Beweisarchiv: Gewöhnliche Differentialgleichungen: Existenztheorie: Existenz nicht-fortsetzbarer Lösungen

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Die Sätze von Picard-Lindelöf und Peano liefern die Existenz lokaler Lösungen. Die Frage, ob man diese Lösung „immer weiter“ fortsetzen kann, bis man zu einer nicht-fortsetzbaren Lösung gelangt, wird durch den folgenden Satz positiv beantwortet. Auf Grund des hier vorgestellten Beweises wird die nicht-fortsetzbare Lösung gelegentlich auch als maximale Lösung bezeichnet. Man verwechsle dies aber nicht mit dem Begriff der maximalen Lösung eines nicht-eindeutig lösbaren Anfagswertproblems y′=F(x,y),y(a)=y0 (für stetiges F).

Existenz einer nicht-fortsetzbaren Lösung

Sei G⊂ℝ×𝕂n und F:G→𝕂n stetig. Weiter sei y∈C([a,b);𝕂n)∩C1((a,b);𝕂n) eine Lösung von

 y′=F(x,y)

auf (a,b). Dann gibt es ein x+∈[b,∞) und eine Lösung u obiger Differentialgleichung auf (a,x+) mit den Eigenschaften:

  • y(x)=u(x) auf [a,b).
  • Es gibt kein s+>x+, so dass u zu einer Lösung auf (a,s+) fortgesetzt werden kann.

Beweis

Setze

M:={v | ∃α∈[b,∞] , so dass v Lo¨sung auf (a,α) mit v=y auf [a,b)} .

M wird zu einer partiell geordneten Menge vermöge

v⪯w:⇔D(v)⊂D(w) und  w|D(v)=v.

Tatsächlich ist M eine induktiv geordnete Menge, denn es gilt ja:

  • M≠∅, da y∈M.
  • Es sei A⊂M eine Kette und I:=⋃v∈AD(v)⊂[a,∞). Definiere dann für t∈I
 U(x):=v(x), falls x∈D(v).
Dann ist U wohldefiniert, denn zu v,w∈A gilt nach Definition der Kette stets v⪯w oder w⪯v. Nun ist I ein Intervall der Form [a,x+) für ein x+∈[b,∞], da zu jedem x∈I ein v∈A existiert mit x∈D(v) und somit [a,x+δ)⊂D(v)⊂I. Offenbar ist dann U∈M eine obere Schranke für die Kette A.

Nach dem Lemma von Kuratowski-Zorn besitzt M ein maximales Element u. Dieses erfüllt die im Satz formulierten Bedingungen.

◻

Wikipedia-Verweis