Таким образом, полученное противоречие доказывает, что
на интервале
. Таким же способом
можно доказать, что на интервале
эти функции тоже
совпадают.
Итак, решение, удовлетворяющее постоянному начальному условию, при наших предположениях существует, и единственно.
З а м е ч а н и е 1. Существование и единственность
решения доказаны лишь на отрезке
, однако, взяв точку
за начальную, можно, повторив рассуждения,
продолжить решение ещё на отрезок длины
, если,
конечно, в окрестности новой начальной точки выполнены условия теоремы
существования и единственности решения. Продолжая этот процесс в некоторых
случаях, можно продолжить решение на всю полуось
и даже
на всю ось
, если продолжить решение и в сторону
меньших значений
. Однако, возможны и другие
случаи, даже если функция
определена для любых
значений
и
.
Интегральная кривая становится непродолжаемой в случае приближения к точке, в
которой нарушены условия теоремы существования и единственности решения, или
интегральная кривая приближается к асимптоте, параллельной оси
. Указанные случаи иллюстрируются
следующими примерами:
П р и м е р 1. ,
. Разделяя переменные и интегрируя,
получаем
,
.
Решение не продолжаемо за пределы интервала
. В
граничных точках
и
правая
часть уравнения
разрывна. Условия теоремы
существования решения нарушены.
П р и м е р 2. ,
. Разделяя переменные и интегрируя,
получаем
,
,
, и интегральная кривая продолжается лишь
до асимптоты
(
).
Решением является лишь верхняя ветвь гиперболы.
З а м е ч а н и е 2. Отметим, что теорему
существования единственности можно доказать и другими методами (например,
используя принцип сжатых отображений (неподвижных точек), метод ломаных Эйлера)
и при других предположениях относительно функции ,
например, теорема Осгуда [8], метод степенных рядов. В частности, условия
существования решения задачи Коши решает теорема Пеано:
Пусть функция непрерывна
в прямоугольнике
, причём,
,
. Тогда задача Коши на промежутке
имеет, по крайней мере одно решение
.
Первое доказательство существования и единственности решения дифференциальных уравнений при определённых условиях принадлежит Коши (1789-1857). Рассмотрим некоторые примеры.
П р и м е р 3. Найти область существования решений
уравнения .
Р е ш е н и е. Правая часть уравнения непрерывна во всех точках плоскости xOy.
В силу теоремы Пеано существования решения через каждую точку плоскости xOy
проходит хотя бы одна интегральная кривая.
П р и м е р 4. Найти область единственности решения
уравнения .
Р е ш е н и е. Правая часть уравнения определена и непрерывна во всех точках
плоскости xOy. Частная производная
обращается
в бесконечность при
, т.е. на прямой, параллельной
оси Ox. Следовательно, на прямой
возможно нарушение
единственности. Легко видеть, что функция
является
решением данного уравнения, и каждая интегральная кривая проходит через точку,
лежащую на прямой
. Кроме того, уравнение имеет
очевидное решение
. Итак, через каждую точку
прямой
по крайней мере проходят две интегральные
кривые, и следовательно, в точках прямой
нарушается
единственность. Во всех остальных точках плоскости уравнение имеет единственное
решение.
, если
.
Р е ш е н и е. Запишем уравнение в виде , полагая
. В качестве
нулевого приближения будет
. Используя формулу
(5.4), строим первое приближение:
Строим второе приближение:
Найдём точное решение данного уравнения. Для этого
представим его в виде . Используя начальное
условие, получаем
- точное частное решение.
О т в е т: ,
5.2 Уравнения первого порядка не разрешенные относительно производной. Основные понятия
Дифференциальное уравнение первого порядка, не разрешенное относительно производной, имеет вид:
, (5.7)
где F – заданная непрерывная
функция 3-х переменных. Все введенные ранее понятия и определения для
дифференциальных уравнений, разрешенных относительно производной, имеют место и
для уравнений вида (5.7). Например, решением дифференциального уравнения (5.7)
на некотором интервале (a,b)
будем называть всякую функцию , определенную и
непрерывно дифференцируемую на этом интервале, обращающую уравнение (5.7) в
тождество
,
.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.