Critère de Nagumo
Dans le cadre des équations différentielles, le critère de Nagumo est un critère suffisant d'unicité locale d'une solution à un problème de Cauchy. Joint au théorème d'existence locale de Cauchy-Peano-Arzelà, il assure donc la même conclusion que le théorème de Cauchy-Lipschitz, sous des hypothèses différentes.
Énoncé
Soit f une fonction continue à valeurs dans un espace vectoriel normé E, définie sur un cylindre fermé S = [t0 – c, t0 + c] × B(u0, r) de ℝ × E.
Si f vérifie sur S la condition
alors deux solutions quelconques du problème de Cauchy
coïncident sur tout sous-intervalle de [t0 – c, t0 + c] où elles sont définies toutes deux.
Démonstration
Soient u et v deux solutions du problème de Cauchy, définies par exemple sur un intervalle [t0, t1] avec t1 > t0, montrons[1] que u = v.
La fonction g définie sur cet intervalle par
est nulle en t0, mais aussi de dérivée (à droite) nulle en t0, puisque quand t → t0+,
Ces deux propriétés de g permettent de définir sur [t0, t1] une fonction h par
qui majore l'expression intégrale de g(t) d'après l'hypothèse du critère de Nagumo.
On obtient ainsi
autrement dit l'application t ↦ h(t)/(t – t0) est décroissante sur ]t0, t1]. Comme elle est à valeurs positives et de limite nulle en t0, elle est constamment nulle, donc g aussi.
Exemple
Soit l'application définie par
et soit le problème de Cauchy
L'application n'est pas lipschitzienne par rapport à u au voisinage de l'origine, en effet, on sait que n'est pas lipschitzienne à l'origine.
Cependant, pour tout , on déduit du théorème des accroissements finis qu'il existe c entre et tel que
par conséquent, f satisfait le critère de Nagumo dans tout cylindre centré à l'origine puisque
pour tout et pour tout . On conclut donc que le problème de Cauchy possède une et une seule solution.
Notes et références
- (en) Ravi P. Agarwal et Donal O'Regan, An Introduction to Ordinary Differential Equations, New-York, Springer, , 321 p. (ISBN 978-0-387-71275-8, lire en ligne), p. 70-71
- Denis Bonheure, Équations différentielles ordinaires, notes de cours de l'Université catholique de Louvain
- (en) Adrian Constantin (de), « On Nagumo's theorem », Proc. Japan Acad. Ser. A, vol. 86, no 2, , p. 41-44 (lire en ligne)
Voir aussi
Le critère d'Osgood dans (en) Gerald Teschl, Ordinary Differential Equations and Dynamical Systems, AMS, (ISBN 978-0-82188328-0, lire en ligne), p. 58, qui fournit une condition suffisante d'unicité, moins restrictive que celle de Cauchy-Lipschitz.