Théorème de Cauchy-Peano-Arzelà

théorème d'analyse

Le théorème de Cauchy-Peano-Arzelà est un théorème d'analyse qui garantit qu'un problème de Cauchy possède toujours au moins une solution locale, sous réserve que la fonction définissant l'équation différentielle soit continue.

Énoncé modifier

Soient

  •   une fonction continue à valeurs dans  , définie sur un cylindre compact  ,
  •   un majorant de la norme de   sur  ,
  •  .

Alors[1], il existe une solution

 

au problème de Cauchy

 

On peut même, dans cet énoncé, remplacer simultanément les deux intervalles centrés en   par des demi-intervalles d'extrémité  [2].

N. B. Contrairement à ce que permet de conclure le théorème de Cauchy-Lipschitz sous des hypothèses plus restrictives, il n'y a pas unicité ici[3].

Exemples modifier

Les exemples suivants sont donnés par Peano[4].

L'équation   où le second membre est continu en   sans être lipschitzien, admet les solutions   et   qui s'annulent toutes les deux en   ainsi que les fonctions qui sont nulles dans l'intervalle   et qui prennent la valeur   pour  .

L'équation  , toujours avec la condition  , admet les cinq solutions (  étant une constante arbitraire positive) :

 
 
 
 
 

Esquisse de démonstration modifier

On construit par la méthode d'Euler une suite de fonctions M-lipschitziennes affines par morceaux

 

qui sont des « solutions approchées » de ce problème de Cauchy au sens où pour tout entier n > 0,

 

(pour tout point t en lequel xn est dérivable).

Le théorème d'Ascoli permet d'en extraire une sous-suite uniformément convergente. On montre alors (en utilisant la continuité uniforme de f) que la limite x vérifie

 

D'après le premier théorème fondamental de l'analyse, x est donc une « solution exacte » du problème de Cauchy.

Cas des espaces de Banach modifier

La généralisation « naïve » de l'énoncé aux espaces de dimension infinie est drastiquement fausse :

  • pour tout[5] espace de Banach   de dimension infinie, il existe un problème de Cauchy (associé à une fonction continue  ) ne possédant pas de solution locale (par translations, les données initiales  ,   peuvent être choisies arbitrairement dans un tel contre-exemple) ;
  • si   possède un quotient séparable de dimension infinie, il existe même une fonction continue   pour laquelle l'équation différentielle autonome associée   n'a aucune solution locale (quelle que soit la condition initiale)[6].

Cependant, le théorème de Cauchy-Peano-Arzelà se généralise en remplaçant   par un espace de Banach, à condition d'ajouter l'hypothèse (redondante en dimension finie) que l'application continue   est compacte. Pour le démontrer[7], on utilise encore le théorème d'Ascoli, mais aussi le théorème du point fixe de Schauder.

Notes et références modifier

  1. Jean-Pierre Demailly, Analyse numérique et équations différentielles [détail des éditions], p. 137
  2. (en) Gerald Teschl, Ordinary Differential Equations and Dynamical Systems, Providence, AMS, , 356 p. (ISBN 978-0-8218-8328-0, lire en ligne), p. 56
  3. Le critère d'Osgood (Teschl 2012, p. 58) fournit cependant une condition suffisante d'unicité, moins restrictive que celle de Cauchy-Lipschitz. Voir aussi Critère de Nagumo.
  4. G. Peano, « Démonstration de l'intégrabilité des équations différentielles ordinaires », Math. Ann., vol. 37,‎ , p. 182-228 (lire en ligne)
  5. (en) A. N. Godunov, « On Peano’s Theorem in Banach spaces », Funct. Anal. Appl., vol. 9,‎ , p. 53-55
  6. (en) Petr Hájek (en) et Michal Johanis, « On Peano's theorem in Banach spaces », J. Differential Equations, vol. 249, no 12,‎ , p. 3342-3351, arXiv:0911.4860
  7. (en) J. M. Ayerbe Toledano, T. Domínguez Benavides et G. López Acedo, Measures of Noncompactness in Metric Fixed Point Theory, Springer, , 211 p. (ISBN 978-3-7643-5794-8, lire en ligne), p. 15

Voir aussi modifier

Articles connexes modifier