Files

113 lines
4.6 KiB
Markdown
Raw Permalink Blame History

This file contains ambiguous Unicode characters

This file contains Unicode characters that might be confused with other characters. If you think that this is intentional, you can safely ignore this warning. Use the Escape button to reveal them.

>Формулировка теоремы о существовании и единственности решения задачи Коши для ДУ 1-го порядка.
Определение:
Задача Коши для дифференциального уравнения 1-го порядка состоит в нахождении решения уравнения вида:
$$
y' = f(x, y)
$$
с начальным условием вида:
$$
y(x_0) = y_0
$$
где $f(x, y)$ - некоторая функция от двух переменных $x$ и $y$, $x_0$ и $y_0$ - заданные числа.
Теорема о существовании и единственности решения задачи Коши для дифференциального уравнения 1-го порядка формулируется следующим образом:
Теорема. Пусть функция $f(x, y)$ непрерывна в некоторой области $D$ плоскости $xy$ и удовлетворяет условию Липшица в этой области, **т.е. существует такая постоянная $L > 0$, что для любых точек $(x_1, y_1)$ и $(x_2, y_2)$ из области $D$ выполняется неравенство**:
$$
|f(x_1, y_1) - f(x_2, y_2)| \leq L(|x_1 - x_2| + |y_1 - y_2|)
$$
Тогда для любой точки $(x_0, y_0)$ из области $D$ существует единственное решение $y = \phi(x)$ задачи Коши:
$$
y' = f(x, y), \
y(x_0) = y_0
$$
причем это решение определено на некотором интервале, содержащем точку $x_0$.
Замечание:
Условие Липшица для функции $f(x, y)$ означает, что функция $f(x, y)$ не сильно меняется при малых изменениях аргументов $x$ и $y$. Это условие гарантирует существование и единственность решения задачи Коши.
Пример:
Рассмотрим следующую задачу Коши:
$$
y' = 2x - y, \
y(0) = 1
$$
Проверим, что функция $f(x, y) = 2x - y$ удовлетворяет условиям теоремы о существовании и единственности решения задачи Коши.
Заметим, что функция $f(x, y) = 2x - y$ непрерывна во всей плоскости $xy$. Найдем частные производные функции $f(x, y)$ по переменным $x$ и $y$:
$$
\frac{\partial f}{\partial x} = 2, \quad \frac{\partial f}{\partial y} = -1
$$
Заметим, что частные производные функции $f(x, y)$ ограничены во всей плоскости $xy$. Следовательно, функция $f(x, y)$ удовлетворяет условию Липшица во всей плоскости $xy$.
Таким образом, по теореме о существовании и единственности решения задачи Коши, существует единственное решение $y = \phi(x)$ нашей задачи, определенное на некотором интервале, содержащем точку $x_0 = 0$.
Найдем это решение. Для этого решим дифференциальное уравнение:
$$
y' = 2x - y
$$
Используем метод интегрирующего множителя. Интегрирующим множителем для нашего уравнения будет функция $e^{-x}$. Умножим обе части уравнения на эту функцию:
$$
e^{-x}y' + e^{-x}y = 2xe^{-x}
$$
Заметим, что левая часть уравнения является производной функции $ye^{-x}$:
$$
(ye^{-x})' = 2xe^{-x}
$$
Интегрируем обе части уравнения:
$$
ye^{-x} = -\int 2xe^{-x} dx = 2xe^{-x} + 2e^{-x} + C
$$
где $C$ - произвольная постоянная.
Умножим обе части равенства на $e^{x}$:
$$
y = 2x + 2 + Ce^{x}
$$
Подставим начальное условие:
$$
1 = 2 \cdot 0 + 2 + Ce^{0}
$$
Найдем значение произвольной постоянной:
$$
C = -1
$$
Подставим значение произвольной постоянной в решение:
$$
y = 2x + 1 - e^{x}
$$
Ответ: Решение нашей задачи Коши имеет вид $y = 2x + 1 - e^{x}$.