21448

Нормальные системы дифференциальных уравнений. Условие Липшица

Лекция

Математика и математический анализ

Условие Липшица. Говорят что функция удовлетворяет условию Липшица в некотором интервале [b] если существует такое число 0 что для. Так функция удовлетворяет условию Липшица в окрестности x=0 но её производная в точке x=0 имеет разрыв. Если функция нескольких переменных удовлетворяет условию Липшица по каждой из этих переменных в соответствующем диапазоне их изменения т.

Русский

2013-08-02

267 KB

37 чел.

Лекция 3.

Нормальные системы дифференциальных уравнений. Условие Липшица.

      Рассмотрим дифференциальное уравнение вида:

Положим

                   

тогда наше уравнение сводится к системе n дифференциальных уравнений I порядка:

Эта система является частным случаем системы дифференциальных уравнений

                                                               (1)

Система (1) называется нормальной системой дифференциальных уравнений первого порядка.

Для выделения единственного решения система (1) дополняется начальными условиями:

                               .                            (2)

Задача (1) и (2) называется задачей Коши. Условия (2) называются начальными данными Коши.

Говорят, что функция  удовлетворяет условию Липшица в некотором интервале [a,b], если существует такое число A>0, что для  

.

Это условие – более слабое, чем, например, условие непрерывной дифференцируемости. Так, функция

,

удовлетворяет условию Липшица в окрестности x=0, но её производная в точке x=0 имеет разрыв.

Если функция нескольких переменных ( удовлетворяет условию Липшица по каждой из этих переменных в соответствующем диапазоне их изменения, т.е. если

               ,           (*)

то эта функция удовлетворяет условию Липшица также и по совокупности переменных , т.е. постоянная А, для которой

              

Действительно, из тождества

              

               

                

на основе (*) следует неравенство

          

Обозначив через , наибольшую из , получим требуемое неравенство.

Теорема существования и единственности для нормальных систем дифференциальных уравнений.

 Напомним, что нормальной системой дифференциальных уравнений  была названа система вида:

                                                                (1)

с начальными условиями (данными Коши)

                                         (2)

Имеет место следующая фундаментальная теорема (Пикара):

Пусть даны система дифференциальных уравнений вида (1) и начальные условия (2); если можно найти такие положительные числа a и b, что в области , определенной неравенствами

                  

                           ,                 (3)

функции  непрерывны и удовлетворяют условию Липшица по переменным , то можно определить такое число (0<a), что в интервале  система обладает одним и только одним решением, удовлетворяющим начальным условиям (2).

        Предварительно покажем, что система (1), (2) эквивалентна, следующей системе n (нелинейных) интегральных уравнений Вольтерра:

                                              (4)

Действительно, дифференцируя (4) по x, получим i-е уравнение системы (1), а, полагая в (4) , получим, что , т.е. начальные условия (2). Обратно, интегрируя i-е уравнение системы (1) с учетом (2), получим (4).

Будем решать систему (4) методом последовательных приближений, т.е. положим

                     

                            (5)

Т.к. по условию теоремы функции  непрерывны в замкнутой области (гиперинтервале) , то они равномерно непрерывны в . Поэтому существует такое число M>0, что всюду в  

                                                                     (6)

Отсюда, полагая , для значений  будем иметь последовательно

              

Таким образом, для  функции  удовлетворяют при всех m условиям теоремы и, в частности условию Липшица, поскольку значения переменных  лежат в интервале .

      Покажем, что при m система функций (5) равномерно сходится к некоторой системе функций

                                                                    (7)

т.е. для  можно найти такое , что для всех  и всех i=1,…,n при  ,будет

                          .

В самом деле, поскольку

                               

то с использованием условия Липшица, получим

         

,

где А – подходящая константа (большая нуля), единая для всех i. Аналогично

            

               

и т.д.

       Таким образом, вообще

    ,

или

                                  (9)

Отсюда следует, что ряд

               (10)

мажорируется  сходящимся числовым рядом

            

и потому абсолютно и равномерно сходится в интервале . Т.к. сумма его первых (m+1) членов равна , то отсюда следует, что для  при  будет

                   

где  означает сумму ряда (10), т.е. предел  при m.

Теперь нужно взять .

      Докажем теперь, что система функций (7) удовлетворяет системе интегральных уравнений (4), т.е., что равенства

                        (11)

являются тождествами.

Для доказательства положим

С использованием соотношения (5) будем иметь

.

Вычтя из обеих частей этого равенства

,

получим

         

   

              

Однако в силу условия Липшица и (8) имеем при  

      

Поэтому

           

Т.к. величина справа может быть сделана сколь угодно малой, а величина слева неотрицательна, то (11) тождественно выполняется.

      Осталось доказать, что система функций (7) является единственным решением системы (4).

Предположим, что функции

                                                                (12)

также образуют решение системы (4). Ясно, что функции   непрерывны, т.к. таковы правые части уравнений системы (4); кроме того, . Поэтому, заменяя (если это необходимо) интервал  на меньший интервал , мы можем считать, что

т.е. . Поэтому справедливы неравенства (6), т.е.

                ,                                     (6a)

а поскольку по предположению

            ,

то с учетом (6) и (6а) имеем

        

Далее, т.к.

                                   (13)

то, воспользовавшись полученным неравенством и неравенством Липшица, получим

                      .                        (14)

Снова повторяя ту же процедуру, из (13) и (14) имеем

                            

и т.д.; на m-м шаге получим

        ,

т.к. величина справа стремится к нулю, а слева неотрицательна, то отсюда следует, что , ч. т. д.

Часто вместо условия Липшица

вводят более грубое, но обычно легко проверяемое условие существования ограниченной по модулю производной F(x) на отрезке [a,b].

Действительно, если при x[a, b]

                                          

то, пользуясь теоремой о конечных приращениях (формулой Лагранжа), получим

где , т.е. [a, b], поэтому , а, следовательно,

Приведенный выше пример функции , для которой условие

Липшица выполняется, но производная F(x) при x=0 не существует, говорит о том, что условие  является более грубым, чем условие Липшица.

Пример.

Д.у. II порядка

                      

Положим

Тогда получим нормальную систему д.у.

Пусть

             

Эквивалентная систему интегральных уравнений имеет вид:

             

Итерации:

            

Итак,

             

При x=/2:

             

Точное решение:

               

т.е.

Интегрируя это уравнение, находим С(y). Второй способ определения функции U(x,y) по её полному дифференциалу  состоит в вычислении криволинейного интеграла от   по некоторому пути от точки  до точки (x, y):

 Т.к. подынтегральное выражение – полный дифференциал, то интеграл не зависит от пути интегрирования.

Если путь интегрирования - ломаная со звеньями, параллельными осям координат, то

   

                        =

 Пример 1.

Это уравнение в полных дифференциалах, т.к.

.

Теперь, поскольку

, то     

откуда

 

Следовательно, общий интеграл имеет вид:

 

Интегрирующий множитель.

      В некоторых случаях левая часть уравнения

                                                                                (5)

не является полным дифференциалом, однако можно подобрать функцию (x, y), после умножения на которую левая часть уравнения (5) превращается в полный дифференциал

,

т.е.     .

Такая функция называется интегрирующим множителем. Заметим, что умножение на интегрирующий множитель (x, y) может привести к появлению лишних частных решений, обращающих этот множитель в нуль. Интегрирующий множитель всегда существует локально (Из теоремы о существовании и единственности (см. ниже) следует, что (5) имеет единственное решение, если  удовлетворяет условиям теоремы). Пусть U(x, y)=C – общий интеграл уравнения (5), тогда

,   т.е.  , откуда

Поэтому

,

т.е. - интегрирующий множитель).

Заметим, что найти его в явном виде, вообще говоря, трудно.

Пример 2.

                     .                                     (9)

Здесь . Действительно

                             ,

т.к.

                            ,

то это уравнение в полных дифференциалах, поэтому, интегрируя, имеем:

       

                      т.е.

                                                        .

Итак,

                                         

откуда окончательно имеем

                                             

Это решение удовлетворяет уравнению (9).

6

PAGE  9


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

5631. Налоговый контроль. Камеральная и выездная налоговые проверки 76 KB
  Налоговый контроль Понятие и виды налогового контроля. Камеральная и выездная налоговые проверки. Порядок оформления результатов проверок. Административная и судебная защита прав налогоплательщиков. Налоговый контроль
5632. Федеральная налоговая служба. Государственные органы как участники отношений в налоговой сфере 76.5 KB
  Государственные органы как участники отношений в налоговой сфере Федеральная налоговая служба. Таможенные органы. Федеральная служба по борьбе с налоговыми и экономическими преступлениями. Другие участники отношений в налогов...
5633. Налоговое производство. Порядок исчисления и уплаты налога 75 KB
  Налоговое производство Понятие налогового производства. Бухгалтерский и налоговый учет при исчислении налога. Порядок исчисления налога. Порядок уплаты налога. Юридической обязанностью налогоплательщика является уплата нал...
5634. Система налогов. Направления развития системы налогообложения в РФ 76 KB
  Система налогов Направления развития системы налогообложения в РФ. Перечень налогов, взимаемых на территории РФ. Общие сведения о налогах. Реформирование налоговой системы - это ее преобразование, исходя из направлений...
5635. Основы российской налоговой системы. Принципы налогообложения 68 KB
  Основы российской налоговой системы Понятие налоговой системы и налоговой политики. Принципы налогообложения в РФ. Система налогового законодательства. Бюджетный процесс и налогообложение. Основные характеристики налого...
5636. Дискретная математика. Теория вероятностей и математическая статистика 1.01 MB
  Учебно-методическое пособие разработано по дисциплине Математика и содержит краткий теоретический материал и упражнения по двум разделам дисциплины: дискретная математика, теория вероятностей и математическая статистика. Для организации самостоятель...
5637. Изучение и расчет конструкции дробилок 2.65 MB
  Введение Увеличивающиеся из года в год объемы промышленного, гидротехнического, жилищного, дорожного и других видов строительства требуют огромного количества нерудных строительных материалов (щебня, гравия, песка), идущих на изготовление железобето...
5638. Исследование схем производства хлеба столового с целью создания высокорентабельной механизированной линии производства 453.6 KB
  Ассортимент хлебобулочных изделий, вырабатываемых в нашей стране, достаточно широк и насчитывает свыше тысячи наименований. В условиях рыночных методов ведения хозяйства первостепенное значение приобретает удовлетворение спроса потребителей...
5639. Понятие налогового планирования 85.5 KB
  Понятие налогового планирования Общие положения. Элементы налогового планирования. Процесс налогового планирования. Методы государственного воздействия, ограничивающие обход налогов. Налоговое планирование - законный...