Дано начальное значение задачи Коши y' = y^2, y(0) = y0; обсудите существование, единственность и поведение решений в зависимости от y0, включая возможное разрывное поведение в конечное время
Решение находится отделением переменных: dyy2=dt\dfrac{dy}{y^2}=dty2dy=dt. Интегрируя, получаем −1y=t+C-\dfrac{1}{y}=t+C−y1=t+C. С учётом y(0)=y0y(0)=y_0y(0)=y0 получаем явную формулу y(t)=y01−y0t(y0≠0),
y(t)=\frac{y_0}{1-y_0 t}\qquad (y_0\neq0), y(t)=1−y0ty0(y0=0),
и для y0=0y_0=0y0=0 — тривиальное решение y(t)≡0y(t)\equiv0y(t)≡0. Существование и единственность: правая часть f(y)=y2f(y)=y^2f(y)=y2 непрерывна и локально Липшицева по yyy, следовательно по теореме Пикара–Линдемёра существует единственное локально определённое решение через начальную точку; явная формула даёт это решение и его продолжение по максимальному интервалу. Максимальный интервал существования (содержащий t=0t=0t=0): - если y0>0y_0>0y0>0, то единственное решение определено на (−∞, 1/y0)(-\infty,\;1/y_0)(−∞,1/y0) и при t→(1/y0)−t\to(1/y_0)^-t→(1/y0)−y(t)→+∞y(t)\to+\inftyy(t)→+∞ (взрыв в конечное положительное время); - если y0<0y_0<0y0<0, то единственное решение определено на (1/y0, +∞)(1/y_0,\;+\infty)(1/y0,+∞) (заметим 1/y0<01/y_0<01/y0<0) и при t→(1/y0)+t\to(1/y_0)^+t→(1/y0)+y(t)→−∞y(t)\to-\inftyy(t)→−∞ (взрыв в конечное отрицательное время), при t→+∞t\to+\inftyt→+∞y(t)→0−y(t)\to0^-y(t)→0−; - если y0=0y_0=0y0=0, то решение глобально на R\mathbb RR: y(t)≡0y(t)\equiv0y(t)≡0. Поведение и монотонность: поскольку y′=y2≥0y' = y^2\ge0y′=y2≥0, каждое ненулевое решение монотонно возрастает. Для y0>0y_0>0y0>0 значение растёт от 000 при t→−∞t\to-\inftyt→−∞ до +∞+\infty+∞ при приближении к 1/y01/y_01/y0; для y0<0y_0<0y0<0 значение растёт (менее отрицательное) от −∞-\infty−∞ при t↓1/y0t\downarrow1/y_0t↓1/y0 до 0−0^-0− при t→+∞t\to+\inftyt→+∞. Итого: единственность и локальное существование гарантированы для любых y0y_0y0, глобальное существование на всей R\mathbb RR происходит только при y0=0y_0=0y0=0; при y0≠0y_0\neq0y0=0 решение имеет вертикальную асимптоту (взрыв) в конечное время t=1/y0t=1/y_0t=1/y0.
y(t)=y01−y0t(y0≠0), y(t)=\frac{y_0}{1-y_0 t}\qquad (y_0\neq0),
y(t)=1−y0 ty0 (y0 =0), и для y0=0y_0=0y0 =0 — тривиальное решение y(t)≡0y(t)\equiv0y(t)≡0.
Существование и единственность: правая часть f(y)=y2f(y)=y^2f(y)=y2 непрерывна и локально Липшицева по yyy, следовательно по теореме Пикара–Линдемёра существует единственное локально определённое решение через начальную точку; явная формула даёт это решение и его продолжение по максимальному интервалу.
Максимальный интервал существования (содержащий t=0t=0t=0):
- если y0>0y_0>0y0 >0, то единственное решение определено на (−∞, 1/y0)(-\infty,\;1/y_0)(−∞,1/y0 ) и при t→(1/y0)−t\to(1/y_0)^-t→(1/y0 )− y(t)→+∞y(t)\to+\inftyy(t)→+∞ (взрыв в конечное положительное время);
- если y0<0y_0<0y0 <0, то единственное решение определено на (1/y0, +∞)(1/y_0,\;+\infty)(1/y0 ,+∞) (заметим 1/y0<01/y_0<01/y0 <0) и при t→(1/y0)+t\to(1/y_0)^+t→(1/y0 )+ y(t)→−∞y(t)\to-\inftyy(t)→−∞ (взрыв в конечное отрицательное время), при t→+∞t\to+\inftyt→+∞ y(t)→0−y(t)\to0^-y(t)→0−;
- если y0=0y_0=0y0 =0, то решение глобально на R\mathbb RR: y(t)≡0y(t)\equiv0y(t)≡0.
Поведение и монотонность: поскольку y′=y2≥0y' = y^2\ge0y′=y2≥0, каждое ненулевое решение монотонно возрастает. Для y0>0y_0>0y0 >0 значение растёт от 000 при t→−∞t\to-\inftyt→−∞ до +∞+\infty+∞ при приближении к 1/y01/y_01/y0 ; для y0<0y_0<0y0 <0 значение растёт (менее отрицательное) от −∞-\infty−∞ при t↓1/y0t\downarrow1/y_0t↓1/y0 до 0−0^-0− при t→+∞t\to+\inftyt→+∞.
Итого: единственность и локальное существование гарантированы для любых y0y_0y0 , глобальное существование на всей R\mathbb RR происходит только при y0=0y_0=0y0 =0; при y0≠0y_0\neq0y0 =0 решение имеет вертикальную асимптоту (взрыв) в конечное время t=1/y0t=1/y_0t=1/y0 .