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Théorème de Cauchy-Kowalevski

1875
  • Augustin-Louis Cauchy
  • Sofya Kovalevskaya
Salle d'étude des mathématiciens Cauchy et Kovalevski avec des livres d'analyse et des équations.

Théorème fondamental d'existence et d'unicité pour différentielle partielle associées aux problèmes de valeurs initiales de Cauchy. Elle stipule que si l'EDP et les conditions initiales sont "analytiques" (peuvent être représentées par des séries de puissances convergentes), il existe une solution analytique unique dans un voisinage de la surface initiale. Elle fournit une garantie d'existence locale, mais n'aborde pas le comportement global ni la question du bien-fondé de la solution.

Le théorème de Cauchy-Kowalevski est un outil théorique puissant, bien que son applicabilité pratique soit limitée par la stricte exigence d'analyticité. Une fonction analytique est infiniment différentiable et peut être localement représentée par sa série de Taylor. De nombreux problèmes physiques impliquent des fonctions ou des frontières non analytiques ; le théorème ne s'applique donc pas.

Le théorème considère un système d'EDP où la dérivée temporelle d'ordre supérieur de chaque fonction inconnue est exprimée en termes de dérivées temporelles et spatiales d'ordre inférieur. Les données initiales sont spécifiées sur une surface non caractéristique (une surface où le problème de la valeur initiale peut être résolu de manière unique pour les dérivées les plus élevées). Pour une EDP d'ordre [latex]k[/latex], cela implique généralement de spécifier la fonction et ses premières dérivées temporelles [latex]k-1[/latex] à [latex]t=0[/latex].

La preuve du théorème est constructive, basée sur la recherche des coefficients de l'expansion de la série de puissance de la solution. Elle démontre que, sous l'hypothèse analytique, ces coefficients peuvent être déterminés de manière unique à partir de l'EDP et des données initiales, et que la série résultante converge dans un petit voisinage. Cependant, le théorème ne donne aucune information sur la taille de ce voisinage d'existence et ne garantit pas non plus que la solution dépende continuellement des données initiales (un élément clé de l'existence d'un problème bien posé). Le célèbre exemple de Hans Lewy, datant de 1957, montrait une EDP linéaire simple avec des coefficients lisses (mais non analytiques) qui n'avait aucune solution, ce qui mettait en évidence les limites du théorème.

UNESCO Nomenclature: 1102
- Analyse

Type

Système abstrait

Perturbation

Important

Utilisation

Créneau/spécialité

Précurseurs

  • les travaux de cauchy sur l'analyse complexe et les séries de puissance
  • théorie des fonctions analytiques de Weierstrass
  • formulation de problèmes de valeur initiale pour les odes et les edp
  • méthode des majorants (une technique clé dans la preuve)

Applications

  • fournir une base théorique à l'existence de solutions en physique mathématique
  • guider le développement de méthodes numériques basées sur des développements en séries
  • analyse théorique en relativité générale
  • prouver l'existence de solutions locales à certaines équations aux dérivées partielles non linéaires

Brevets :

NA

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