0, y0) a (x, y) a ležiacej úplne v oblasti G. Ak rovnica ( 4.29) je rovnica
