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Satz von Cauchy-Kowalevski

1875
  • Augustin-Louis Cauchy
  • Sofya Kovalevskaya
Arbeitszimmer der Mathematiker Cauchy und Kovalevski mit Analysebüchern und Gleichungen.

A fundamental existence and uniqueness theorem for partielles Differential equations associated with Cauchy initial value problems. It states that if the PDE and the initial conditions are ‘analytic’ (can be represented by convergent power series), then a unique analytic solution exists in a neighborhood of the initial surface. It provides a local existence guarantee but does not address global behavior or well-posedness.

Der Satz von Cauchy-Kowalevski ist ein mächtiges theoretisches Werkzeug, seine praktische Anwendbarkeit ist jedoch durch die strenge Anforderung der Analytizität eingeschränkt. Eine analytische Funktion ist unendlich differenzierbar und kann lokal durch ihre Taylorreihe dargestellt werden. Viele physikalische Probleme beinhalten Funktionen oder Grenzen, die nicht analytisch sind, sodass der Satz nicht anwendbar ist.

The theorem considers a system of PDEs where the highest-order time derivative of each unknown function is expressed in terms of lower-order time derivatives and spatial derivatives. The initial data is specified on a non-characteristic surface (a surface where the initial value problem can be uniquely solved for the highest derivatives). For a PDE of order [latex]k[/latex], this typically involves specifying the function and its first [latex]k-1[/latex] time derivatives at [latex]t=0[/latex].

The proof of the theorem is constructive, based on finding the coefficients of the power series expansion of the solution. It demonstrates that under the analytic assumption, these coefficients can be uniquely determined from the PDE and the initial data, and that the resulting series converges in some small neighborhood. However, the theorem gives no information about the size of this neighborhood of existence, nor does it guarantee that the solution depends continuously on the initial data (a key component of well-posedness). Hans Lewy’s famous 1957 example showed a simple linear PDE with smooth (but non-analytic) coefficients that has no solutions at all, highlighting the theorem’s limitations.

UNESCO Nomenclature: 1102
– Analysis

Typ

Abstraktes System

Unterbrechung

Wesentlich

Verwendung

Nische/Spezialisiert

Vorläufersubstanzen

  • cauchy’s work on complex analysis and power series
  • Theorie der analytischen Funktionen von Weierstraß
  • Formulierung von Anfangswertproblemen für ODEs und PDEs
  • Majorantenmethode (eine Schlüsseltechnik im Beweis)

Anwendungen

  • Bereitstellung einer theoretischen Grundlage für die Existenz von Lösungen in der mathematischen Physik
  • Leitung der Entwicklung numerischer Methoden auf Basis von Reihenentwicklungen
  • theoretische Analyse in der Allgemeinen Relativitätstheorie
  • Beweis der Existenz lokaler Lösungen für bestimmte nichtlineare partielle Differentialgleichungen

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