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

36 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

40716. Анализ кадрового потенциала организации 29 KB
  Анализ кадрового потенциала организации. Для комплексной оценки кадрового потенциала используются три группы взаимодополняющих оценок: стоимостные; количественные; качественные. Стоимостные оценки базируются на возникшей в 60е годы нашего столетия теории кадрового капитала одним из ярких представителей которой является американский ученый Р. Для всесторонней оценки кадрового потенциала на кризисном предприятии проводится так называемый кадровый аудит.
40717. Тенденции и перспективы развития венчурного бизнеса в России и за рубежом 62.5 KB
  Тенденции и перспективы развития венчурного бизнеса в России и за рубежом. Сущность венчурного финансирования заключается в финансировании предложений по развитию производственной коммерческой или иной деятельности необходимой региону и ориентированной на получение прибыли на основе существующих или вновь для этого создаваемых малых предприятий путем вложения определенной части финансовых или иных ресурсов их деятельности без гарантии возвратности с учетом возможности потери вложенных средств если финансируемый проект не принесет после...
40718. Научно-технический и инновационный потенциал организации :сущность, структура и основные показатели оценки 41.5 KB
  Научнотехнический потенциалстрана регион организация – общественная форма совокупности живого и общественного труда обеспечивающая производство новых знаний создание освоение нововведений в т. Межотраслевые технологические прогнозы кривые появления и развития новых технологий формирование компетенций поддерживающих прогрессивные технологии на уровне фирмы. Принципы финансирования незапланированных инициатив выявление новых идей сотрудников поощрение их нововведенческого поведения. Оценивать важность новых инициатив и их...
40719. Основные направления инновационной политики государства 53.5 KB
  Одним из важнейших показателей состояния и развития научной деятельности является численность исследователей техников и вспомогательного персонала занятых в инновационной сфере. Россия направляющая в научнотехническую сферу менее 1 ВВП все больше отстает от группы промышленно развитых и некоторых развивающихся стран. Недостаток капитала выступает сегодня в России в качестве одного из основных ограничителей научнотехнического развития. Устойчивой гарантией динамичного развития научнотехнической сферы в условиях рынка является только...
40720. Инновация: сущность, источники, жизненный цикл 31.5 KB
  Эти различия затрагивают прежде всего общую продолжительность цикла продолжительность каждой стадии внутри цикла особенности развития самого цикла разное количество стадий. Виды и количество стадий жизненного цикла определяются особенностями той или иной инновации. Однако у каждой инновации можно определить стержневую то есть базовую основу жизненного цикла с четко выделенными стадиями. Схемы жизненного цикла различны у инновационного продукта и у инновационной операции процедуры.
40721. Программно-целевой метод управления 28 KB
  Программноцелевой метод управления. Программноцелевой метод научнопрограммный и временной способ увязки планируемых целей с ресурсами. Программноцелевой метод в управлении ориентирован на достижение конечного результата в логике поэтапного действия: формирование дерева целей разработка адекватной исполняющей программы реализация управляющей программы. Ключевой идеей программноцелевого метода выступает матрица цель средство иерархическая структура строго сформулированных целей программных элементов каждый из которых служит...
40722. Инновационная стратегия фирмы 33.5 KB
  Инновационная стратегия фирмы. Обычно к таким стратегиям относят: 1. Стратегия непрерывного совершенствования кайзен продукции. Инновационная стратегия целенаправленная деятельность по определению приоритетов перспективного развития организации и их достижению в результате которой обеспечивается новое качество производства и управления.
40723. Прогрессивные формы организации инновационной деятельности :бизнес-инкубаторы, технопарки, технополисы 31 KB
  Инновационная деятельность это процесс направленный на реализацию результатов законченных научных исследований и разработку иных научно технических достижений интеллектуального продукта. Отличительные черты: комплексность по научнопроизводственному циклу научные учреждения вузы промышленные предприятия компактность расположения ограниченность площади расположение в экологически чистых районах. Технополис – научнотехнический комплекс соединяющий научнотехническую деятельность с наукоемким производством с хорошо развитой...
40724. Экономическая безопасность государства и механизм ее реализации 43 KB
  Проблемы обеспечения экономической безопасности страны стабильного экономического развития государства и общества стоят перед многими странами мира. Современное социальноэкономическое положение России обусловливает чрезвычайную актуальность целенаправленной деятельности государства в сфере обеспечения экономической безопасности страны российского общества и каждого гражданина в отдельности. Например США разрабатывают доктрину концепцию и стратегию своей национальной безопасности где особое место уделено вопросам экономической...