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存在一意性と数値解法-基本演習md 35fdb4e
exercise/math/differential-equations/existence-uniqueness-and-numerical-methods.exercise.n.md

存在一意性そんざいいちいせい数値解法すうちかいほう-基本演習きほんえんしゅう

date2026-07-13document_iddoc_f4959cbbe82f1db4147d1bc3282f7b93description初期値問題の存在一意性、Lipschitz 条件、最大存在区間、Euler 法の誤差と安定性を扱う基本演習である。prerequisites初期値問題の存在・一意性と最大存在区間 / 方向場・Euler 法・誤差と安定性の入口type問題演習content_typeexercisestatusactiverelateddata/lecture/math/differential-equations/initial-and-boundary-value-problems.lecture.n.md / data/lecture/math/differential-equations/existence-uniqueness-and-lipschitz-condition.lecture.n.md / data/lecture/math/differential-equations/lipschitz-condition-and-continuity.lecture.n.md / data/lecture/math/differential-equations/direction-fields-euler-method-error-and-stability.lecture.n.md / data/lecture/math/differential-equations/beyond-euler-runge-kutta-and-implicit-methods.lecture.n.md / data/lecture/math/differential-equations/analytic-numerical-and-qualitative-ode-methods.lecture.n.md
mathdifferential-equationsexerciseexistence-uniquenessnumerical-method
data/lecture/math/differential-equations/existence-uniqueness-and-lipschitz-condition.lecture.n.md

1演習えんしゅう方針ほうしん

この演習えんしゅうでは、微分方程式びぶんほうていしきまえに、かい存在そんざいするか、一意いちいさだまるか、数値解すうちかい安定あんてい計算けいさんされるかを確認かくにんする。公式こうしきじたかたちかいることと、かい存在そんざい保証ほしょうすることはべつ問題もんだいである。


2問題もんだい 1

初期値問題しょきちもんだい

y=x+y2,y(0)=0

について、局所解きょくしょかい存在そんざい一意性いちいせい判定はんていせよ。

2.1解答例かいとうれい

f(x,y)=x+y2連続れんぞくであり、yかんする偏微分へんびぶん fy=2y初期点しょきてん近傍きんぼう連続れんぞくである。したがって、初期点しょきてん近傍きんぼう一意いちい局所解きょくしょかい存在そんざいする。

2.2解説かいせつ

存在そんざいには f連続性れんぞくせい基本きほんであり、yかんする局所きょくしょ Lipschitz せい一意性いちいせいみちび標準的ひょうじゅんてき十分条件じゅうぶんじょうけんである。fy連続性れんぞくせいは Lipschitz せい確認かくにんするかりやすい十分条件じゅうぶんじょうけんである。


3問題もんだい 2

初期値問題しょきちもんだい

y=|y|,y(0)=0

について、一意性いちいせいやぶれる理由りゆう説明せつめいせよ。

3.1解答例かいとうれい

y=0かいである。一方いっぽう任意にんいa[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]0たいして、x[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]ay=0x[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]ay=(x-a)2/4さだめた関数かんすうかいである。したがって一意性いちいせい成立せいりつしない。

3.2解説かいせつ

f(y)=|y|連続れんぞくなので存在そんざい期待きたいできる。しかし y=0近傍きんぼうで Lipschitz 条件じょうけんたさない。原点げんてん待機たいきしてからうごはじめるかいゆるされるため、初期条件しょきじょうけんだけではかい一意いちいさだまらない。


4問題もんだい 3

初期値問題しょきちもんだい

y=y2,y(0)=1

き、最大存在区間さいだいそんざいくかんもとめよ。

4.1解答例かいとうれい

y=11-x

であり、最大存在区間さいだいそんざいくかん(-,1) である。

4.2解説かいせつ

変数分離へんすうぶんりにより dy/y2=dx である。積分せきぶんして -1/y=x+C初期条件しょきじょうけんから C=-1 なので y=1/(1-x)る。右辺うへん y2なめらかであり局所一意解きょくしょいちいかい存在そんざいするが、x=1 で blow-up する。一意いちいかい存在そんざいしても、全実数ぜんじっすう存在そんざいするとはかぎらない。


5問題もんだい 4

Forward Euler ほう

y=-2y,y(0)=1

きざはば h=0.25二歩にほだけ計算けいさんせよ。

5.1解答例かいとうれい

更新式こうしんしきyn+1=yn+h(-2yn)=(1-2h)yn である。h=0.25 なので yn+1=0.5yn であり、y1=0.5y2=0.25 である。

5.2解説かいせつ

Forward Euler ほう接線せっせんかたむきで短時間たんじかんだけすす近似きんじである。正確せいかくあたいから 1 だけ更新こうしんしたときの一歩誤差いっぽごさ、すなわち欠損けっそんは、しんかい十分じゅうぶんなめらかなとき O(h2) である。さらに fyかんする Lipschitz せいなどを仮定かていすると、固定有限区間こていゆうげんくかん大域誤差たいいきごさO(h) になる。欠損けっそんhったりょう局所打切きょくしょうちき誤差ごさ流儀りゅうぎでは、その次数じすうO(h) である。精度せいど安定性あんていせい別概念べつがいねんである。


6問題もんだい 5

Forward Euler ほう

y=-10y

適用てきようする。数値解すうちかい減衰げんすいするためのきざはば h条件じょうけんもとめ、h=0.3不安定ふあんていになる理由りゆうべよ。

6.1解答例かいとうれい

更新式こうしんしきyn+1=(1-10h)yn である。減衰げんすいには |1-10h|<1必要ひつようなので、0<h<0.2 である。h=0.3 では 1-10h=-2 となり、絶対値ぜったいちが 1 をえるため不安定ふあんていである。

6.2解説かいせつ

しんかい e-10x単調たんちょう減衰げんすいする。しかし数値法すうちほうでは、更新係数こうしんけいすう絶対値ぜったいちが 1 をえると誤差ごさ拡大かくだいする。微分方程式びぶんほうていしき安定あんていでも、数値解法すうちかいほうきざはば選択せんたく不適切ふてきせつなら計算けいさん不安定ふあんていになりうる。


7問題もんだい 6

じたしきくことが困難こんなん初期値問題しょきちもんだいたいして、解析解かいせきかい数値解すうちかい定性的解析ていせいてきかいせき役割やくわり一文いちぶんずつ説明せつめいせよ。

7.1解答例かいとうれい

解析解かいせきかいは、しきとして構造こうぞう理解りかいする役割やくわりつ。数値解すうちかいは、具体的ぐたいてき初期値しょきちたいして近似値きんじち計算けいさんする役割やくわりつ。定性的解析ていせいてきかいせきは、平衡点へいこうてん安定性あんていせい増減ぞうげん長時間挙動ちょうじかんきょどう読解どっかいする役割やくわりつ。

7.2解説かいせつ

けないというを、かい存在そんざいしないという意味いみ使用しようしてはならない。初等関数しょとうかんすう表現ひょうげんできない場合ばあいでも、存在一意性そんざいいちいせい数値計算すうちけいさん定性的解析ていせいてきかいせきにより情報じょうほう取得しゅとくできる。

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