А.Н. Тихонов О зависимости решений дифференциальных уравнений от малого параметра. Настоящая статья посвящена изучению решения уравнения y t, dny dy d n 1 y F t , y , ,..., dt dt n dt n 1 0, определяемого условиями d k y 0 y 0 k k dt при 0. При 0 k 0,1,..., n 1 мы получаем вырожденное уравнение dy d n1 y F t , y, ,..., n1 0, dt dt решения которого уже определяются меньшим числом начальных условий. Вопрос заключается в следующем: 1) будет ли решение полной системы вместе с производными до n 1 -го порядка d k y t , k k 0,..., n 1 dt при 0 стремиться в пределе к решению вырожденного уравнения, 2) к какому решению вырожденного y k уравнения будут стремиться t , , если вырожденная система распадается на несколько нор- мальных уравнений: d n 1 y d n2 y i t , y ,..., n 2 dt n 1 dt 97 Избранные труды ( i - корни уравнения F t , y, y такой предел устойчив 1 ,..., 0) и, наконец, 3) будет ли при k 1,..., n 1 ? k y0 малых изменениях Подобная задача для линейных уравнений рассматривалась в статье Чень-Юй-и (Yu-Why-Tshen, [1]), где доказано, что решения уравнений yi t dny d n 1 y i t n b1 n1 ...bn y 0, dt dt определяемые условиями d k y 0 y 0k , dt k сходятся при условии, что lim i t 0 i i t 0, к решению вырожденного уравнения, если b1 t 0. В настоящей статье охвачен этот результат. Для простоты мы считаем постоянным, хотя наши результаты не изменяться, если вместо параметра i t 0. 0 ввести последовательность функций Мы приводим здесь также новый метод доказательства теоремы Пуанкаре (Poincare, [2], стр. 58) об аналитической зависимости решения уравнения от параметра в случае, когда правая часть уравнения аналитически зависит от этого параметра. Предлагаемый метод легко переносится на ряд более сложных задач. §1 1. По соображениям удобства, а также общности метода мы будем рассматривать систему уравнений 98 Академик А.Н.Тихонов dxi f i t , xi , z dt dz F t , x i z dt и решения ее xi t, , z t, i 1,..., n 1 0 i 1,...,n 1 , (1) (2) определяемые начальными условиями xi t0 , xi0 , z t0 , z 0 i 1,...,n 1. При (3) 0 система принимает вырожденный вид: dxi f i t , xi , z dt i 1,..., n 1 F t , xi z 0 Пусть (4), (4) z t , xi (5) F t , xi , z 0 . Вопрос, подлежащий какой-либо корень уравнения исследованию, состоит в выяснении того, что будет ли решение (2) системы (1) стремиться при 0 к кривой, определяемой системой уравнений i 1,.., n 1 dxi f i t , xi , t , x i dt (6) и условиями xi t0 xi0 , i 1,...,n 1 (7) эту кривую мы в дальнейшем будем обозначать через xi t i 1,...,n 1 (8) При этом мы будем обозначать также 99 t , xi t через z t : Избранные труды z t = t , xi t (8’) Следующий вопрос состоит в том, что будет ли зависеть предел (2) при 0 0 от выбора z и будет ли этот предел устойчив при малых изменениях начальных условий (3). В отношении правых частей мы будем предполагать, что они ограничены, непрерывны по t , xi i 1,..., n 1 и z во всей области их определения и таковы, что функция z t , xi непрерывна по t , xi и решение вырожденной системы однозначно определяется начальными условиями. На функцию F будет наложен ряд дополнительных условий, определяющих поведение системы (2) при 0 . 2. Пусть z t , xi i 1,..., n 1 (5) - корень уравнения F t , xi , z 0, (4) определенный в некоторой области рой точка t 0 D переменных t , xi , для кото- , xi 0 является внутренней. Будем предполагать, что (5) F t , xi , z меняет знак при переходе через (5), а именно, что для всякой области d , является изолированным корнем (4), причем функция лежащей вместе со своей границей внутри такое 0 D d D , существует , что знаки F t , xi , и F t, xi , 0 различны для любого 3. Будем называть 0. z t , xi устойчивым корнем уравнения (4), если F t , xi , 0 и F t , xi , 0 0 100 0 . (9) Академик А.Н.Тихонов Достаточным условием устойчивости корня в случае дифферен- F t , xi , z по z является следующее: цируемости функции F t , xi , 0. z (10) 4. Будем называть некоторую поверхность z h t , x i определенно ориентированной относительно системы уравнений dx i i t, xi , z dt dz t , x i , z dt i 1,..., n 1 (11) (или систему уравнений (12) относительно поверхности (11)) в области d переменных t, x i если все векторы, определяемые правыми ча- стями этой системы в точках поверхности z h , пересекают эту поверхность в определенном направлении сверху вниз или снизу вверх. Если ,функция z h t , xi - гладкая и не имеет нормалей, перпендику- лярных оси z , то аналитическим условием для определенной ориентированности поверхности (11) относительно системы (12) (или системы (12) относительно поверхности (11)) является постоянство знака выражения cos n t cos n x i h h S , i cos nz t xi i cos n z где через n обозначена нормаль к поверхности, образующая с осью z острый угол. Если S 0 , то векторы направлены снизу вверх относительно поверхности, а если S 0 , то - сверху вниз. Очевидно, что кривые, определяемые решениями системы (12), пересекают поверхность (11) в том же направлении, как и рассматриваемые векторы. 5. Обратимся к системе (1). Очевидно, что всегда можно найти гладкие поверхности 101 Избранные труды z h t , xi и z H t , xi , не имеющие нормалей, перпендикулярных оси z , и такие, что t , x i h t , x i t , x i , t , xi H t , xi t , xi . Как нетрудно видеть, существует такое 0 0 , что для всякого векторное поле, задаваемое правыми частями системы (1), определенно ориентировано относительно h и H . При этом, если z t , xi - устойчивый корень, то для поверхности h поле направлено снизу вверх, а для H - сверху вниз. В самом деле, при достаточно малом h h 1 f i F t , x i , h 0, t xi H H 1 S H f i F t , x i , H 0, t xi S h так как знак S определяется последним слагаемым, а в силу устойчивости поверхности , мы имеем: F t , xi , h 0 и F t , xi , H 0; остальные же слагаемые ограничены. Очевидно, что если решение си- xi t , , zt , при 0 для некоторого t t1 пересекается с поверхностью z h или z H , то для всех последующих t стемы это решение будет заключено между этими поверхностями: h t , x i t , z t , H t , x i t , 6. Если корень t t 1 z t , xi не является устойчивым, то ориен- тация векторного поля относительно поверхностей h и H будет противоположной. Отсюда следует, что если начальная точка 0 0 0 t , x i , z не лежит на поверхности z , то решение (2) систе- мы (1) не может приближаться при 0 102 к кривой x i t , z t , Академик А.Н.Тихонов определяемой (8) и (8). Для некоторых систем может случиться, что решение (2) при всех лежит на поверхности z t , xi , когда z 0 t 0 , x i 0 . Это имеет место, например, для системы dx i dz f i 0, F z z 0 , dt dt z , то z t, z . Если мы обозначим через X вектор в пространстве t , x с компонентами 1, f и если grad , X 0, то этого уже не будет. Если даже кривая x t , , z t , лежит на поверхности В этом случае, если z t 0 0 0 i i i z , то очевидно, что среди кривых с немного измененными 0 начальными значениями x i , z клоняются от рассматриваемой. Итак, если 0 найдутся такие, которые сильно от- z t , xi - неустойчивый корень уравнения F t , xi , z 0 , , то не существует таких начальных значений t 0 , x i 0 , z 0 для которых кривая xi t , , z t , при 0 стремилась бы устойчиво (в отношении начальных значений) к кривой xi t , z t , определяемой вырожденной системой dx i f i t , x i , t , x i , x i t 0 x i 0 , z t t , x i t dt xi t , , z t , непрерывно зависел от (т.е. так, чтобы предел начальных значений). 7. Назовем областью влияния устойчивого корня z купность точек ( t 0 0 , xi , z 0 ) для которых sign F (t 0 , xi0 ,z)sign F t 0 , xi0 ,z 0 для всех z в промежутке z , t 0 0 103 0 , xi , т.е. сово- Избранные труды z 0 t 0 , xi0 и F (t ли z 0 0 z 0 z t 0 , x i 0 , F ( t 0 , x i 0 , z ) > 0 для если , x i 0 , z ) < 0 для z 0 z t 0 , x i 0 , ес- t 0 , x i 0 . Теорема. Если точка t 0 , x i 0 , z 0 - внутренняя по отноше- нию к области влияния устойчивого корня F t , xi , z 0, z t , x i уравнения то lim x i t , x i t 0 и lim zt , z t t, xi t 0 где система функций t t , 0 xi t и z t определяется условиями (6)- (8). Этот предел будет непрерывно меняться при непрерывном изменении начальных условий. Будем для определенности рассматривать точку z 0 t 0 , x i 0 . Если эта точка лежит внутри области влияния корня z , то найдется такое 0 , что все точки t , xi , z , для ко- торых t t 0 0, x i x i 0 0, z 0 z t , x i принадлежат к той же области. Совокупность таких точек обозначим через U . Пусть нам дано произвольно малое 0 0 . Рассмотрим поверхности z h x, t и z H x, t , для которых t , xi 0 h t , xi t , xi H t , xi t , xi 0. Обозначим соответственно через M и числа, удовлетворяющие условиям: 104 Академик А.Н.Тихонов f i t , xi , z M i 1,..., n 1, t, x , z U и M 1; F t , x , z , t , x , z U и z h t , x . i i i i 0 Пусть t1 - произвольное число t чим через t1 0 первое 0 t1 0 t 0 значение, при 0 M . Обозна- котором кривая xi t , , z t , пересекает поверхность h t , xi . Очевидно, что та- кое значение при достаточно малом существует и t1 t1 0 , так 0 как, допуская противное, получим, что, покуда t1 t z 0 z ht , xi t , 0 0 и dz 1 F . dt Если положим l max ht , x i z 0 для x x i 0 0, t t 0 0 , то мы приходим к противоречию при значениях удовлетворяющих неравенству 0 0 t t l 1 Итак, кривая т.е. для t1 0 t 0 xi t , , z t , l . пересекает поверхность z h t , xi на как угодно малом интервале t , t1 , если только 0 0 xi t , , z t , попала между поверхностями h и H , то при достаточно малом она из этой обладостаточно мало. Далее, если кривая сти никогда не выйдет, т.е. h t , xi t , z t , H t , xi t , . Отсюда следует, что 105 Избранные труды z t , t , xi t t , , где t, 0 . Далее, заключаем, что система функций xi t , удовлетворяет си- стеме уравнений dx i f i t , x i , t , x i t , dt при начальных условиях xi t1 , xi 0 i , При этом, при i 0 . 0, t1 t 0 , xi t1 , xi 0 , f i t , xi , t , xi t , f i t , xi , t , xi f t , xi , z и t , xi по предположению ограничены и непрерывны по x i и z . Отсюда получим, пользуясь теоремой Арцеля Функции (Arzela) и предположением о единственности решения вырожденной системы1, что для t t 0 lim x i t , x i t , 0 откуда заключаем далее, что lim z t , z t t , x i t для t t 0 0 0 причем эта сходимость - равномерная в области t t1 t . 8. Рассмотрим случай, когда правые части системы (1) определены и непрерывны для всех значений z, z . Областью влияния будем называть совокупность точек t 0 , x i 0 , z 0 для которых Замечанием о том, что в этом рассуждении можно ограничиться единственность вырожденной системы, не предполагая единственность полной системы, как мы это делели раньше, мы обязаны М.А. Крейнесу. 1 106 Академик А.Н.Тихонов F t 0 , x i 0 , z 0 для всех z , z 0 z , а областью влияния - совокупность точек которых F t 0 , x i 0 , z 0 для всех t , x , z 0 0 0 i для z , z 0 z . Нетрудно установить, подобно предшествующему, что интегральная xi t , , z t , , имеющая своими начальными значениями кривая t , x , z , соответствующие внутренней точке области влияния 0 0 0 i (или ), при 0 будет стремиться к кривой, определяемой системой dx i f t , x i , dt с начальными значениями x i t 0 x i 0 , причем lim z t , 0 t t 0 (и аналогично для ). Кроме того, при непрерывном изменении начальных условий предел будет также меняться непрерывно. 9. Если уравнение F t , x i , z 0 имеет лишь конечное число изолированных корней z t , x i , то каждая точка t , xi , z , не принадлежащая поверхностям, определяемым этими корнями, либо принадлежит области влияния какого-либо устойчивого корня (допуская в том числе корни ), либо лежит на границе областей влияния устойчивых корней. Чтобы убедиться в этом, достаточно из точки t , x , z двигаться по параллелям оси 0 0 0 i z соответственно вверх или вниз в зависимости от того, положительно или отрицательно F t 0 , x i 0 , z 0 ; при этом движении F t 0 , x i 0 , z 0 сохраняет знак, пока эта функция либо обратиться в нуль, либо пока мы не дойдем 107 Избранные труды до бесконечности. В том и в другом случае эта предельная точка определит нам устойчивый корень так, что t , x , z является внут0 0 0 i ренней или граничной точкой области влияния этого устойчивого корня. Отметим, что если F t , xi , z имеет более чем один корень, то наряду с устойчивыми обязательно будут и неустойчивые корни, являющиеся границами областей влияния устойчивых корней. Предел кри- xi t , , zt , , исходящих из точки t 0 , x i 0 , z 0 , лежащей на границе различных областей влияния, при 0 , если таковой превых дел существует, будет, вообще говоря, неустойчив при малых изменениях начальных значений, однако нетрудно построить системы, где этот предел будет устойчив. 10. Рассмотрим предельное множество для кривых xi t , , zt , при 0 .Очевидно, что это множество состоит из следующих кусков. Во-первых, из отрезка, параллельного оси z , от начальной точки t , x , z 0 0 i 0 до точки t 0 , xi 0 , t 0 , xi 0 , лежащей на поверхности, соответствующей тому устойчивому корню уравнения F 0 , в области Рис. 1 108 Академик А.Н.Тихонов Рис. 2 влияния которого лежит начальная точка. Во-вторых, из кривой, соответствующей функциям x t , z t , i определяемым условиями (6), (7), (8) и (8). Эта кривая начинается в точке доходит до точки t , x , z , 1 1 1 i t 0 , xi 0 , t 0 , xi 0 лежащей на границе и D , области определения рассматриваемого изолированного устойчивого корня z . Эта граница может иметь место по разным причинам: либо потому, что эти точки соответствуют границе области определения функции нашей системы уравнений, либо потому, что в этих точках границы наш изолированный корень соприкасается по крайней мере с одним другим корнем уравнения F t , xi , z 0 (просто прекра- щаться устойчивый корень не может). При этом могут быть следующие 1 1 1 возможности: а) к точке t , x i , z из области, внешней к D , не примыкает никакой корень уравнения F 0 (рис. 1); б) к точке 109 Избранные труды t , x , z из области, внешней к D , примыкает один или не1 1 1 i сколько устойчивых корней (рис. 2). В случае а) предельное множество будет продолжаться, и, вообще говоря, будет состоять далее из куска прямой, параллельной оси z , 1 1 1 исходящей из точки t , x i , z в направлении, соответствующем знаку F в точках, близких к t , x i , z , лежащих вне D ( т.е. 1 1 1 вверх, если F 0 , и вниз, в противном случае). Этот кусок прямой, параллельной оси z , будет продолжаться до встречи с новым корнем, по поверхности которого и будет продолжаться кривая, пришедшая по 1 1 1 первому устойчивому корню в точку t , x i , z , и т.д. Таким обра- зом могут в пределе получаться разрывные периодические решения. Если же вертикальный участок прямой не встречает устойчивых корней, то он продолжится до бесконечности, и если наши функции определены при z , то предельное множество будет продолжаться так, как это описано в п.7. 1 1 1 В случае б), когда к точке t , x i , z примыкают несколько устойчивых корней z k , нельзя только по геометрическому расположению поверхностей этих корней высказать суждение о том, по ка 1 кому корню наша кривая будет продолжаться при t t . Можно построить примеры с одинаковым расположением поверхностей, соответствующих корням z k , в которых предельная кривая из точки 1 1 1 t , x i , z будет продолжаться по разным поверхностям z k . 11. Аналогично предшествующему можно исследовать систему, содержащую более одного малого параметра: i 1, 2,..., n, j 1, 2,..., m. dx i f i t , xi , z j dt dx j i Fj t , xi , z j dt Рассмотрим поведение интегральной кривой 110 Академик А.Н.Тихонов xi t , j , z j t , j , определяемой начальными условиями xi t t0 0 xi , при стремлении положить zj j 0 . t t0 0 z j , Вырожденная система определиться, если j 0 j 1,2,..., m: dx i f i t, xi , z j dt i 1, 2,..., n, Fj t, xi , z j 0 j 1, 2,.., m, и, вообще говоря, распадается на несколько нормальных систем в зависимости от числа «корней» z j j t , x i . Будем предполагать, что такие корни являются «нормальными изолированными» корнями, подразумевая под этим то, что для всякого z j0 j0 Fj0 t , xi , z j0 0 определяет изолированный корень j уравнение t, x , z ,..., z i 1 j0 1 , z j0 1 ,..., z m (в том смысле, как это мы понимали ранее), которому удовлетворяет система функций z j j t , x i . Таким образом, каждому корню системы z j j t , xi соответствуют m корней отдельных уравнений Fj t , xi , z j 0, а именно: z j j t , x i , z1 ,..., z j 1 , z j 1 ,..., z m Корень системы уравнений j 1,..., m. Fj 0, ми 111 определяемый функция- Избранные труды z j j xi , t , мы будем называть устойчивым корнем, если каждый из соответствующих корней z j j является устойчивым, т.е. если знак функций Fj t , xi , z1 ,..., z j 1 , j , z j 1 ,..., z m при достаточно малом дифференцируемости Fj zj z j j будет противоположен знаку Fj , если , или, в случае 0. z j j j 1,2,..., m мы будем Областью влияния корня системы называть общую часть областей влияния всех корней z j j 1,2,..., m. j Буквальным повторением рассуждений, приведенных выше, доказывает следующая теорема: Если точка сти влияния Fj 0, 0 0 i 0 j z j j j 1,2,..., m системы корня уравнений то lim xi t , j 0 t , x , z является внутренней точкой обла- j x t , i xi t - решение вырожденной системы, соответствующей рассматриваемому корню z j j , и где lim z j t , 0 j z t t , x t . j j i Этот предел будет непрерывно меняться при изменении начальных условий. 112 Академик А.Н.Тихонов z j j неустойчив, т.е. если хотя бы один из соответствующих корней z j j неустойчив, то имеет место слеЕсли корень системы дующая теорема: Решение полной системы xi t, при j 0 j , z j t, j не может стремиться к решению вырожденной систе- мы, определяемой при помощи устойчивого корня, с тем, чтобы этот предел был устойчив относительно начальных значений. Рассмотрим какую-либо систему начальных значений t , x , z . 0 0 0 i j Как было установлено выше, для всякого значения ляет устойчивый корень z j j уравнения j эта точка опредеFj 0. Если си- стема таким образом полученных уравнений (устойчивых корней): z j j t , xi , z1 ,..., z j 1 , z j 1 ,..., z m z j , т.е. если она определяет корень системы разрешима относительно z j j t , x i j 1, ... , m, t , x , z 0 то начальная точка j 1,..., m, 0 i 0 j принадлежит к области влияния корня системы. В этом случае решение полной системы при начальных t , x , z , независимо от способа приближения 0 условиях 0 0 i j j к нулю, стремиться к решению вырожденной системы, так как мы находимся в условиях применимости первой теоремы. Если же система z j j t , xi , z1 ,..., z j 1 , z j 1 ,..., z m неразрешима относительно каются), xi t, j , j 0 , то очевидно, z j t, j j 1, 2, ... , m, z j (поверхности что характер z j не пересе- j поведения кривой существенно зависит от способа стремления и при различных способах стремления 113 j 0 могут суще- Избранные труды ствовать различные пределы. Мы не будем подробно останавливаться на этом случае. §2 Рассмотрим дифференциальное уравнение* dy f x, y, , dx и пусть жутке x0 y x, 0 - решение этого уравнения, определенное в проме x x1 . Допустим, что функция f x, y, в области x 0 x x1 , y y x , b, является аналитической функцией литической функцией f x, y, y 0 при фиксированных x , y и ана- y при фиксированных x и . При этом - непрерывная функция переменных y , при фикси- рованном x . Будем также предполагать, что существует суммируемая функция M x такая, что f x, y, f x, y, M x и M x y при любых значениях y и . Названные условия гарантируют сущеf x, y, M x , ствование и единственность решения уравнения (1) при заданном начальном значении, а также непрерывную зависимость решения от на чального значения и параметра . Докажем, что решение y x, уравнения (1), удовлетворяющее тому же начальному условию, является аналитической функцией на x0 x x1 в достаточно малой области всем интервале 0 . * Для простоты записи мы ограничиваемся одним уравнением. 114 Академик А.Н.Тихонов Действительно, существует такое значений 1 из области 0 , что все кривые yx, для принадлежат к рассматриваемой y yx, 0 b . области: Рассмотрим разностное отношение y y x, y x, 1 1 . Это отношение удовлетворяет уравнению d y f x, y x, , f x, y x, 1 , y dx y f x, y x, 1 , f x, y x, 1 , 1 если 0 каким-либо способом, то коэффициенты этого уравнения стремятся, в силу сделанных предположений, к коэффициентам уравнения dY f x, y x, 1 , 1 Y f x, y x, 1 , 1 dx y f по y и по , коэффициенты этого уравнения не зависят от способа стремления и y к нулю; следоВ силу аналитичности функции вательно, lim 0 y Y , Y 0 0 и не зависит от способа стремления к нулю. Отсюда следует, что y x, является аналитической функцией, в силу определения аналитичности, данного Коши (Cauchy).* Как мне стало известно во время подготовки настоящей статьи к печати, аналогичной идеей пользовался В.В.Степанов при доказательстве аналитичности по = решения уравнения =. * 115 Избранные труды Литература 1. 2. Yu-Why Then, Uber das Verhalten der Losungen einer Folge von Differential-gleichungen, welche in Limes ausarten, Composito Mathematica, v. 2 (1935), 378-401. H. Poincare, Les methodes nouvelles de la mecanique celecte, t. 1, Paris, 1892-1899. 116