Конспект лекций для студентов 2 курса механико-математического

2.1.1 Лемма Гронуолла.

∈ ≥ ≥ ∈ ≥

∈ ≤ ∞

∫
Лемма 2.2 (Гронуолла). Пусть функция u(x) определена на x [x₀, α), α , u(x) C[x₀, α), u(x) 0. Пусть a 0, b(x) C[x₀, α), b(x) 0, такие, что выполнено неравенство

Тогда
x
u(x) ≤ a +
^x0


b(t)u(t)dt.

Доказательство. 1. Пусть
x



,
u(x) ≤ ae^x0
. Обозначим через
b(t)dt
.
_∫x
. Тогда .

Очевидно, что

a > 0
v(x) = a+
^x0


v^′(x) = b(x)u(x) ≤ b(x)v(x).
b(t)u(t)dt
v(x₀) = a, v(x) > 0

Разделим обе части неравенства на v(x), имеем
v^′(x)
_v(x) ≤ b(x).

Проинтегрируем неравенство на [x₀, x]. Получим

∫

∫
^x v^′(t) x
v(t) ^{dt ≤
x}0 ^x0


b(t)dt,
_∫x

Тогда
ln |v(x)| − ln |v(x₀)| ≤
^x0


_,x
b(t)dt.

u(x) ≤ v(x) ≤ ae^x0
b(t)dt
.

2. Пусть a = 0. Для любого a₁ > a лемма доказана, то есть выполнено

_,x
u(x) ≤ a₁e^x0
b1^(t)dt

≤ ≥

∈ ∈

∫
для любого a₁ > 0 и для любого x [x₀, α). Таким образом, при фиксированном x [x₀, α), выбирая a₁ сколь угодно малыми, получим u(x) 0, но u(x) 0 по условию леммы, следовательно, u(x) = 0, следовательно,

Поэтому u(x) ≡ 0. Лемма доказана.
x
u(x) ≤
^x0


b(t)u(t)dt.

Предъявим второе доказательство единственности решения задачи Коши.

.

.

.
Доказательство. Если предположим, что существуют два решения y(x) и z(x), рассмотрим модуль их разности

_.∫x


. . ^∫x .

^x0

|y(x) − z(x)| ≤

| − |
.
|f (t, y(t)) − f (t, z(t))|dt_. ≤ _.L |y(t) − z(t)|dt_. .

≡
Таким образом, для функции u(x) = y(x) z(x) выполнено условие леммы Гронуолла (в нашем
случае a = 0, b(x) = L). Следовательно, u(x) 0, то есть y(x) = z(x).
Единственность доказана.
Замечание 2.1. В этом доказательстве единственности достаточно, чтобы существовала положи- тельная непрерывная функция b(x), такая, что
|f (x, y(x)) − f (x, z(x))| ≤ b(x)|y(x) − z(x)|.
Замечание 2.2. Для y^′(x) = b(x)y + a(x) при условии непрерывности a(x), b(x) выполняются усло- вия теоремы существования и единственности в области непрерывности коэффициентов уравнения.
Таким образом, решение задачи Коши для линейного уравнения
y^′(x) + p(x)y = q(x), y(x₀) = y₀,
где функции p(x), q(x) непрерывны, единственно.
Замечание 2.3. В лемме Гронуолла можно заменить интервал [x₀, α) интервалом (β, x₀], где β ≥
−∞. Объединяя утверждения для этих случаев, получим лемму для x ∈ (x₀ − h, x₀ + h) для любого
h ≥ 0.
Замечание 2.4. Отметим, что выполнение условий этой теоремы на всей числовой прямой не га- рантирует продолжаемости решения на всю прямую (y^′ = y² − 2y + 1).

2. Теорема о продолжении решения задачи Коши.

Теорема 2.2. Пусть
y^′ = f (x, y)
y(x₀) = y₀,

∂y

∈ ⊂
причем f (x, y), ^∂f (x, y) C(G), G R². Тогда решение задачи Коши можно продолжить так, что оно подойдет сколь угодно близко к границе ∂G или уйдет сколько угодно далеко от начала координат (x₀, y₀).

⊃
Определение 2.2. Функция y˜(x) называется продолжением решения y(x), определенного на ин- тервале (α, β), на интервал (α₁, β₁) (α, β), если y˜(x) – решение задачи Коши, и y˜(x) = y(x) на (α, β).
Докажем вспомогательную лемму.
Лемма 2.3. Пусть G₁ – область с границей ∂G₁, G₂ – область с границей ∂G₂. Тогда ∂(G₁ ∩ G₂) ⊂
∂G₁ ∪ ∂G₂.

∈ ∩ { } { }

Доказательство леммы. Если x ∂(G₁ G₂), то существуют последовательности x_n , y_n та- кие, что

Таким образом,
x_n → x, x_n ∈ G₁ ∩ G₂ y_n → y, y_n /∈ G₁ ∩ G₂.



x_n ∈ G₁ x_n ∈ G₂,

∈ ∈ ∪

{ } ∈ { } /∈ → →

{ } ∈ { } /∈ → → ∈

/∈

/∈ /∈ /∈
и y_n G₁ или y_n G₂. В первом случае существует бесконечное число y_n G₁, во втором – бесконечное число y_n G₂. Переходим к подпоследовательности и получаем, что в одном случае существуют x_n G₁, y_n G₁ такие, что x_n x, y_n x, поэтому x ∂G₁, в другом случае существуют последовательности x_n G₂, y_n G₂, что x_n x, y_n x. Следовательно, x ∂G₂. Итак, x ∂G₁ ∂G₂.
Лемма доказана.
Доказательство теоремы о продолжении. Рассмотрим три случая:

1. 
   Область G ограничена и замкнута.
   

M ²+1

G
Возьмем произвольную точку (x₀, y₀) ∈ G. По локальной теореме существования и единственности существует такое число h₀, что решение задачи Коши существует и единственно на интервале (x₀ − h₀, x₀ + h₀). Выберем h₀ = ^{√ r0} , где r₀ = ρ ((x₀, y₀), ∂G) , M = max |f (x, y)|.

100

√ ₁
Далее возьмем точку x₁ так, чтобы x₀ < x₁ < x₀ + h₀ (например, x₁ = x₀ + ⁹⁹ h₀). Тогда в силу локальной теоремы существования и единственности решения, решение задачи Коши, проходящее

через точку x₁, существует и единственно на интервале (x₁ − h₁, x₁ + h₁), где h₁ =
^r1 , r =
M ²+1

M ²+1
ρ ((x₁, y(x₁)), ∂G), причем эти решения совпадают на общей области определения. Далее берем точку x₂ = x₁ + θh₁, 0 < θ < 1, тогда существует решение, проходящее через точку x₂, определенное на [x₂ − h₂, x₂ + h₂], где h₂ = ^{√ r2} , r₂ = ρ ((x₂, y(x₂)), ∂G).

√ _k
Таким образом, построили последовательность точек x_k+1 = x_k + d_k, d_k =
^rk , r =
M ²+1

S
ρ ((x_k, y_k), ∂G) . Так как G ограничена, то x_k ограничена и монотонно возрастает, значит, существу- ет lim_→∞ x_k = b. При этом решение продолжалось на каждый отрезок [x_k, x_k+1], а следовательно и на их объединение [x_k, x_k+1] = [x₀, b).

G

G
Так как f (x, y) ограничена и |y^′| = |f (x, y)|, то y(x) удовлетворяет условию Липшица, где L = max |y^′| = max f (x, y) = M . Таким образом, к последовательности y(x_n + h_n) применим критерий

и p_k(x_k, y_k) → p ∗ (b, y(b)). Так как x_k+1 = x_k + d₁ + ... + d_k → b, k → ∞, то ряд

d_k сходится, а
Коши сходимости последовательности lim_x→b−0 y(x) = y∗. Тогда так как y(x) непр_Σерывна на [x₀, b]
значит, d_k → 0, k → ∞, откуда r_k → 0. Если предположим, что p^∗ /∈ ∂G, то существует ε > 0, что
ρ(p^∗, ∂G) > 2ε, но т.к. p^∗ = lim p_k, то ∃N > 0 : ∀n > Np_k ∈ U_ε(p^∗) – противоречие. Таким образом,

p^∗ ∈ ∂G.
k→∞

2. 
   
   M ²+1
   Пусть G произвольная область, f (x, y) ограничена в G. Тогда сначала возьмем h₀ = ^{√ r0} ,
   

и в силу локальной теоремы существования и единственности решение существует и единственно

M ²+1
на [x₀ − h₀, x₀ + h₀], далее берем точку x₁ = x₀ + θh₀, тогда существует единственное решение, проходящее через точку x₁ и определенное на [x₁ − h₁, x₁ + h₁], где h₁ = ^{√ r1} и т.д.
Тогда либо решение пересечет границу ∂G, либо уйдет сколь угодно далеко от начала координат (пройдет сколь угодно близко к границе).

3. 
   
   ∂y
   
   ∪ ∩ ∩ ⊂ ∪ ∩
   Пусть G произвольная область, условие ограниченности на f (x, y), ^∂f (x, y) не требуем. Тогда рассмотрим круг K с центром в точке (x₀, y₀) радиуса 2R и отступим от границы области G внутрь на ε, получим ∂G_ε ∂K. Рассмотрим область G K. Тогда по лемме ∂(G K) ∂G ∂K. G K
   

| | ≥

∩

→ → ∞

→ → ∞
– замкнутая ограниченная область. Тогда по доказанному решение подойдет сколь угодно близко к границе области G K, т.е. оно либо подойдет сколь угодно близко к ∂K и тогда удовлетворяет условию y(x) R (т.к. R можно выбрать произвольно, то это означает, что в этом случае решение уйдет сколь угодно далеко от начала координат (x₀, y₀)), либо подойдет сколь угодно близко к ∂G (внутри K), т. е. сколь угодно близко к границе области G (можно доказать, что h_n 0, n , следовательно, r_n 0, n , т.е. (x_n + h_n, y(x_n + h_n)) подойдет сколь угодно близко к границе области G).
Теорема доказана.

∂y
Следствие 2.1. Если f (x, y) определена и непрерывна вместе с ^∂f в полосе {|x − x₀| ≤ a, −∞ <
y < +∞}, то решение задачи Коши с начальными данными y(x₀) = y₀ либо пересечет прямые,
x = x₀ + a, x = x₀ − a, либо уйдет на бесконечность на (x₀, x₀ + a) (x₀ − a, x₀).
Замечание 2.5. При доказательстве теоремы о продолжении решения мы изучали продолжение на отрезок [x₀, x₀ + h], т.е. вправо. Продолжаемость влево доказывается аналогично.