27  Equazioni Differenziali Ordinarie

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Enrico Bertolazzi

University of Trento, Department of Industrial Engineering

Un’equazione differenziale ordinaria (ODE) è un’equazione che coinvolge una o più funzioni di una sola variabile indipendente e le loro derivate. Il termine ordinaria distingue queste equazioni dalle equazioni differenziali alle derivate parziali, che dipendono da più variabili indipendenti.

Le ODE sono strumenti matematici ampiamente utilizzati per modellare e analizzare sistemi dinamici in diversi ambiti, tra cui la fisica, l’economia, la biologia e le scienze sociali. Studiosi come Newton1, Euler, Leibniz, i Bernoulli, Riccati, Clairaut e d’Alembert hanno contribuito allo sviluppo e all’applicazione di queste equazioni.

Un esempio noto di ODE è la seconda legge del moto di Newton:

\mathcal{F}(y(t)) = m y^{\prime\prime}(t)

dove \mathcal{F} rappresenta una forza applicata come funzione della posizione y(t) e m è la massa. Questa equazione descrive come l’accelerazione di un oggetto sia legata alla forza applicata, un principio fondamentale della meccanica classica.

NotaConvenzioni di notazione

In tutto il capitolo t indica la variabile indipendente e y l’incognita. La teoria è enunciata per y(t) a valori in \mathbb{R}^d, ma nei capitoli numerici che seguono la trattazione è scritta nel caso scalare per non appesantire le formule: tutti gli schemi e tutte le stime si estendono ai sistemi sostituendo y con \bm{y}, f con \bm{f} e il valore assoluto con una norma. Restano in grassetto le quantità che sono vettori o matrici anche nel caso scalare, come i coefficienti \bm{A}, \bm{b}, \bm{c} del tableau di Butcher.

27.1 Introduzione ai Problemi a Valore Iniziale

Prima di esaminare i metodi numerici di soluzione, è utile richiamare alcune definizioni e proprietà delle equazioni differenziali ordinarie (ODE) e dei problemi a valore iniziale (IVP).

Equazione Differenziale Ordinaria

Un’equazione differenziale ordinaria (ODE) è un’equazione che coinvolge una funzione y(t) definita su un intervallo I \subset \mathbb{R} e a valori reali, complessi oppure nello spazio vettoriale \mathbb{R}^d o \mathbb{C}^d. La forma generale di un’ODE è:

F\left(t, y(t), y'(t), y''(t), \dots, y^{(n)}(t)\right) = 0

L’ordine dell’equazione differenziale è determinato dalla derivata di ordine più alto y^{(n)}(t) presente.

Se y(t) assume valori in uno spazio di dimensione d > 1, si parla di sistema di equazioni differenziali.

ODE esplicita

Un’equazione differenziale esplicita del primo ordine ha la forma:

y'(t) = f\left(t, y(t)\right)

Un’equazione di ordine superiore (ordine n) si dice esplicita se può essere scritta nella forma:

y^{(n)}(t) = F\left(t, y(t), y'(t), y''(t), \dots, y^{(n-1)}(t)\right)

ODE autonoma

Un’equazione differenziale della forma precedente è chiamata autonoma se il termine a destra f non dipende esplicitamente da t, il che significa:

y'(t) = f\left(y(t)\right)

Riduzione a sistemi del primo ordine

Ogni equazione differenziale di ordine superiore può essere riscritta come un sistema di equazioni del primo ordine. Se l’equazione originale è esplicita, anche il sistema risultante sarà esplicito.

Per trasformare un’equazione differenziale di ordine superiore in un sistema di equazioni del primo ordine, introduciamo variabili ausiliarie per ciascuna derivata di y(t):

y_0(t) = y(t), \quad y_1(t) = y'(t), \quad \dots, \quad y_{n-1}(t) = y^{(n-1)}(t)

In questo modo, l’equazione differenziale di ordine n si riscrive come un sistema di n equazioni del primo ordine:

\begin{Bmatrix} y'_0(t) - y_1(t) \\[0.5em] y'_1(t) - y_2(t) \\[0.5em] \vdots \\[0.5em] y'_{n-2}(t) - y_{n-1}(t) \\[0.5em] F\left(t, y_0(t), y_1(t), \dots, y_{n-1}(t), y'_{n-1}(t)\right) \end{Bmatrix} = \begin{Bmatrix} 0 \\[0.5em] 0 \\[0.5em] \vdots \\[0.5em] 0 \\[0.5em] 0 \end{Bmatrix}

Nel caso di un’equazione esplicita, questo sistema diventa:

\begin{Bmatrix} y'_0(t) \\[0.5em] y'_1(t) \\[0.5em] \vdots \\[0.5em] y'_{n-2}(t) \\[0.5em] y'_{n-1}(t) \end{Bmatrix} = \begin{Bmatrix} y_1(t) \\[0.5em] y_2(t) \\[0.5em] \vdots \\[0.5em] y_{n-1}(t) \\[0.5em] F\left(t, y_0(t), y_1(t), \dots, y_{n-1}(t)\right) \end{Bmatrix}

Problema a Valore Iniziale (IVP)

Il problema a valore iniziale (IVP), detto anche problema di Cauchy2, associa all’ODE una condizione iniziale. Essa specifica il valore della funzione y in un punto t_0 del dominio e, sotto opportune ipotesi, permette di individuare una soluzione unica.

Data una coppia iniziale (t_0, y_0) \in \mathbb{R} \times \mathbb{R}^d, consideriamo f(t, y(t)) una funzione a valori in \mathbb{R}^d, definita in un intorno I \times U \subset \mathbb{R} \times \mathbb{R}^d del punto iniziale. Il problema a valore iniziale consiste nel trovare una funzione y(t) tale che:

\begin{cases} y'(t) = f(t, y(t)) \\ y(t_0) = y_0 \end{cases}

Soluzione Locale

Una soluzione locale del problema a valore iniziale (IVP) è una funzione y(t) continuamente derivabile che soddisfa la condizione y(t_0) = y_0. È definita su un intervallo J contenente t_0, nel quale sono ben definite sia y(t) sia f(t, y(t)).

Equazione Differenziale Lineare

Un’equazione differenziale è considerata lineare se può essere espressa come una combinazione lineare delle derivate di y(t):

y^{(n)}(t) = \sum_{i=1}^{n-1} a_i(t) y^{(i)}(t) + r(t)

dove a_i(t) e r(t) sono funzioni continue di t. Se r(t) = 0, l’equazione si dice omogenea; altrimenti, si dice non omogenea.

27.2 Buona posizione dei problemi a valore iniziale

Un problema matematico si dice ben posto se soddisfa le seguenti condizioni di Hadamard3:

  • Esiste una soluzione.
  • La soluzione è unica.
  • La soluzione dipende continuamente dai dati iniziali.

Per i problemi a valore iniziale (IVP), la terza condizione è spesso sostituita da un criterio quantitativo noto come continuità di Lipschitz4.

Condizione di Lipschitz

La funzione f(t, y) soddisfa una condizione di Lipschitz uniforme nel suo dominio D = I \times \Omega \subset \mathbb{R} \times \mathbb{R}^d rispetto a y se esiste una costante positiva L tale che:

\forall t \in I,\quad \forall x,y \in \Omega: |f(t,x)-f(t,y)| \leq L |x-y|

Se questa condizione vale per sottoinsiemi compatti di D, si parla di condizione di Lipschitz locale.

Funzione Localmente Lipschitziana

Una funzione f(x) è localmente Lipschitziana se esistono un \Delta > 0 e una costante L tali che:

|f(x)-f(x_0)| \leq L |x-x_0|,\quad |x-x_0| < \Delta

Esempio 27.1 (Esempio di funzione non Lipschitziana) La funzione

f(x) = \mathrm{sign}(x)\sqrt{|x|}

non è Lipschitziana, infatti se lo fosse allora esiste L tale che:

\begin{aligned} |\sqrt{x}-\sqrt{0}| &\leq L|x-0|,\qquad \text{for $x>0$} \\ |\sqrt{x}| &\leq L|x|=L|\sqrt{x}|\,|\sqrt{x}| \\ 1 &\leq L|\sqrt{x}|,\qquad \text{for $x>0$} \end{aligned}

ma per ogni L basta scegliere x abbastanza piccolo per violare 1\leq L|\sqrt{x}|.

NotaOsservazione

Se f(x) è (localmente) Lipschitziana allora f(x) è continua. Infatti f(x) è continua in x_0 se per ogni \epsilon>0 esiste \delta>0 tale che

|f(x)-f(x_0)| \leq \epsilon, \qquad \forall |x-x_0| \leq \delta

ma f(x) è Lipschitziana quindi

|f(x)-f(x_0)| \leq L |x-x_0|, \qquad |x-x_0|\leq \Delta \tag{27.1}

dato \epsilon>0 scegliendo

\delta \leq \min\left( \dfrac{\epsilon}{L},\Delta \right)

(\delta\leq \Delta serve per avere la diseguaglianza 27.1) allora vale

|f(x)-f(x_0)| \leq L |x-x_0| \leq L \delta = \min\left( \epsilon,L\Delta \right) \leq \epsilon

NotaOsservazione

Se f(x)\in C^1 allora è Lipschitziana (in un intervallo chiuso). Usando la espansione di Taylor5

f(x) = f(x_0)+f'(y)(x-x_0), \qquad x\in I(x_0,x)

da cui

|f(x)-f(x_0)| \leq |f'(y)|\,|x-x_0| \leq \sup_{w\in[a,b]}|f'(w)|\,|x-x_0| \leq L|x-x_0|

dove L=\sup_{w\in[a,b]}|f'(w)| e la diseguaglianza vale per ogni x,x_0\in[a,b].

27.3 Teoremi Fondamentali

Teorema di Esistenza di Peano

Il teorema di Peano6 garantisce l’esistenza di almeno una soluzione di un IVP se la funzione f(t,y) è continua in un intorno del punto iniziale (t_0,y_0).

Enunciato del Teorema

Sia f(t,y) una funzione continua definita sull’insieme chiuso:

\bar{D} = \left\lbrace (t,y)\in\mathbb{R}\times\mathbb{R}^d ~|~ |t-t_0|\leq\alpha,\ |y-y_0|\leq\beta \right\rbrace

con \alpha,\beta > 0. Allora esiste almeno una soluzione y(t) continua nell’intervallo I=[t_0-T,t_0+T], dove T=\min(\alpha,\dfrac{\beta}{M}) e M=\max_{(t,y)\in D}|f(t,y)|.

Esempio 27.2 (Esempio di non unicità di Peano) la seguente ODE

\begin{cases} y' = f(x,y)=\sqrt{|y|}, & \\ y(0) = 0, & \end{cases}

ha due soluzioni

    1. y(t) = 0
    1. y(t) = \dfrac{t^2}{4} \mathrm{sign}(t)

la prima soluzione si verifica immediatamente. Per la seconda basta osservare che

\begin{aligned} \dfrac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t} \dfrac{t^2}{4}\mathrm{sign}(t) &= \dfrac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t} \begin{cases} \dfrac{t^2}{4} & t>0 \\ -\dfrac{t^2}{4} & t\leq 0 \end{cases} \\ &= \begin{cases} \dfrac{t}{2} & t>0 \\ -\dfrac{t}{2} & t\leq 0 \end{cases} \\ &= \dfrac{|t|}{2} \end{aligned}

e

\sqrt{|y(t)|} = \sqrt{\left|\dfrac{t^2}{4} \mathrm{sign}(t)\right|} = \sqrt{\dfrac{t^2}{4}} = \dfrac{|t|}{2}

e quindi è una seconda soluzione dell’ODE.

Teorema di Picard-Lindelöf

Il teorema afferma che se f(t,y) soddisfa la condizione Lipschitz rispetto a y, allora esiste una soluzione unica locale per l’IVP.

Teorema 27.1 (Esistenza e Unicità: Picard-Lindelöf) Sia f(t, y) continua nel cilindro:

D = \{ (t, y) \in \mathbb{R} \times \mathbb{R}^d ~\big|~ |t - t_0| \leq a, |y - y_0| \leq b \}

Inoltre, supponiamo che f sia limitata, con una costante

M = \max_{(t, y) \in D} |f(t, y)|

e soddisfi la condizione di Lipschitz con costante L su D. Allora, il problema a valore iniziale:

\begin{cases} y'(t) = f(t, y(t)) \\ y(t_0) = y_0 \end{cases}

ha una soluzione unica nell’intervallo I = [t_0 - T, t_0 + T], dove:

T = \min \left( a, \dfrac{b}{M} \right)

Per stabilire l’unicità della soluzione è necessario utilizzare la condizione di Lipschitz insieme al Lemma di Grönwall7, che è lo strumento chiave per controllare la crescita di una funzione che soddisfa una disuguaglianza integrale.

Lemma di Grönwall

Lemma 27.1 (Disuguaglianza di Grönwall) Sia u:[t_0,T]\to[0,+\infty) continua e sia b:[t_0,T]\to[0,+\infty) integrabile. Se

u(t) \leq A + \int_{t_0}^{t} b(s)\, u(s)\, \mathrm{d}s, \qquad A \geq 0,\quad t\in[t_0,T] \tag{27.2}

allora

u(t) \leq A \exp\left( \int_{t_0}^{t} b(s)\, \mathrm{d}s \right), \qquad t\in[t_0,T] \tag{27.3}

Dimostrazione. Si definisca il membro destro della 27.2

v(t) = A + \int_{t_0}^{t} b(s)\, u(s)\, \mathrm{d}s

cosicché u(t)\leq v(t) e v è assolutamente continua con v(t_0)=A. Per quasi ogni t vale

v'(t) = b(t)\, u(t) \leq b(t)\, v(t)

dove si è usato u\leq v e b\geq 0. Posto

B(t) = \int_{t_0}^{t} b(s)\, \mathrm{d}s

si moltiplica la disequazione differenziale per il fattore integrante e^{-B(t)}>0:

\dfrac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\Big( e^{-B(t)} v(t) \Big) = e^{-B(t)}\Big( v'(t) - b(t)\, v(t) \Big) \leq 0

quindi t\mapsto e^{-B(t)}v(t) è non crescente e dunque

e^{-B(t)} v(t) \leq e^{-B(t_0)} v(t_0) = A \qquad\Longrightarrow\qquad v(t) \leq A\, e^{B(t)}

Essendo u(t)\leq v(t) si ottiene la 27.3. \square

Due casi particolari sono di uso continuo:

  • se b(s)\equiv L costante, la stima diventa

    u(t) \leq A\, e^{L(t-t_0)}

  • se A=0, allora necessariamente u(t)\equiv 0: è questo il meccanismo che produce l’unicità.

Esiste anche una forma più generale, utile per le stime di perturbazione: se a(t) è non negativa e non decrescente e

u(t) \leq a(t) + \int_{t_0}^{t} b(s)\, u(s)\, \mathrm{d}s

allora, con lo stesso argomento,

u(t) \leq a(t) \exp\left( \int_{t_0}^{t} b(s)\, \mathrm{d}s \right)

Dimostrazione di Picard-Lindelöf

La dimostrazione è costruttiva: produce una successione di funzioni che converge alla soluzione. È sufficiente dimostrare il risultato sull’intervallo in avanti

I_{+} = [t_0,\, t_0+T]

perché la dimostrazione su [t_0-T,t_0] è identica a meno di invertire il verso del tempo, e l’unicità permette di raccordare le due soluzioni.

Dimostrazione. iterate di Picard

Il punto di partenza è l’osservazione che l’IVP è equivalente all’equazione integrale

y(t) = y_0 + \int_{t_0}^{t} f\big(s, y(s)\big)\, \mathrm{d}s \tag{27.4}

Si parte dalla funzione costante y^{(0)}(t) = y_0 e si definiscono ricorsivamente le iterate di Picard8

y^{(n+1)}(t) = y_0 + \int_{t_0}^{t} f\big(s, y^{(n)}(s)\big)\, \mathrm{d}s \tag{27.5}

1. Ogni iterata resta nel cilindro. Se \|y^{(n)}(t)-y_0\|\leq b per t\in I_{+}, allora

\big\| y^{(n+1)}(t) - y_0 \big\| \leq \int_{t_0}^{t} \big\| f(s, y^{(n)}(s)) \big\|\, \mathrm{d}s \leq M\,|t-t_0| \leq M\,T \leq b

per la definizione T=\min(a,b/M). Poiché y^{(0)} soddisfa la condizione, per induzione tutte le iterate sono ben definite su I_{+} e restano in D.

2. La successione è uniformemente di Cauchy. La prima differenza soddisfa

\big\| y^{(1)}(t) - y^{(0)}(t) \big\| \leq M\,|t-t_0|

e, usando la condizione di Lipschitz, per induzione si ottiene

\big\| y^{(n+1)}(t) - y^{(n)}(t) \big\| \leq M\, L^{n}\, \dfrac{|t-t_0|^{n+1}}{(n+1)!} \tag{27.6}

Infatti, supposta vera la stima al livello n-1,

\begin{aligned} \big\| y^{(n+1)}(t) - y^{(n)}(t) \big\| &\leq L \int_{t_0}^{t} \big\| y^{(n)}(s) - y^{(n-1)}(s) \big\|\, \mathrm{d}s \\ &\leq L \int_{t_0}^{t} M\, L^{n-1} \dfrac{(s-t_0)^{n}}{n!}\, \mathrm{d}s = M\, L^{n}\, \dfrac{|t-t_0|^{n+1}}{(n+1)!} \end{aligned}

Uniformemente su I_{+} vale quindi

\big\| y^{(n+1)}(t) - y^{(n)}(t) \big\| \leq M\, L^{n}\, \dfrac{T^{n+1}}{(n+1)!}

e la serie numerica

\sum_{n=0}^{\infty} M\, L^{n}\, \dfrac{T^{n+1}}{(n+1)!} = \dfrac{M}{L}\Big( e^{LT} - 1 \Big)

converge. Per il criterio di Weierstrass9 la successione y^{(n)} converge uniformemente su I_{+} ad una funzione continua y. Si noti che la presenza del fattoriale nella 27.6 garantisce la convergenza su tutto l’intervallo consentito dal vincolo MT\leq b, senza richiedere LT<1.

3. Il limite soddisfa l’equazione integrale. Dalla condizione di Lipschitz

\big\| f(t, y^{(n)}(t)) - f(t, y(t)) \big\| \leq L \big\| y^{(n)}(t) - y(t) \big\|

per cui anche gli integrandi convergono uniformemente ed è lecito passare al limite nella 27.5, ottenendo la 27.4. Poiché l’integrando è continuo, il teorema fondamentale del calcolo integrale dà

y'(t) = f(t, y(t)), \qquad y(t_0) = y_0

4. La soluzione è unica. Siano w e y due soluzioni con lo stesso dato iniziale. Sottraendo le rispettive equazioni integrali e usando la condizione di Lipschitz

\| w(t) - y(t) \| \leq L \int_{t_0}^{t} \| w(s) - y(s) \|\, \mathrm{d}s

per t\geq t_0 (per t\leq t_0 l’argomento è identico invertendo gli estremi di integrazione). Il Lemma 27.1 con A=0 e b\equiv L forza \|w(t)-y(t)\|=0, cioè w\equiv y su I. \square

NotaOsservazione

Una dimostrazione più breve si ottiene applicando il teorema delle contrazioni di Banach10 all’operatore definito dalla 27.4, ma solo su un intervallo abbastanza corto da garantire LT<1. La stima con il fattoriale usata sopra è didatticamente più forte perché mostra direttamente perché la successione di Picard converge su tutto l’intervallo permesso dal vincolo geometrico MT\leq b.

Dipendenza continua dai dati iniziali

La stessa disuguaglianza di Grönwall fornisce molto più dell’unicità: dà una stima quantitativa di quanto due soluzioni possano allontanarsi se partono da dati iniziali diversi.

Siano w e y due soluzioni della stessa ODE con w(t_0)=w_0 e y(t_0)=y_0. Dalle equazioni integrali

\| w(t) - y(t) \| \leq \| w_0 - y_0 \| + L \int_{t_0}^{t} \| w(s) - y(s) \|\, \mathrm{d}s

e il Lemma 27.1 con A=\|w_0-y_0\| dà

\boxed{\; \| w(t) - y(t) \| \leq e^{L|t-t_0|}\, \| w_0 - y_0 \| \;} \tag{27.7}

Quindi la stessa ipotesi che garantisce l’unicità produce anche la dipendenza continua dai dati iniziali e dunque la buona posizione locale del problema di Cauchy, nel senso di Hadamard: esistenza, unicità e dipendenza continua.

AvvisoAttenzione

La 27.7 è una stima pessimistica: il fattore e^{L|t-t_0|} cresce esponenzialmente anche quando le soluzioni reali restano vicine (ad esempio per y'=-y, dove L=1 ma le soluzioni si avvicinano). Essa garantisce la buona posizione su intervalli finiti, non la stabilità per tempi lunghi. Questa distinzione è esattamente quella che ritroveremo fra convergenza (comportamento per h\to 0 su intervallo finito) e stabilità assoluta (comportamento per n\to\infty a passo h fissato) dei metodi numerici.

Prolungamento delle soluzioni

Il teorema di Picard-Lindelöf è un risultato locale: garantisce esistenza e unicità solo sull’intervallo I=[t_0-T,t_0+T]. Nulla impedisce che la soluzione cessi di esistere in tempo finito.

Teorema 27.2 (Teorema di prolungamento) Sia D\subset\mathbb{R}\times\mathbb{R}^d aperto e sia f:D\to\mathbb{R}^d continua e localmente lipschitziana rispetto a y. Sia y:(\alpha,\beta)\to\mathbb{R}^d la soluzione massimale dell’IVP. Se \beta<+\infty allora il grafico (t,y(t)) esce definitivamente da ogni compatto contenuto in D per t\uparrow\beta.

Equivalentemente: se il grafico resta in un compatto K\subset D, la soluzione può essere prolungata oltre \beta.

L’estinzione in tempo finito può quindi avvenire per due motivi: la soluzione diventa illimitata, oppure il suo grafico si avvicina al bordo del dominio. L’esempio classico del primo caso è

y' = y^2, \qquad y(0) = 1 \qquad\Longrightarrow\qquad y(t) = \dfrac{1}{1-t}

che è di classe C^\infty e localmente lipschitziana ovunque, ma esplode per t\to 1^{-}: nessuna ipotesi di regolarità locale può garantire esistenza globale.

NotaEsistenza globale

Se f è globalmente lipschitziana rispetto a y su tutta la striscia [a,b]\times\mathbb{R}^d, allora la soluzione esiste su tutto [a,b]. Infatti dalla 27.7 applicata con y\equiv soluzione e dal confronto con la soluzione nulla si ricava una limitazione a priori di \|y(t)\| su ogni intervallo limitato, che per il Teorema 27.2 impedisce la terminazione in tempo finito. È questo il caso, in particolare, dei sistemi lineari y'=A(t)y+g(t) con A e g continue.

In sintesi

  • Ogni ODE di ordine n si riduce a un sistema del primo ordine: basta quindi studiare y'=f(t,y).
  • Peano dà esistenza con la sola continuità di f, ma non unicità: l’esempio y'=\sqrt{|y|} lo mostra.
  • Picard-Lindelöf aggiunge la condizione di Lipschitz e ottiene esistenza e unicità locali; la dimostrazione è costruttiva (iterate di Picard).
  • Il lemma di Grönwall è lo strumento che trasforma una disuguaglianza integrale in una stima esponenziale: da esso discendono sia l’unicità sia la dipendenza continua \|y-w\|\leq e^{L|t-t_0|}\|y_0-w_0\|.
  • Il risultato è locale: il Teorema 27.2 dice che una soluzione cessa di esistere solo uscendo da ogni compatto, come in y'=y^2.

  1. Isaac Newton (1642-1727)↩︎

  2. Augustin-Louis Cauchy (1789-1857)↩︎

  3. Jacques Salomon Hadamard (1865-1963)↩︎

  4. Rudolph Otto Sigismund Lipschitz (1832-1903)↩︎

  5. Brook Taylor (1685-1731)↩︎

  6. Giuseppe Peano (1858-1932)↩︎

  7. Thomas Hakon Grönwall (1877-1932)↩︎

  8. Charles Émile Picard (1856-1941)↩︎

  9. Karl Theodor Wilhelm Weierstrass (1815-1897)↩︎

  10. Stefan Banach (1892-1945)↩︎