- •1.Основные понятия дифференциальных уравнений: виды, решения, интегралы уравнений. Постановка задачи Коши.
- •2.Уравнения с разделяющимися переменными
- •3. Однородные и приводящиеся к ним уравнения.
- •4. Линейные и приводящиеся к ним уравнения.
- •6.Теорема существования и единственности решения задачи Коши: .
- •Для любой точки найдется решение уравнения (1), которое удовлетворяет условию (2)
- •Если два решения уравнения (1) совпадают хотя бы в одной точке , то решение и будут тождественно равны для всех значений переменной , для которых они определены.
- •Доказательство единственности решения
- •8 Понятие решения в параметрическом виде. Интегрирование уравнений .
- •9.Уравнения Лагранжа и Клеро.
- •10.Дифференциальные уравнения го порядка. Понятие решения. Понятие общего решения и общего интеграла.
6.Теорема существования и единственности решения задачи Коши: .
a) Сведение к эквивалентному интегральному уравнению.
б) Построение последовательных приближений.
в) Сходимость последовательных приближений.
г) Доказать, что предельная функция является решением
эквивалентного интегрального уравнения
д) Единственность решения
Теорема о существовании и единственности.
Так как дифференциальное уравнения имеет бесконечное множество решений, то речь идет не о числе решений, а о том, как можно описать совокупность всех решений данного дифференциального уравнения.
Теорема.
Пусть
(1)
дифференциальное
уравнение. Будем предполагать, что
задана
на некотором открытом множестве
,
которое принадлежит плоскости
(декартовых
координат). Предположим, что
и
непрерывны на
.
Тогда:
Для любой точки найдется решение уравнения (1), которое удовлетворяет условию (2)
Если два решения уравнения (1) совпадают хотя бы в одной точке , то решение и будут тождественно равны для всех значений переменной , для которых они определены.
Определение.
Числа
называется
начальными
значениями
для решения
,
а условие (2) называется начальными
условиями.
Теорема
утверждает, что координаты
могут быть начальными значениями для
некоторого решения уравнения (1). Два
решения с общими начальными условиями
совпадают.
Геометрическая интерпретация.
Через
некоторую точку Г проходит только одна
интегральная кривая. Решением (1) обычно
называется некоторая функция
,
заданная на некотором определенном
интервале
.
Наряду с этой функцией может быть
определена функция
,
которая также является решением, но
она задана на другом интервале
.
Второй пункт утверждает, что
совпадают
на интервале, на котором они обе
определены. Если
полностью
содержит
,
то решение
,
заданное на
это
есть продолжение решения
.
Поэтому если подразумевать под
интегральной кривой график не
продолжаемого решения, то утверждение
о том, что через каждую точку
проходит
единственная кривая становится точным.
Доказательство:
Переход от дифференциального уравнения к интегральному.
а)
Пусть
некоторое решение (1) определенное на
,тогда
выполняется тождество:
(*)
при
этом пусть:
.
Проинтегрировав (*), получим:
.
(3)
Продифференцировав соотношение
(3) по x,
получаем (*) , то есть интегральное
уравнение (3) эквивалентно дифференциальному
уравнению (*) с соответствующими
начальными условиями.
б)
Пусть
непрерывная
функция, определенная на
.
Причем график этой функции целиком
расположен в открытом множестве Г.
Точка
,тогда
воспользуемся правой частью тождества
(3) и поставим в соответствие
некоторую
функцию
,
которая также определена на
и
(4)
График
в
общем случае может и не принадлежать
открытому множеству Г. Такая запись
позволяет рассматривать правую часть
(4) как оператор, который ставит в
соответствие
,
то есть
.
(5)
Рассмотрим интегральное уравнение (3) и перепишем его в виде
.
(6)
в)
Последовательность непрерывных функций
, (7)
заданных на отрезке
будет сходиться равномерно, если
,
(8) причем
-сходящийся
ряд .
Сущность метода последовательных приближений (метод Пикара).
Строится
последовательность функций
,
все эти функции непрерывны и определены
на
,
точка
.
Каждая функция (7) определяется через
предыдущую
,
i=0,1,…
(9)
Если
график функции
,
то функция
определяется
по формуле (9) . Для того чтобы могла
быть определена функция
нужно чтобы график функции
.
Это требование можно выполнить, выбрав
достаточно малым. За счет уменьшения
длины
можно добиться того, чтобы для
последовательности (7) выполнялось
соотношение:
,
где
. (10)
Тогда
,
то есть функциональная последовательность
(7) будет равномерно сходиться, и её
предел будет удовлетворять соотношению
(5).
Метод
сжатых отображений
Выберем
некоторое семейство функций
,
заданных на
,
причем
.
И график функции из
принадлежит множеству Г. Пусть в
отношении оператора А семейство
удовлетворяет условиям:
1.Применяя оператор А к любой функции из семейства , мы получаем функцию из .
2.Существует
число
,
что для любых двух функций из семейства
выполняется:
. В этом случае оператор А будет сжатием.
Если для
выполняется условие 1 и 2, то исходя из
некоторой функций
, мы можем получить бесконечную
последовательность функций (7) с помощью
формулы (9). Эти функции удовлетворяют
всем условиям и сходятся к решению
уравнения
.
Доказательство
существования решения
Пусть
задано открытое множество Г и
.
Выберем в Г прямоугольник П с центром
в точке
.
Сторона прямоугольника 2а. Это означает,
что точки принадлежащие П, будут
удовлетворять условию
.
(11)
П-
замкнутое множество, содержащиеся в
Г, и непрерывные функции
ограничены на П:
.
(12) Рассмотрим в П более узкий
прямоугольник
(13)
Обозначим
семейство
функций непрерывных и заданных на
.
При этом графики функций принадлежат
,
то есть функции
определенные на этом отрезке, будут
принадлежать
,
если
.
(14)
Выберем r таким образом, чтобы выполнялись условия:
Если функция принадлежит , то и
.
2.
Найдется такое число
,
что для любых функций
. (15)
Для
того чтобы функция
,
необходимо и достаточно, чтобы для неё
выполнялось условие (14). Воспользовавшись
соотношением (4) и (14), получим:
,
то есть при
(16)
функция
и
условие 1
выполнено.
Рассмотрим
две любые функции, принадлежащие
:
тогда
Воспользовавшись
теоремой о среднем, получим:
,
-
точка, в которой достигается максимум
разности
.
Тогда:
,
если
,
то функции
будут удовлетворять условию 2.
Так как
,
то
.
(17)
Если
число
удовлетворяет
условиям (13),(16) и (17) , то для
семейства непрерывных функций будут
выполнены условия 1,2.
В
дальнейшем будем предполагать, что при
выборе числа r
условия (13),(16) и (17) выполнены.
Построим
последовательность
,
При
этом
,
(18)
.
Поскольку
,то
и все функции (7) будут принадлежать
по
условию 1.
Оценим
В
силу второго пункта последовательность
(7) равномерно сходится на отрезке
к некоторой непрерывной функции
, и так как все
,то
и
.
Покажем, что эта функция
будет удовлетворять условию
.
Рассмотрим последовательность функций
.
Эта последовательность будет равномерно
сходиться к некоторой функции
.
Переходя к пределу, получим, что
выполняется условие (6). Таким образом,
существование решения
уравнения
(1), удовлетворяющее условию (2), - доказано.
При этом мы получили, что решение
определено
на
,
где r-
любое число, удовлетворяющее условиям
(13),(16),(17).
