4.6 KiB
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}
.