===================================================

(1.34) z’(t) = f(t,z(t)), z(to) = xo.

(2.8) y^(n) (t) + p1(t) y^(n-1) (t) +…+ Pn-1 (t) y’(t)+pn(t)

[21] Konstrukcja macierzy fundamentalnej dla układu

(1.3) z’(t) +a(t)z(t) = h(t)

[06] Twierdzenie Picarda – Lindelofa. Twierdzenie 1,22

y(t) = 0 (2.11) (…) = f(t)

liniowego o stałych współczynnikach.

(1.6) u(t) = xo exp ( -∫ to;t] a(s) ds), (1.7) z(to)=0

Załóżmy, że : 1) funkcja f : [a,b] x IRn --> IRn jest ciągła,

[14] Tw.Liouville’a dla równań liniowych n-tego rzędu.

Lemat 2.45 Dla macierzy J^(r) (λ), bedzie klatką Jordana o

[01] Zagadnienie Cauchy’ego dla równania liniowego.

2) istnieje L ∈ R+, takie że

Tw. 2.13 Zakładamy, że: 1) pi∈C((a,b),R) dla 1≤i≤n,

wymiarach rxr, mamy

Twierdzenie 1.3 Jeśli a, h∈C((α,β),R) i to∈(α,β), to zagadnienie

||f(t,x) – f(t,x)|| ≤ L||x-x|| na [a,b]xIRn,

2) funkcje {ϕ1,...,ϕn} stanowią układ fundamentalny rozwiązań

(2.44) exp[J^(r) (λ)t] =

(1.3), (1.6) ma dokładnie jedno rozwiązanie. Rozwiązanie to

3) (to,xo)∈[a,b]xIRn.

równania (2.8). Wówczas: W[ϕ1,...,ϕn](t) =

[e^λt (t/1!)e^λt (t^2/2!)e^λt ... (t^(r-1)/(r-1)!)e^λt]

istnieje na przedziale (α,β)

Wtedy istnieje dokładnie jedno rozwiązanie u zagadnienia

= W[ϕ1,...,ϕn](to) exp [- ∫ to;t] p(s)ds], gdzie to,t∈(a,b).

[ 0 e^λt (t/1!)e^λt (t^2/2!)e^λt ... (t^(r-2)/(r-2)!)e^λt]..

DOWÓD. Wykażemy jednoznaczność rozwiązania problemu (1.3),

(1.34). Rozwiązanie u jest określone przedziale [a,b].

DOWÓD. Rozpatrzmy równanie różniczkowe

[ 0 0 0 0 0 ...... 0 e^λt ]

(1.6). Jeśli v : (αo,βo) --> R, (αo,βo)⊂ (α,β), jest rozwiązaniem,

DOWÓD. Zamieniamy zagadnienie (1.34) na równanie całkowe.

(2.9) [ ϕ1(t) ... ϕn(t) y(t) ]

Tw.2.46 Macierz fundamentalna rozwiązań układu liniowego

to v’(t)+a(t)v(t) = h(t) dla t∈(αo,βo) i v(to) = 0.

Niech (1.38) u(t) = z’(t), t∈[a,b]. Wtedy

/\(t) Det | ϕ’1(t) ... ϕ’n(t) y’(t) | = 0,

w’(t) = J^(r) (λ) w(t), gdzie w=(w1,...,wr)T jest dana wzorem

Zatem d/dt [v(t) exp ( ∫ to;t] a(s)ds)] =

(1.39) z(t) = xo + ∫ to,t] u(s) ds, t∈[a,b]

[ϕ^(n) 1(t) ... ϕ^(n) n(t) y^(n) (t) ]

(2.44). Załóżmy, że J jest macierzą Jordana wymiaru nxn oraz

= h(t) exp (∫ to;t] a(s)ds), t∈(αo,βo). Całkując tę tożsamość od

Rozpatrzmy równanie całkowe

gdzie /\(t) = 1 / (W[ϕ1,....,ϕn](t) . Jest to liniowe równanie

J = diag [J^(d1) 1 (λ1),....,J^(dm) m (λm)]. Ponieważ

to do t i uwzględniając warunek początkowy, otrzymujemy

(1.40) u(t) = f(t,xo + ∫ to; t] u(s) ds), t∈[a,b]. Rozważmy

różniczkowe n-tego rzędu, dla którego {ϕ1,....,ϕn } jest układem

(t^k/k!) J^k = diag [(t^k/k!) (J1^(d1) (λ1))^k, ...

(1.8) v(t) = ∫ to;t] h(λ) exp (∫ t;λ] a(s)ds)dλ, gdzie t∈(αo,βo).

rozwiązania równania (1.40), będące funkcjami ciągłymi.

fundamentalnym rozwiązań. Współczynnik przy pochodnej

… , (t^k/k! (Jm^(dm) (λm))^k], więc

Rozwiązanie v jest więc wyznaczone jednoznacznie przez dane

Równania (1.40) jest równoważne z zagadnieniem (1,34) w tym

y^(n) (t) jest w tym równaniu funkcją stalą równą jeden.

exp[Jt] = diag [exp{J1^(d1) ((1) t],

zagadnienia (1.3), (1.6): funkcje a i h oraz punkt to.

sensie, że (i) jeżeli z jest rozwiązaniem zagadnienia (1.34), to

Zgodnie z twierdzeniem 2.11, równanie (2.9) jest więc

exp{J2^(d2) (λ2) t},...,exp{Jm^(dm) (λm) t}].

Dowód istnienia rozwiązania sprowadza się do sprawdzenia, że

funkcja u, dana wzorem (1.38), spełnia równanie (1.40),

identyczne z (2.8). Obliczmy współczynnik przy pochodnej

Macierze {J1^(d1) (λ1)t},....,exp{Jm^(dm) (λm)t}

funkcja v : (α,β) -->IR dana wzorem (1.8) spełnia równanie

(ii) jeśli u jest rozwiązaniem równania (1.40), to funkcja z, dana

z^(n-1) (t) w (2.9). Niech

mają strukturę opisaną wzorem (2.44). Rozważmy teraz układ

(1.3) i warunek początkowy (1.7). []

wzorem (1.39), jest rozwiązaniem zagadnienia (1.34).

[ ϕ1(t) ϕ2(t) .... ϕn(t) ]

(2.39) z dowolną macierzą AeMnxn. Mówimy, że macierze A i B

Udowodnimy istnienie i jednoznaczność rozwiązania równania

Γ(t) = Det [ (...) ].

są podobne, jeśli istnieje mac.nieosobliwa B, taka że B = S-1 AS.

(1.10) z’(t) = a(t) h(z(t)), (1.11) z(to) = xo,

(1.40). Zastosujemy twierdzenie 1.19. Niech X = C([a, b], IRn).

[ϕ^(n) 1(t) ϕ^(n) 2(t) .... ϕ^(n) n(t) ]

[02] Zagadnienie Cauchy’ego dla równania rozdzielnego,

W przestrzeni X określimy normę, przyjmując

Zgodnie z twierdzeniem Laplace'a dla wyznaczników,

[22] ALGORYTM PUTZERA konstrukcji macierzy exp(At)

przypadek regularny. Twierdzenie 1.10 Zakładamy, że

// ||u|| = max{||u(t)||:t∈[a,b]} – to jest norma w przestrzeni

otrzymujemy (2.10) p1(t) = - Γ(t) / (W[ϕ1,...,ϕn](t) , t∈(a,b).

(2.34) z’ (t) = A(t) z(t); Tw.2.49 Załóżmy, że:

1) a∈C((α,β),R), h∈C(δ,µ),R) i (to,xo) ∈(α,β) x (δ,µ),

Banacha. Def:

Ponieważ W’[ϕ1,...,ϕn](t) = Γ(t) dla t∈(a,b)

1) A∈Mnxn i liczby λ1,λ2,...,λn są wartościami własnymi mac. A,

2) h(s)≠0 dla s∈(δ,µ).

||z||λ = max{||z(t)||e^( -λ|t-to| ) : t∈[a,b]} gdzie λ>L. Łatwo

więc całkując równość (2.10) od to do t, otrzymujemy tezę.

2) ciąg macierzy { Pj } j=0;n] jest określony następująco:

Wtedy istnieje dokładnie jedno rozwiązanie zagadnienia

sprawdzić, że (X, ||*||λ) jest przestrzenią Banacha.

Zmierzamy teraz do wypisania wzoru na wszystkie rozwiązania

(2.47) Po = E, Pj = ∏ k=1;j] (A-λkE), j=1,2,...,n.

Cauchy'ego (1.10), (1.11). Rozwiązanie to jest określone na

Niech F: C([a,b],IRn)-->C([a,b],IRn) będzie operatorem

równania różniczkowego niejednorodnego

3) funkcje r1,r2,...,rn są rozwiązaniami równań różn. liniowych

pewnym przedziale otwartym I ⊂ (α,β), zawierającym to.

określonym wzorem (Fu)(t) = f(t,xo + ∫ to, t] u(ξ)dξ).

(2.11)

y^(n) (t) +p1(t) y^(n-1) (t) +...

r’1(t) = λ1r1(t), r’j(t) = rj-1 (t) +λjrj(t), j=2,3,...,n,

DOWÓD, Rozpoczniemy od wykazania jednoznaczności

Ciągłość funkcji Fu wynika z ciągłości f oraz z faktu, że funkcja

...+ pn-1 (t) y’(t) + pn (t) y(t) = f(t).

z warunkami początkowymi r1(0) = 1, rj(0)=0, j=2,3,...,n.

rozwiązania. Jeśli ϕ jest rozwiązaniem problemu (1.10), (1.11)

g : [a,b] -> IRn, dana wzorem g(t) = ∫ to,t] u(s)ds, t∈[a,b],

Rodzinę funkcji {ϕ(• ,c) }, gdzie c∈IRn, ϕ(- ,c) : (a,b) ->R,

Wówczas e^At = Σ j=0;n-1] rj+1 (t) Pj, t∈R.

na I, to∈I, to ϕ’(t) = a(t) h(ϕ(t)) dla t∈I, ϕ(to) = xo.

jest klasy C1 dla u∈C([a,b],IRn). Udowodnimy, że istnieje

nazywamy rozwiązaniem ogólnym równania różniczkowego

DOWÓD. Oznaczmy Ψ(t) = Σ j=0;n-1] rj+1 (t) Pj, t∈R.

Stąd wynika, że ∫ to;t] [ ϕ’(s) / h(ϕ(s)) ] ds = ∫ to;t] a(s)ds, t∈I,

q∈ [0,1), takie że (1.41) ||Fu –Fv||λ ≤ q||u-v||λ dla u,v∈X.

(2.11), jeśli

Udowodnimy, że (2.48) Ψ(t) = AΨ(t), t∈R.

oraz (1.12) ∫ ϕ(to); ϕ(t)] ds / h(s) = ∫ to; t] a(s)ds, t∈I.

||Fu –Fv||λ = max {||(Fu –Fv)(t)||e^ (-2L(t-to) ; t∈[a,b]}

(i) dla każdego c∈IRn funkcja ϕ( ■, c) jest rozwiązaniem

Przyjmijmy umowę: ro(t) = 0 dla t∈R. Wówczas

Rozważmy funkcję H : (δ,µ) -> R daną wzorem

Z założenia 2) wynikają oszacowania ||(Fu –Fv)(t)|| =

równania (2.11) na (a,b),

Ψ’(t)=Σ j=0;n-1] r’ j+1 (t)Pj = Σ j=0;n-1] [λj+1 rj+1(t) +rj(t)]Pj

(1.13) H(ξ) = ∫ xo; ξ] ds/ h(s) , ξ∈(δ,µ). z (1.12) wynika, że

= ||f(t,xo + ∫ to;t] u(ξ)dξ) – f(t,xo + ∫ to;t] v(ξ)dξ|| ≤

(ii) dla każdego rozwiązania u równania (2.11) istnieje c ∈IRn,

oraz

H(ϕ(t)) – H(ϕ(to)) = ∫ to;t] a(s)ds, t∈I.

≤ L|∫ to;t] ||(u-v)(ξ)||e^(-λ|ξ-to|) e^(λ|r-to| dξ| ≤

takie że u = ϕ(*,c)

Ψ’(t) -ΨnΨ(t) = Σ j=0;n-1] (λj+1 -λn) rj+1 (t) Pj =

Oznaczmy przez (δo,µo) obraz przedziału (δ, µ) za pomocą

≤ ||u-v||λ|∫ to;t] e^(λ|ξ-to|) dξ| ≤ L/λ ||u-v||λ e^(λ|t-to|),

= Σ j=0;n-2] rj+1 (t) Pj+1. Ponieważ Pj+1 = (A-λj+ E)Pj,

funkcji H. Ponieważ H’(ξ) ≠ 0 dla ξ∈(δ,µ), więc istnieje funkcja

(2.8) y^(n) (t) + p1(t) y^(n-1) (t) +…+ Pn-1 (t) y’(t)+pn(t)

t∈[a,b]. Mamy więc ||(Fu-Fv)(t)||e^(-λ|t-to|) ≤ L/λ ||u-v||λ;

Więc Ψ’(t) -λnΨ(t) =

odwrotna do H. Oznaczmy ją przez H^-1. Jest ona określona na

y(t) = 0 (2.11) (…) = f(t)

Σ

t∈[a,b]. Stąd otrzymujemy nierówność (1.41) dla

j=0;n-2] [(A- λj+1 E) Pj+(λj+1 -λn)Pj] rj+1(t) =

q = L/λ.

(δo,µo). Ponieważ ϕ(to) = xo i H(xo) = 0, więc otrzymujemy

[15] Metoda Lagrange’adla równań lin.n-tego rzędu.

Spełnione są więc założenia twierdzenia 1.19. Zatem równanie

(A-λn E) Σ j=0;n-2] Pj rj+1 (t).

(1.14) ϕ(t) = H^-1 (∫ to;t] a(t)dt)

Tw.2.16 Zakładamy, że 1) współczynniki równania różn.(2.11) są

całkowe (1.40) ma dokładnie jedno rozwiązanie

Ponieważ Σ j=0;n-2] Pj rj+1 (t) = Ψ(t) –rn(t) Pn-1,

w pewnym otoczeniu punktu to.

funkcjami ciągłymi na (a, b) i f∈C((a,b),R),

u∈C([a, b],IRn). Dowód twierdzenia jest ukończony. []

więc Ψ’(t) -λnΨ(t) = (A-λn E) Ψ(t) –rn(t)(A-λn E) Pn-1 =

Z (1.14) wynika, że rozwiązanie ϕ jest jednoznacznie określone

2) {ϕ1,...,ϕn} jest układem fundamentalnym roz.równania

= (A -λnE) Ψ(t) –rn(t) Pn.

w pewnym otoczeniu punktu to przez dane zagadnienia (1.10),

jednorodnego (2.8).Wtedy ∃ funkcje {u1,...,un}, ui : (a, b) -> R,

[07] Zależność rozwiązań od parametrów. Tw. 1.24

Udowodnimy, że Pn jest macierzą zerową. Rozważmy wielomian

(1.11): funkcje a i h oraz punkt (to,xo).

1≤i≤n, takie że (2.13) Ψ(t) = Σ i=1;n] ui(t) ϕi(t), t∈(a,b),

Zakładamy, że: 1) F : [a, b]x IRn x IRm-->IRn jest funkcją

charakterystyczny macierzy A: F(λ) = (λ-λ1)(λ-λ2)...(λ-λn).

Dowód istnienia sprowadza się do sprawdzenia, że funkcja ϕ,

jest rozwiązaniem równania różniczkowego (2.11).

ciągłą i istnieje L∈R+, takie, że:

Z twierdzenia Cayleya-Hamiltona wynika, że

dana wzorem (1.14) dla H określonego wzorem (1.13), jest

D

(1.43)

OWÓD. Utworzymy układ liniowy algebraiczny w celu

||F(t,x,µ)-F(t,x,µ)|| ≤ L||x-x|| na [a,b] x IRn x IRm,

F(A) = (A- λ1E)(A - λ2E) ...(A- λnE) = [0], gdzie [0] oznacza

rozwiązaniem rozważanego zagadnienia. Niech I będzie

znalezienia funkcji {u’1,...,u’n}. Z (2.13) wynika, że

2) µo ∈IRm i lim{µ-->µo} F(t,x,µ) = F(t,x,µo) jednostajnie na

macierz zerową w przestrzeni Mnxn. Zgodnie z (2.47), mamy

przedziałem istnienia funkcji ϕ, Z (1.14) wynika, że

Ψ’(t) = Σ i=1;n] u’i(t) ϕi(t) +Σ i=1;n] ui(t) ϕ’ i (t)

[a,b] x IRn. Wów.: lim{µ-->µo} z(t,µ) = z(t,µo) jednost.na [a,b].

Pn = ∏ j=1;n] (A -λjE),

H(ϕ(t)) = ∫ to;t] a(s) ds, t∈I. Stąd otrzymujemy

Utwórzmy równanie Σ i=;n] u’ i (t) ϕ’ i(t) = 0

D

zatem Pn= F(A) = [0]. Otrzymaliśmy więc równość

OWÓD. Z twierdzenia Picarda-Lindelófa wynika, że rozwiązania

Wówczas Ψ’(t) = Σ i=1;n] u’i(t) ϕ’i(t) +Σ i=1;n] ui(t) ϕ’’ i (t)

H’(ϕ(t))ϕ’(t) = a(t), t∈I, czyli ϕ’(t) / h(ϕ(t)) = a(t), t∈I,

Ψ

z(*,µ), µ∈IRm, istnieją na przedziale [a, b]. Ponieważ

’(t) = AΨ(t), t∈R. Dowód własności (2.48) jest ukończony.

i ϕ spełnia równanie (1.10). Ponieważ H(xo) = 0, więc 0

Utwórzymy równanie Σ i=1;n] u’i(t) ϕ’i(t) = 0

z(t,µ)=x

Ponieważ Ψ(0) = Σ j=0;n-1] rj+1 (0) Pj = r1(0)E = E,

o+∫ to;t] F(ξ,z(ξ,µ),µ)dξ, więc z (1.43) wynika, że

∈

Po n - 1 krokach tego rodzaju mamy

(δo,µo) i H-1(0)=xo, Z (1.14) wynika, że ϕ(to) = xo. Dowód

więc z warunku jednoznaczności rozwiązań zagadnienia

spełniona jest nierówność całkowa ||z(t,µ)-z(t,µo)|| ≤

Ψ

twierdzenia jest ukończony.

≤

^(n-1) (t) = Σ i=;n] u’i (t) ϕ^(n-2) (t) +

początkowego dla (2.34) wynika, że Ψ(t) = exp( At). W ten

L | ∫ to;t] ||z(ξ,µ) – z(ξ,µ0)||dξ| +

+ Σ i=1;n] ui (t) ϕ^(n-1) i (t).

sposób dowód twierdzenia jest ukończony. [].

+ | ∫ to;t] || F(ξ,z(ξ,µo),µ) – F(ξ,z(ξ,µo),µo)||dξ|, t∈[a,b].

(1.15) δo = inf{H(s), s∈(δ, µ)}, µo = sup{H(s) : s∈(δ, µ)} .

Tworzymy równanie Σ i=1;n] u’i (t) ϕ^(n-2) i (t) = 0

Obierzmy E>0. ∃ δ>0, takie że jeśli ||µ-µo||<δ, to

[03] Zagadnienie Cauchy’ego dla równania rozdzielnego,

i otrzymujemy Ψ^(n) (t) = Σ i=1;n] u’i (t) ϕ^(n-1) i (t) +

[23]Twierdzenie Arzeli-Ascoliego Tw.3.8 Zakładamy, że

||F(ξ,z(ξ,µo),µ) – F(ξ,z(ξ,µo),µo)||<E dla ξ∈[a,b].

przypadek osobliwy. Twierdzenie 1.11 Załóżmy, że

+ Σ i=1;n] ui (t) ϕ^(n) i (t).

1) X⊂C( [a, b], Rn ) jest zbiorem nieskończonym,

Mamy więc dla ||µ-µo||<δ:

1) a∈C((α,β),IR), h∈C((δ,µ),IR),; 2) a(t) ≠≠ 0 dla t∈(α,β),

Wstawiając Ψ i obliczone wartości pochodnych Ψ’,Ψ’’,....,Ψ^(n)

2) X jest zbiorem funkcji wspólnie ograniczonych i jednakowo

||z(t,µ) – z(t,λµo)|| ≤ E(b-a) + L| ∫ to; t] ||z(ξ,µ) – z(ξ,µo)||dξ|.

3) istnieje λ∈(δ,µ), takie że h(λ) = 0 i h(s)≠ 0 dla s∈(δ,µ) \ {λ}.

do (2.11), otrzymujemy równanie

ciągłych. Wówczas każdy nieskończony ciąg {ϕm}, ϕm∈ X

Z twierdzenia 1.12 otrzymujemy, że

Σ

Wówczas następujące warunki są równoważna:

i=1;n] u’i (t) ϕ^(n-1) i (t) = f(t) W celu znalezienia funkcji

dla m ∈ N, zawiera podciąg jednostajnie zbieżny na [a, b].

||z(t,µ) – z(t,µo)|| ( E(b-a) e^(L(b-a)), t∈[a,b]. Stąd wynika teza

(i) Zagadnienie Cauchy’ego (1.16) z’(t)= a(t) h(z(t)), z(to) = λ,

{u’1,...,u’n} otrzymaliśmy wiec układ równań

DOWÓD. Niech A - {t1,t2,...,tm,...} będzie ciągiem wszystkich

twierdzenia. Załóżmy, że f:[a,b] x IRn --> IRn jest funkcją daną i

ma dokładnie jedno rozwiązanie dla dowolnego to∈(α,β).

[ϕ1(t) .... ϕn(t) ][u’1(t)] [0]

liczb wymiernych przedziału [a, b]. Konstruujemy nieskończone

(ξ,s) ∈ [a,b] x IRn. rozpatrzmy zagadnienie Cauchy'ego

(ii) Całki niewłaściwe: (1.7) ∫

[ ... .... ... ][ ... ] = [0]

ciągi funkcyjne {ϕm.1}, {ϕm.2},..., {ϕm.k}, ....

λ; λ+E] dt / h(t), ∫ λ; λ-E] dt / h(t),

(1.44) z’(t) = f(t,z(t)), z(ξ)=s,

[ϕ^(n-1) 1(t) .... ϕ^(n-1) n(t) ][u’n(t)] [f(t)]

w następujący sposób: {ϕm.1} jest podciągiem ciągu {ϕm},

E>0 są rozbieżne.

i rozważmy jego rozwiązanie z(*;ξ,s) jako funkcję warunku

Ma on dokładnie jedno rozwiązanie (u’1,...,u’n)∈C((a,b),IRn).

{ϕm.k+1} jest podciągiem ciągu {ϕm.k}, k∈IN, oraz

DOWÓD. Załóżmy, że problem (1.16) ma, prócz rozwiązania z(t)

początkowego Wykażemy, ze przy naturalnych założeniach

Stąd wynika teza.

ciąg {ϕm.1} jest zbieżny na {t1},

=λ, t∈(α,β), rozwiązanie ϕ. Istnieje wówczas E > 0 i t∈(α,β),

dotyczących f mała zmiana warunku początkowego powoduje

ciąg {ϕm.2} jest zbieżny na {t,t2} ....

takie że ϕ(t) = λ i zachodzi jeden z warunków

mała zmianę rozwiązania

[16] Konstrukcja układu fundamentalnego rozwiązań dla

ciąg {ϕm.k} jest zbieżny na {t,t2,...,tk}.

(a) ϕ(t) > λ lub ϕ(t) < λ dla t∈(t-E, t),

równań n-tego rzędu o stałych współczynnikach.

Ciąg nieskonczony {Ψm} definujemy nastepująco:

(b) ϕ(t) > λ lub ϕ(t) < λ dla t∈(t, t+E).

[08] Zależność rozwiązań od warunków początkowych.

[17] Układy fundamentalne rozwiązań dla układów

Ψm = ϕm.m, m∈IN. Wtedy {Ψm} jest podciągiem ciągu {ϕm},

Rozpatrzmy przypadek, gdy ϕ(t) > λ dla t∈(t-E, t). Mamy wtedy

Twierdzenie 1.25 Załóżmy, że

ϕ

równań różniczkowych liniowych.

jest zbieżny w każdym punkcie zbioru A i prawdziwe są zadania:

(t) = a(t) h(ϕ(t)) dla t ∈ (t - Eo, t) oraz

1) f: [a,b] x IRn --> IRn jest funkcją ciągłą i spełniony jest

∫

Tw. 2.19 Jeśli wielomian charakterystyczny F ma n różnych

(3.1) ∀E>0 ∀m∈IN ∃ N(E,m) ∀k,l>(E,m)||Ψk(tm) -Ψl(tm)||

t; t] ϕ’(s) ds / h(ϕ(s)) = ∫ t; t] a(s)ds , gdzie t-E < t < t < t. Stąd

warunek Lipschitza: istnieje L∈IR+, takie że

pierwiastków (rzeczywistych lub zespolonych) r1,r2,...,rn

<E/3 oraz

wynika, że ∫ ϕ(t); ϕ(t)] ds / h(s) = ∫ t; t] a(t) dt.

||f(t,x) – f(t,x)|| ≤ L||x-x|| na [a,b] x IRn,

to zespół funkcji (2-16) ϕ1(t) = exp [r1 t], ϕ2(t) = exp [r2 t],

(3.2) ∀E>0 ∃δ(E) ∀k∈IN ∀t,t’∈[a,b] |t-t’| < δ(E) ==>

Niech t --> t. Z powyższej równości wynika zbieżność całki

2) (to,xo)∈[a,b] x IRn. Wówczas istnieje C∈IR+, takie że dla

..., ϕn(t) = exp[rn t]. jest układem fundamentalnym rozwiązań

||Ψk(t) -Ψk(t’)|| < E/3.

(1.18) ∫ ϕ(t); λ] ds / h(s), co jest sprzeczne z warunkiem (ii).

(r,s) ∈ [a,b] x IRn mamy

równania (2.15).

Obieramy E > 0 i liczby N(E,m), δ(E) zgodnie z (3.1), (3.2).

Analogicznie postępujemy w pozostałych przypadkach.

(1.45) ||z(t;r,s) – z(t;to,xo)|| ≤ C[|to - r| + ||s – xo|| ],

DOWÓD. Z Twierdzenia ( Metoda Lagrange’adla równań lin.

Dzielimy przedział [a,b] na podprzedziały I1, I2,..., Ip o długości

Załóżmy teraz zbieżność całki ∫ λ; λ+E] ds / h(s) , E>0

t∈[a,b].

n-tego rzędu ) wynika, że funkcje {ϕ1,..., ϕn} są rozwiązaniami

mniejszej niż δ(e), wymienionej w (3.2). Zakładamy, że są one

Definiujemy funkcję H : [λ, µ) następująco:

DOWÓD. Istnienie rozwiązań na przedziale [a,b] wynika z tw.

rozważanego równania. Oznaczmy przez V[r1,...,rn] macierz

rozłączne i I1 ∪ I2 ∪ ... ∪ Ip = [a,b].

H(s) = ∫ λ; s] dt / h(t) dla s ∈ (λ,µ), H(λ) = 0.

1.22. Ponieważ z(t;r,s) = s +∫ r;t] f(ξ,z(ξ;r,s))dξ, t∈[a,b],

Vandermonda [1 1 .... 1 ]

W każdym przedziale Ii wybieramy jedną liczbę wymierną ri∈Ii,

Z założenia o zbieżności Całki (1.18) wynika, że H jest funkcją

więc ||z(t;r,s) –z(t;to,xo)|| ≤ ||s-xo|| + |∫ r;t] || f(ξ,z(ξ;r,s)) +

V[r1,....,rn] = | ... ].

1≤i≤p. Definiujemy liczby naturalne {m1,m2,...,mp} następująco:

ciągłą. Obieramy to∈(α,β), tak by było a(to) ≠ 0. Przypuśćmy,

-f(ξ,z(ξ;to,xo) )||dξ| + |∫ r;to] ||f(ξ,z(ξ,to,xo) )||dξ|, t([a,b].

[r^(n-1) 1 r^(n-1) 2 .... r^(n-1) n ]

tmi = ri, i = 1,2,…,p. Niech N(E) = max {N(E,m1),

dla ustalenia uwagi, że a(to) < 0. {W. a(to)>0}. Wówczas

Istnieje Co∈IR+, takie że || f(ξ,z(ξ;to,xo) )|| ≤ Co dla ξ∈[a,b].

Ponieważ W[ϕ1,....,ϕn](t) = exp[(r1+...+rn)t] Det V[r,....,rn]

N(E,m2),...,N(E,mp)}. Mamy więc implikację:

istnieje t < to, takie że ∫ to; t] a(t) dt∈[0, µo) dla t∈(t, to],

Spełniona jest więc następująca nierówność całkowa

i Det V[r1,....,rn] = ∏ i=1; n-1] ∏ j=i+1;n] (ri – rj) ≠ 0.

jeśli k,l>N(E), to ||Ψk(tmi) -Ψl(tmi)|| < E/3, i=1,...,p.

gdzie µo jest określone przez (1.15). Ponieważ H przekształca

||z(t;r,s) – z(t;to,xo)|| ≤ ||s-xo|| + Co|r –to| +

więc funkcje (2.16) są liniowo niezależne. Stanowią zatem układ

Niech t∈[a,b]. Wówczas istnieje j, 1≤j≤ p, takie że t∈Ij. Dla

przedział [λ, µ) na [0, µo), więc H^-1 : [0, µo) --> [λ, µ).

+ L| ∫ r;t] || z(ξ;r,s) – z(ξ;to,xo)||dξ|, t∈[a,b].

fundamentalny rozwiązań.

k,l>N(E) otrzymujemy ||Ψk(t) -Ψl(t)} ≤

Definiujemy funkcję ϕ następująco:

Z twierdzenia 1.12 otrzymujmy oszacowanie

Lemat 2.22 Załóżmy, że układ fundamentalny rozwiązań

≤ ||Ψk(t) -Ψk(rj)||+||Ψk(rj) -Ψl(rj)|| + ||Ψl(rj) - Ψl(t) || <

ϕ(t) = H^-1 ( ∫ to; t] a(s) ds ) dla t∈(t, to],

||z(t;r.s) –z(t;to,xo)|| ≤ [||s-xo|| +Co|r-to|] exp [L(b-a)],

{ϕ1,...,ϕn} równania (2.15) L[y]=0, o współczynnikach

< E/3 + E/3 +E/3 = E, co oznacza, że ciąg {Ψm} spełnia

ϕ(t) = λ dla t∈(to, β).

t∈[a,b]. Nierówność (1.45) jest więc spełniona dla

rzeczywistych ma postać:

jednostajny warunek Cauchy'ego na [a, b]. Jest więc

Funkcja ϕ jest rozwiązaniem problemu początkowego (1.16),

C = max{1,Co}exp[ L(b-a)]. Dowód twierdzenia jest ukończony.

ϕ1 = u1 +iv1, ϕ2 = u1 – iv1,

jednostajnie zbieżny na [a,b]. Dowód tw.jest ukończony. [].

różnym od funkcji stałej z(t) = λ, t∈(α,β). Analogicznie

ϕ3 = u2 +iv2, ϕ4 = u2 – iv2, ...

postępujemy, gdy a(to) > 0 oraz w przypadku, gdy rozbieżna

[09] Różniczkowalność rozwiązań względem warunków

ϕ2k-1 = uk +ivk, ϕ2k = uk – ivk,

[24] Istnienie E- przybliżonych rozwiązań.

jest druga z całek w (1.17). Dowód twierdzenia jest ukończony.

początkowych. HADAMARDA Twierdzenie 1.26 Jeśli

ϕ2k+1,...,ϕn są funkcjami rzeczywistymi.

Tw.3.9 Zakładamy, że

1) f : [a, b] x IRn --> IRn jest funkcją ciągłą,

Wtedy funkcje rzeczywiste

1) D ={(t,x)∈R^(l+n) : t∈[to-a, to+a], ||x-xo||≤b} i f∈C(D, Rn ),

[04] Nierówność Gronwalla. Twierdzenie 1.12 Jeśli

2) istnieje macierz poch.cząstkowych [dxj fi(t,x)] (i,j = 1,...,n) =

(2.17) {u,v1,u2,v2,...,uk,vk,ϕ2k+1,...,ϕn}

2) M= max {||f(t,x)||: (t,x)∈D}, M >0 i h = min {a, b/m}.

1) u∈C([a, b], IR) i Γ∈C([a,b],IR+), gdzie [a,b]⊂IR,

= dx f(t,x), (t,x)∈[a,b]xIRn, i dx f∈C([a,b] x IRn, Mnxn), to

stanowią układ fundamentalny rozwiązań równania (2.15).

Wtedy każdego E > 0 ∃ E- przybliżone rozwiązanie zagadnienia

2) to∈[a,b] i ∃ C∈IR+, takie że

f(t,x) – f(t,x) = ∫ 0;1] dx f(t,x+r(x-x)) dr(x-x).

DOWÓD. Łatwo sprawdzić, że

Cauchy 'ego(3.3). Jest ono określone no przedziale [to-h, to+h].

u(t) ≤ C + | ∫ to; t] Γ(s) u(s) ds|, t∈[a,b], to

DOWÓD. Niech G(r) = f(t, rx + (1-r)x), r∈[0,1].

W[ϕ1,...,ϕn](t) = (-2t)^k

Dowód. Niech m∈N i h>0 będą tak wybrane, aby mh=h. Ciąg

(1.23) u(t) ≤ C exp [| ∫ to; t] Γ(s)ds|] dla t∈[a,b].

Wówczas G’(r) = dx f(t,rx +(1-r)x)(x-x).

W[u1,v1,u2,v2,...,uk,vk,ϕ2k+1,...,ϕn](t), t∈R.

liczb {t-m, t-m+1,...,to,....,tm-1,tm} oraz ciąg wektorów

DOWÓD. Wykażemy najpierw tezę (1.23) dla t∈[to, b].

Zatem f(t,x)-f(t,x) = G(1) – G(0) = ∫ 0;1] G’(r) dr =

Ponieważ W[ϕ1,...,ϕn ](t) ≠ 0 dla t∈R, wiec funkcje (2.17) są

{x^(-m), x^(-m+1),...,x^(0),...., x^(m-1), x^(m)}, x^(k) ∈IRn,

Definiujemy Ψ(t) = C + ∫ to;t] Γ(s) u(s) ds, t∈[to, b].

= ∫ 0;1] dx f(t, x + r(x-x)) dr (x-x),

liniowo niezależnymi rozwiąż.rów.(2.15), co kończy dowód.

Def.następująco: tk = to+kh, k= -m, -m+1,...,0,....,m-1,m

Wtedy Ψ’(t) = Γ(t)u(t)≤Γ(t)Ψ(t) {W. Ψ’(t) - Γ(t) Ψ(t) ≤ 0,

co kończy dowód twierdzenia. []

Tw. 2.27 Załóżmy, że. liczby {r1,r2,...,rp} są różnymi pierwiast-

Oraz x^(0) = xo, x^(k) = x^(k-1) + hf(tk-1, x^(k-1)),

t∈[to, b]} oraz

kami (IR lub IC) wielomianu charakterystycznego F i mają

x^(-k) = x^(-k+1) -hf(t-k+1, x^(-k+1), gdzie k=1,...,m.

Ψ’(t) exp ( - ∫ to; t] Γ(s) ds ) - Γ(t)Ψ(t) exp (-∫ to; t] Γ(s)ds) ≤ 0,

[10] Zagadnienie Cauchy’ego dal układów liniowych.

krotności, odpowiednio, {m,m2,...,mp}

Wykażemy poprawność definicji ciągu {x^(k)}. Ponieważ

dla t ∈[to,b]. Stąd wynika, że d/dδ [Ψ(δ) exp(-∫

(2.1)

to;δ] Γ(s)ds)]≤0,

z’(t) = A(t) z(t) + g(t),

oraz m1 + m2 + ... + mp = n. Wówczas rodzina funkcji

(to,x^(0))∈D), więc wektory x^(1) = x^(0) +hf(to, x^(0)) i

δ∈

(2.2) z(to) = xo.

[to, b]. Całkując tę nierówność na przedziale [to, t] i biorąc

ϕ1.1(t) = exp [r1 t], ϕ1.2(t) = t exp [r1 t],..., ϕ1m1(t) =

x^(-1) = x^(0) – hf(to, x^(0)) są określone i || x^(1) –xo||≤b,

Twierdzenie 2.1 Załóżmy, że

pod uwagę, że Ψ(to) = C, otrzymujemy Ψ(t) ≤

= t^(m1-1) exp [r1 t],

|| x^(-1) –xo|| ≤ b. Załóżmy, że wektory

≤

1) A ∈C((a,b),Mnxn), g∈C((a,b),IRn), 2)(to,xo)∈(a,b)xIRn.

ϕ

C exp (∫ to; t] Γ(s)ds), t∈[to, b].

2.1(t) = exp [r2 t], ϕ2.2(t) = t exp [r2 t],..., ϕ2m2(t) =

x^(-k),...,x^(0),...,x^(k) istnieją i || x^(j) -xo||≤b

Wówczas zagadnienie Cauchy'ego (2.1), (2.2) ma dokładnie

Stąd i założenia 2) wynika oszacowanie (1.23) dla t ∈[to, b].

= t^(m2-1) exp [r2 t], ....

dla j= -k,... ,0,... ,k. Wówczas x^(k+1) i x^(-k-1) można

jedno rozwiązanie. Rozwiązanie to istnieje na przedziale (a,b).

Załóżmy, że t∈[a, to]. Niech

ϕp.1(t) = exp [rp t], ϕp.2(t) = t exp [rp t],..., ϕpmp(t) =

wyznaczyć i || x^(k+1) –xo|| ≤ h(k+1)M ≤ b,

DOWÓD. Niech [α,β]⊂(a,b) będzie takim przedziałem, że

(1.24) u(t) = u(2to -t), t∈[to, 2to-a]. {W. to+(to – a)}

= t^(mp-1) exp [rp t],

|| x^(-k+1) –xo|| ≤ h(k+1)M ≤ b,

to∈[α,β]. Udowodnimy, że istnieje rozwiązanie problemu (2.1),

Ponieważ warunki t∈[to, 2to-a] i 2to -t∈[a, to]

stanowi układ fundamentalny rozwiązań równania (2.15).

co kończy dowód indukcyjny poprawności definicji.

(2.2) na [α,β] i jest ono jedyne. Rozważmy funkcję

równoważne, więc definicja (1.24) jest poprawna i spełniona jest

Twierdzenie to jest konsekwencją lematów 2.24 i 2.26.

Niech Φ(m):[to-h, to+h]-->IRn będzie funkcją daną wzorami

f : [α,β] x IRn -> IRn, daną wzorem f(t,x) = A(t)x + g(t).

nierówność całkowa

Φ(m)(t) = x^(k) +(t-tk)f(tk, x^(k)) dla tk≤t≤tk+1,

Sprawdzimy, że f spełnia założenia twierdzenia Picarda-Lindelofa

u(2to –t) = u(t) ≤ C + ∫ to; t] Γ(2to -ξ) u(ξ)dξ, t∈[to, 2to -a].

Φ(m)(t) = x^(-k) + (t –t-k) f(t-k, x^(-k) ) dla t-k-1 ≤ t ≤ t-k,

na [α,β]xIRn. Ciągłość f jest widoczna. Wykażemy, że spełnia

[18] Twierdzenie Liouville’a (2.34) z’(t) = A(t)z(t)

Z udowodnionej już nierówności (1.23) dla t∈[to, 2to -a]

gdzie k= 0,1,...,m-1. Funkcję Φ(m) nazywamy łamaną Eulera.

ona globalny warunek Lipschitza względem drugiej zmiennej.

Tw.2.31 Jeśli A∈C((a,b),Mnxn), to∈(a,b) i {ϕ1,...,ϕn} jest

otrzym., że u(t) ≤ C exp [ ∫ to;t] Γ(2to -ξ)dξ], t∈[to, 2to –a],

Udowodnimy, że przy odpowiednim wyborze parametru h jest

Niech L = max {||A(t)|| : t∈[α,β]}. Wówczas || f(t,x) – f(t,x)||

układem rozwiązań dla (2.34), to

czyli u(2to –t) ( C exp [ ∫ to; t] Γ(2to -ξ)dξ] =

ona E- przybliżonym rozwiązaniem zagadnienia (3,3).

= ||A(t)(x-x)|| ≤ ||A(t)|| ||x-x|| ≤ L ||x-x|| na [α,β]xIRn.

(2.35) W(t) = W(to) exp [∫ to;t] Tr(s) ds], t∈(a,b),

= C exp [- ∫ to; 2to-t] Γ(δ)dδ,], t∈[to, 2to –a].-

Funkcja Φ(m) ma następujące własności:

Z twierdzenia 1.22 wynika, że zagadnienie (2.1), (2.2). ma

Gdzie Tr(s) = Σ i=1;n] aii(s), s∈(a,b).

Marny zatem u(t) ≤ C exp [|∫ to; t] Γ(δ)dδ|], t∈[a, to],

1) Φ(m)∈C([to-h, to+h],IRn) i Φ(m) (to) = xo,

dokładnie jedno rozwiązanie. Rozwiązanie istnieje na przedziale

DOWÓD. Wykażemy, że (2.36) W’(t) = W(t)Tr A(t), t∈(a,b).

co oznacza, że oszacowanie (1.23) jest prawdziwe dla

2) pochodna funkcji Φ(m) istnieje dla t∈[to-h, to+h]\Q,

[α,β]. Ponieważ przedział [α,β]⊂(a,b) jest wybrany dowolnie,

[ϕ1 1(t) ϕ1 2(t) ... ϕ1 n(t) ]

t ∈ [a, to]. Dowód twierdzenia jest więc ukończony.[]

gdzie Q ={t-m,...,to,....,tm} i funkcja d/dt Φ(m) jest

byleby tylko to∈[α,β], więc rozwiązanie problemu Cauchy'ego

[ϕi-1 1(t) ϕi-1 2(t) ... ϕi-1 n(t) ]

przedziałami stałą. Ustalmy E>0. Ponieważ f jest jednostajnie

istnieje na (a, b) i jest jednoznaczne.

Wi(t) = Det[ϕ ’ i 1(t) ϕ ’ i 2(t) ... ϕ ’ i n (t) ]

(1.22) z’(t) = f(t,z(t)), z(to) = xo

ciągła na D, więc istnieje µ(E)> 0, takie że zachodzi implikacja

[ϕ i+1 1(t) ϕ i+1 2(t) ... ϕ i+1n(t)] (...)

[05] Twierdzenie Picarda. Twierdzenie 1.13 Zakładamy, że

|t-t|<µ(E) i ||x-x||<µ(E) ==> ||f(t,x) – f(t,x)||<E,

[11] Zagadnienie Cauchy’ego rozwiązań od warunków

[ϕ n 1(t) ϕ n 2(t) ... ϕ n n(t) ]

D = {(t,x), |t-to|<a, ||x-xo||≤b}

gdzie (t,x), (t,x)∈D. Przypuśćmy, że odcinek [to-h, to+h] jest

początkowych.

Wówczas pochodna funkcji W wyraża sie wzorem

1)f∈C(D,Rn), M = max {||f(t,x)|| : (t,x)∈D}, M>0 i

podzielony na podprzedziały o długości h, spełniającej warunek

(2.2) z(to) = xo. (2.3) y^(n) *(t) +p(t)y^(n-1) (t) +...+ pn-

(2.37) W’(t) = Σ i=1;n] Wi(t), t∈(a,b).

h=min (a, b/M),

h< min {µ(E) , µ(E)/M}. Wówczas dla t∈[t-k-1, t-k] lub dla

1 (t) y’(t) +pn(t) y(t) = f(t).

Rozpatrzmy wiersz o numerze i wyznacznika Wi, Ponieważ

2) istnieje L∈IR+, takie że dla (t,x), (t,x)∈D, mamy

t∈[tk, tk+1] mamy: |t- t-k| ≤ h < µ(E), |t –tk|≤h<µ(E)

(2.4) y(to) = xo, y’(to) = xo,...,y^(n-1) (to) = xn-1

{ϕ1,...,ϕn} jest układem rozwiązań dla (2.34), więc mamy

||f(t,x) – f(t,x)|| ≤ L||x-x||.

oraz ||Φ(m) (t) –x^(k)|| ≤ |t-tk| ||f(tk, x^(k)|| ≤ hM < µ(E),

(2.5) z’(t) = A(t) z(t) + g(t), z(to) = x.

ϕ ’ i 1(t) = ai i(t) ϕi 1(t) + Σ k=1,k≠i;n] ai k (t) ϕk 1 (t), (...)

Wtedy ∃ dokładnie jedno rozwiązanie zagadnienia (1.22).

t∈[tk, tk+1],

Twierdzenie 2.2 Przypuśćmy, że

ϕ ’ i n(t) = ai i(t) ϕi n(t) + Σ k=1,k≠i;n] ai k (t) ϕk n (t),

Rozwiązanie to jest określone na przedziale [to - h, to + h].

||Φ(m) (t) –x^(-k)|| ≤ |t -t-k| ||f(t-k, x^(-k)|| ≤ hM <µ(E),

p,p2,...,pn :(a,b) -->IR i f:(a,b) -->IR. Jeśli ϕ : (a, b) -> R jest

gdzie t ∈ (a,b). Rozłóżmy wyznacznik Wi(t) na sumę dwu

DOWÓD. Rozważmy równanie całkowe

t∈[t-k-1, t-k]. Jeśli więc t∈(tk, tk+1), to

rozwiązaniem zagadnienia (2.3), (2.4), to funkcja

wyznaczników, biorąc za podstawę powyższe równości.

(1.25) z(t) = xo + ∫ to;t] f(s, z(s))ds.

||d/dt Φ(m) (t) -f(t, Φ(m) (t) )|| =

u(t) = (ϕ(t), ϕ’(t),....,ϕ^(n-1) (t))T, t ∈(a,b),

Otrzymamy wtedy Wi(t) = aii (t) W(t), i=1,....,n.

Otrzymaliśmy je przez, całkowanie równania różniczkowego w

= ||f(tk, x^(k) ) – f(t,Φ(m) (t) )|| < E.

jest rozwiązaniem zagadnienia (2,5).

Stąd i z (2.37) mamy równość (2.36).

(1.22) i uwzględnienie warunku początkowego.

Dla t∈(t -k-1, t-k) mamy też ||d/dt Φ(m) (t) -f(t, Φ(m) (t) )||

Jeśli u = (u1,...,un)T : (a, b)--> Rn jest rozwiązaniem problemu

Z (2.36) wynika, że funkcja W : (a,b)-> R jest rozwiązaniem

Funkcję u:[α,β] --> Rn, gdzie [α,β]⊂ [to –a, to+a] i to∈[α,β],

= ||f(t -k, x^(-k) ) – f(t,Φ(m) (t) )|| < E. Oznacza to, Φ(m)

(2.5), to ϕ= u1 jest rozwiązaniem zagadnienia (2.3), (2.4).

równania liniowego w’(t) = w(t)Tr(t), t∈(a,b).

nazywamy rozwiązaniem równaniu (1.25), jeśli u∈ C([α,β],IRn),

jest E- przybliżonym rozwiązaniem zagadnienia (3,3) na [to-h,

DOWÓD, Jeśli ϕ:(a,b)-> R jest rozwiązaniem zagadnienia (2.3),

Stąd otrzymujemy tezę (2.35).

(t, u(t))∈D dla, t∈[α,β] i u przeprowadza (1,25) w tożsamość na

to+h]. Dowód twierdzenia jest ukończony. [].

(2.4), to dla funkcji u = (u1,...,un)T, danej wzorami

[α,β].

u1 = ϕ, u2=ϕ’,..., un = ϕ^(n-1),

[19] Rozwiązanie ogólne dla układu liniowego.

Udowodnimy, że zagadnienie początkowe (1.22), to całkując

[25] Twierdzenie Peano o istnieniu rozwiązań

(2.6}) mamy u’1(t) = u2(t), ......, u’n-1(t) = un(t),

(2.1) z’(t) =A(t) z(t) + g(t), (2.2) z(to) = xo,

równość

(3.3) z’ (t) = f(t, z(t)), z(to) = xo. Tw. 3.10 Jeśli f∈C(D,IRn) i

(}) u’n(t) = -p1(t) un(t) –p2(t)un-1(t) -...-pn(t) u1(t) +f(t) oraz

(2.34) z ‘(t) = A(t) z(t)

u’(t) = f(t, u(t)), t∈[α,β] , {W. ...}

M≥max{||f(t,x)|| : (t,x)∈D}, M>0, h=min{a, b/M},

u(to) = x, co kończy dowód pierwszej części twierdzenia.

Tw. 2.33 Zakładamy, że 1) A∈C((a,b),Mnxn), g∈C((a,b),IRn),

i uwzględniając warunek początkowy z (1.22), otrzymujemy

to zagadnienie (3.3) ma rozwiązanie na przedziale [to-h, to+h].

Jeśli u=(u1,...,un)T : (a,b) -> IRn jest rozwiązaniem

2) {ϕ1,...,ϕn} Jest układem fundamentalnym rozwiązań układu

(1.26) u(t) = xo + ∫ to, t] f(s, u(s)) ds, t∈[α,β],

DOWÓD. Rozpatrzmy równanie całkowe

zagadnienia (2.5), to zachodzą równości (2.6) i dla ϕ=u1 mamy

jednorodnego (2.34),

co oznacza, że u jest rozwiązaniem równania (1.25) na [α,β].

(3.4) z(t) = xo + ∫ to;t] f(r,z(r)) dr

(2.7) u1=ϕ, u2=ϕ’, u3=ϕ’ , ..., un =ϕ^(n-1)

3) Ψ = (Ψ1,...,Ψn)T : (a,b) ->IRn jest rozwiązaniem układu

Przypuśćmy teraz, że u : [α,β]-->IRn spełnia równanie całkowe

w zbiorze funkcji ciągłych na [to-h, to+h]. Łatwo wykazać, że

oraz ϕ^(n) (t) = -p1(t) ϕ^(n-1) (t) -p2(t) ϕ^(n-2) (t) -...

(2.1). Wówczas rodzina funkcji

(1.25). Wtedy spełniona jest równość (1.26), z której wynika, że

zagadnienie Cauchy'ego (3.3) jest równoważne z równaniem

...-pn(t) ϕ(t) +f(t), t∈(a,b),

ϕ(t,c) = c1ϕ1(t) +...+ cnϕn(t) + Ψ(t), t∈(a,b),

u(to) = xo i u'(t) = f(t, u(t)) dla t ∈[α,β].

(3.4). Udowodnimy istnienie rozwiązania równania (3.4).

co oznacza, że funkcja ϕ spełnia równanie (2.3) na (a, b). Z

gdzie ci∈R, 1≤t≤n, jest rozwiązaniem ogólnym układu liniowego

Udowodnimy istnienie rozwiązania równania (1.25) na przedziale

Niech {Em} będzie nieskończonym ciągiem liczbowym, takim że

(2.7) wynika, że ϕ spełnia warunek początkowy (2.4). Dowód

(2.1) w tym sensie, że

[to-h, to+h]. Rozpatrzmy nieskończony ciąg funkcji {ϕm},

Em>0 dla m∈IN i lim{} Em=0. Oznaczmy przez {Φ(*,Em)} ciąg

twierdzenia jest ukończony.

(i) dla każdego układu stałych c1,..., cn funkcja c1ϕ1+...+cn+Ψ

określony następująco: (1.27) ϕo(t) = xo, t∈[to-h, to+h],

łamanych Eulera, będących Em-przybliżonymi rozwiązaniami

jest rozwiązaniem układu (2.1),

(1.28) ϕm+1(t) = xo + ∫ to; t] f(s, ϕm(s)) ds, m≥1.

zagadnienia (3.3) na [to-h, to+h]. Wtedy {Φ(*,Em)} jest

[12] Układy fundamentalne rozwiązań dla równań

(ii) dla dowolnego warunku początkowego (2.2), gdzie

Wykażemy, że funkcje ϕm, m≥0, są określone na przedziale

ciągiem wspólnie ograniczonym na [to-h, to+h] oraz

liniowych n-tego rzędu. (2.8) y^(n) (t) +p1(t) y^(n-1) (t)

(to,xo)∈(a,b)xIRn, istnieje układ stałych c,...,cn, taki ze

[to-h, to+h]. Własność ta jest równoważna z warunkiem

Φ(t,Em) -Φ(t,Em) = (t-t) f(tk, x^(k) ) dla t,t∈[tk, tk+1],

+...+ pn-1 (t) y’(t) +pn(t) y(t) = 0

rozwiązanie c1ϕ1+...+cnϕn+Ψ, układu (2.1) spełnia war.(2.2).

(1,29)

Φ

(t, ϕm(t))∈D dla t∈[to-h, to+h].

(t,Em) -Φ(t,Em) = (t-t) f(t-k, x^(-k) ) dla t,t∈[t-k-1, t-k],

Przyjmijmy następującą definicję. Zespól funkcji {ϕ1,...,ϕn},

DOWÓD. Wykażemy warunek (i). Z założeń 2) i 3) wynika, że

Jest on spełniony dla m = 0. Załóżmy, że dla pewnego m ≥ 0

Mamy więc oszacowania ||Φ(t,Em) -Φ(t,Em)|| ≤ M|t-t|

stanowiący liniowo niezależne rozwiązania równania (2.8),

ϕ’(t,c) – A(t) ϕ(t,c) –g(t) =

mamy (t, ϕm(t))∈D dla t∈[to-h, to+h]. Wówczas

dla t,t∈[tk, tk+1] lub t,t∈[t-k-1, t-k]. Stąd łatwo wynika, że

nazywamy układem fundamentalnym rozwiązań tego równania.

= Σ i=1;n] c1[ϕ’ i(t) –A(t)ϕi(t)]+Ψ’(t) –A(t)Ψ(t) –g(t) = 0

||ϕm+1(t) –xo|| ≤ M|t-to|≤b dla t∈[to-h, to+h],

funkcje ciągu {Φ(*,Em)} spełniają jednostajny warunek

Twierdzenie 2.8 Jeśli pi ∈ C((a,b),R) dla 1≤i≤n, to istnieje układ

dla t∈(a,b), co kończy dowód własności (i).

co kończy dowód indukcyjny warunku (1.29).

Lipschitza na przedziale [to-h, to+h] ze stalą M. Zatem

fundamentalny rozwiązań równania (2.8),

Wykażemy warunek (ii). Zauważmy, że spełnienie warunku

Wykażemy, że ciąg {ϕm} jest jednostajnie zbieżny na przedziale

{Φ(*,Em)} jest ciągiem funkcji jednakowo ciągłych na

Dowód. Oznaczmy przez {ϕ1,...,ϕn} rozwiązania równania

początkowego (2.2) przez ϕ( ■, c) jest równoważne ze

[to-h, to+h]. W tym celu udowodnimy oszacowanie

[to-h, to+h]. Z twierdzenia Atzcli-Ascoliego wynika, że istnieje

(2.8), określone przez następujące warunki początkowe:

znalezieniem takiego wektora c = (c1,... cn)T, że

(1.30) ||ϕm(t) -ϕm-1(t)||≤ M (L^m-1 |t-to|^m /m!) dla

ϕ

podciąg zbieżny jednostajnie na [to-h, to+h]. Oznaczmy ten

1: y(to)=1, y’(to)=0,...,y^(n-2) (to) = 0, y^(n-1) (to) = 0,

Φ(to)c +Ψ(to) = xo.

t∈[to-h, to+h], gdzie m ≥ 1, Łatwo sprawdzić, że nierówność ta

podciąg znowu przez {Φ(*,Em)}. Niech Φ(t)=lim{} Φ(t,Em),

ϕ2: y(to)=0, y’(to)=1, y’’(to)=0,...,y^(n-2) (to) = 0, y^(n-1) (to)

Ponieważ Det Φ(t0)≠0, więc powyższy układ liniowy ma

jest prawdziwa dla m = 1. Załóżmy teraz , oszacowanie (1.30)

t∈[to-h, to+h]. Wówczas Φ∈C([to-h, to+h],IRn).

= 0, ...

dokładnie jedno rozwiązanie. Dowód twierdzenia jest ukończony.

dla pewnego m ≥ 1. Wówczas ||ϕm+1(t) -ϕm(t)|| ≤

ϕ

Definiujemy funkcje αm: [to-h, to+h]-->IRn następująco:

n: y(to)=0, y’(to)=0, ...,y^(n-2) (to) = 0, y^(n-1) (to) = 1.

≤ | ∫

α

to; t] ||f(s, ϕm(s)) – f(s, ϕm-1(s))||ds| ≤

m(t) = d/dt Φ(t,Em) –f(t,Φ(t,Em)),

Wów.Φ(to) jest macierzą jednostkową i W[ϕ1,...,ϕn](to) = 1. Są

[20] Definicja macierzy e^At i jej własności.

≤

jeśli t∈(tk, tk+1) lub t∈(t-k-1, t-k) dla pewnego k, -m+1≤k≤m-1,

|∫ to; t] L||ϕm(s) -ϕm-1(s)||ds|≤|∫ to;t] L^m M(|s-to|^m / m!)

to więc rozwiązania liniowo niezależne na (a, b), co kończy

Tw.2.40 Niech E ∈Mnxn oznacza macierz jednostkową A∈Mnxn.

oraz αm(t)=0 dla t=tk lub t=t-k, k=0,...,m. Wtedy

ds| = M (L^m |t- to|^m+1 / (m+1)!) , t ∈[to-h, to+h],

dowód twierdzenia.

Wówczas szereg macierzowy potęgowy

(3.5) Φ(t,Em)= yo+ ∫

co kończy dowód indukcyjny nierówności (1.30).

to;t] f(r,Φ(r,Em) )ds + ∫ to;t] αm(r)dr,

Uwaga 2.9 Z analizy dowodu twierdzenia 2.8 wynika, że

(2.40) E+ (A/1!) + (A^2/2!) +...+ (A^m/m!)+... jest zbieżny.

t∈[to-h, to+h] ; oraz ||∫ to;t] αm(r)dr || ∫ Emh,

Zauważmy teraz, że zbieżność jednostajna na przedziale

równanie (2.8) ma nieskończenie wiele układów

DOWÓD. Niech k i m będą liczbami naturalnymi. Niech, dla

t∈ [to-h, to+h]. Przechodząc do granicy przy m-->∞ w (3.5),

[to-h, to+h], ciągu {ϕm} jest równoważna zbieżności

fundamentalnych.

ustalenia uwagi, bidzie k > m. Wówczas dla sum częściowych

jednostajnej na tym przedziale szeregu funkcyjnego

stwierdzamy, że funkcja Φ spełnia równanie całkowe (3.4), co

rozważanego szeregu

kończy dowód twierdzenia Peano. [].

(1.31) ϕ0 + (ϕ1-ϕo) + (ϕ2-ϕ1) +...+ (ϕm -ϕm-1) +... .

Sk = E + (A/1!) +...+ (A^(k-1) / (k-1)!),

Wynika to z faktu, że ciąg sum częściowych szeregu (1,31) jest

[13] Rozwiązanie ogólne równań liniowych n-tego rzędu.

Sm = E + (A/1!) +...+ (A^(m-1) / (m-1)!), mamy

identyczny z ciągiem {ϕm}. Z (1.30) wynika, że wyrazy szeregu

(2.8) y^(n) (t) +p1(t) y^(n-1) (t) +...

(2.41) ||Sm –Sk|| = || (A^m/m!) +...+ (A^(k-1)/(k-1)!)|| ≤

(1.3) z’(t) +a(t)z(t) = h(t)

liczbowego

...+ pn-1 (t) y’(t) +pn(t) y(t) = 0

≤ Σ i=m; k-1] (||A||^i/i!). Ponieważ szereg liczbowy

(1.6) u(t) = xo exp ( -∫ to;t] a(s) ds),

||xo|| + M h/1! + M Lh^2 /2! +...+ M L^m-1 h^m / m! +...,

Twierdzenie 2.14 Załóżmy, że pi∈ C((a,b),R) dla 1≤ i ≤ n oraz

1 + (t/1!) +...+ (t^j / j!)+... jest zbieżny dla każdego t∈R, więc

(1.7) z(to)=0

który jest zbieżny, majoryzują odpowiednie wyrazy szeregu

f ∈ C((a,b),R). Jeśli

z oszacowania (2.41) wynika teza twierdzenia.

(1.10) z’(t) = a(t) h(z(t)),

funkcyjnego (1.31). Zatem szereg (1.31) jest jednostajnie

1) {ϕ1,...,ϕn} jest układem fundamentalnym rozwiązań równania

Tw.2.40 jest prawdziwe także dla macierzy kwadratowych o

(1.11) z(to) = xo,

zbieżny na przedziale [to-h, to+h] i istnieje ϕ = lim{m-->∞} ϕm,

liniowego jednorodnego (2.8),

zespolonych elementach. Będziemy później z tego korzystać.

(1.15) δo = inf{H(s), s∈(δ, µ)}, µo = sup{H(s) : s∈(δ, µ)} .

przy czym zbieżność jest jednostajna na [to-h, to+h].

2) Ψ jest rozwiązaniem równania (2.11), to rodzina funkcji

Sumę szeregu (2.40) oznaczamy przez e^A lub exp(A).

(1.22) z’(t) = f(t,z(t)), z(to) = xo

Rozpatrzmy ciąg funk.{Ψm}, gdzie Ψm : [to-h, to+h] -> IRn i

(2.12) Φ(t,c) = Σ i=1;n] ci ϕi (t) + Ψ(t), t∈(a,b),

Z udowodnionego twierdzenia wynika, że dla dowolnej macierzy

Ψ

(1.34) z’(t) = f(t,z(t)), z(to) = xo.

m(t) = f(t, ϕm(t)), t∈[to-h, to+h] Ponieważ f jest funkcją

c=(c1,...,cn)∈IRn, jest rozwiązaniem ogólnym równania (2,11).

A∈Mnxn i dla każdego t∈R istnieje macierz

ciągłą jednostajnie na zbiorze D, więc ciąg {Ψm} jest

Dowód. Niech L będzie operatorem różniczkowym określonym

(2.42) e^At = E + (At/1!) + ((A^2 t^2)/2!) +...

[ S P I S T R E Ś C I ]

jednostajnie zbieżny na [to-h, to+h], Przechodząc zatem do

następująco: L[z](t) z^(n) (t) +p1(t) z^(n-1) (t)+...

…. + ((A^m t^m)/m!)+.... = Σ k=0;∞] ((A^k t^k)/k!)

[I] [01] Zagadnienie Cauchy’ego dla równania liniowego.

granicy przy m-->∞ w (1.28), otrzymujemy

...+pn-1(t) z’(t) +pn(t) z(t), t∈(a,b),

Niech e^At = [bij(t)] (i,j = 1,...,n).

ϕ

[02] Zagadnienie Cauchy’ego dla r-nia rozdzielnego,

(t) = xo + ∫ to; t] f(s, ϕ(s))ds, t∈[to-h, to+h],

gdzie z jest funkcją klasy Cn na (a,b). Wówczas

Dla każdej pary indeksów (i,j), 1≤i, j≤n, funkcja bij jest sumą

przypadek regularny.

co kończy dowód istnienia rozwiązania, problemu (1.22)

L[Φ(*,c)](t) = Σ i=;n] c1 L[ϕi](t) +L[Ψ](t) = f(t), t∈(a,b).

szeregu potęgowego zbieżnego na R. Zatem pochodne b’ ij

[II] [03] Zagadnienie Cauchy’ego dla r-nia rozdzielnego,

Udowodnimy teraz jednoznaczność rozwiązania zagadnienia

Stąd wynika, że funkcja Φ(-,c), określona wzorem (2.12) jest

istnieją na R i są sumami szeregów otrzymanych przez

przypadek osobliwy.

(1.22) na dowolnym przedziale [α, β] ⊂ [to-h, to+h],

rozwiązaniem równania (2.11).

różniczkowanie szeregu (2.42). Ponieważ

[04] Nierówność Gronwalla.

zawierającym punkt to. Jeśli u, v : [α,β]-->IRn są

Przypuśćmy, że u jest rozwiązaniem równania (2.11). Określmy

(d A^i t^i) / (dt i!) = i (A^i t^i-1) / i! =

[III][05] Twierdzenie Picarda.

rozwiązaniami, to funkcja w(t) = ||(u-v)(t)||, t∈[α,β], spełnia

wektor c = (c1,....,cn)∈IRn jako rozwiązanie układu

= A (A^(i-1) t^(i-1)) / (i-1)! = ((A^(i-1) t^(i-1)) / (i-1)! ) *A,

[IV] [06] Twierdzenie Picarda – Lindelofa.

nierówność całkową w(t) ≤ |∫ to; t] Lw(s)ds|, t∈[α,β]

[ϕ1(to) ϕ2(to) ... ϕn(to) ] [c1]

Więc (d/dt) e^At = Σ i=1;∞] A (A^(i-1) t^(i-1)) / (i-1)! =

[V] [07] Zależność rozwiązań od parametrów.

Z nierówności Gronwalla wynika, że w = 0, czyli u = v. Dowód

[ϕ’1(to) ϕ’2(to) ... ϕ’n(to) ] [c2] .... =

= Σ i=1;∞] (A^(i-1) t^(i-1)) /(i-1)!) A = Ae^At = e^At A.

[08] Zależność rozwiązań od warunków początkowych.

twierdzenia Picarda jest ukończony. []

[ϕ^(n-1) 1(to) ϕ^(n-1) 2(to) ... ϕ^(n-1) n(to)] [cn]

Wykazaliśmy więc, że (2.43) (d/dt) e^At = A e^At = e^At A.

[VI] [09] Różniczkowalność rozwiązań względem warunków

[ u(to) ] [ Ψ(to) ]

początkowych. HADAMARDA

= [ u’(to) ] - [ Ψ’(to) ] ....

[10] Zagadnienie Cauchy’ego dal układów liniowych.

[u^(n-1) (to)] [Ψ^(n-1) (to) ]

[VII][11] Zagadnienie Cauchy’ego rozwiązań od warunków

gdzie to jest ustalonym punktem przedziału (a,b). Wtedy funkcja

początkowych.

Φ(t,c) = Σ i=1;n] ci ϕ(t) + Ψ(t), t∈(a,b)

[VIII][12] Układy fundamentalne rozwiązań dla równań

jest rozwiązaniem równania różniczkowego (2.11) i

liniowych n-tego rzędu.

u(to) = Φ(to,c), u’(to)=Φ’(to,c),...,u^(n-1) (to) =

[13] Rozwiązanie ogólne równań liniowych n-tego rzędu.

= Φ^(n-1) (to,c). Zgodnie z twierdzeniem o jednoznaczności

[IX] [14] Tw.Liouville’a dla równań liniowych n-tego rzędu.

rozwiązań problemu Cauchy’ego, mamy więc u=Φ(*,c), co

[X] [15] Metoda Lagrange’adla równań lin.n-tego rzędu.

kończy dowód twierdzenia. (...) Zbiór rozwiązań równania (2.8)

[XI] [16] Konstrukcja układu fundamentalnego rozwiązań dla

jest więc przestrzenią liniową wymiaru n. Jej bazą jest układ

równań n-tego rzędu o stałych współczynnikach.

fundamentalny rozwiązań.

[17] Układy fundamentalne rozwiązań dla układów równań

różniczkowych liniowych.

[XII][18] Twierdzenie Liouville’a

[19] Rozwiązanie ogólne dla układu liniowego.

[XIII][20] Definicja macierzy e^At i jej własności.

[21] Konstrukcja macierzy fundamentalnej dla układu

liniowego o stałych współczynnikach.

[XIV] [22] ALGORYTM PUTZERA

[XV] [23]Twierdzenie Arzeli-Ascoliego

[XVI] [24] Istnienie E- przybliżonych rozwiązań.

[XVII][25] Twierdzenie Peano o istnieniu rozwiązań