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一階 ODE の方法選択-総合演習md 4999754
exercise/math/differential-equations/first-order-ode-method-synthesis.exercise.n.md

一階いっかい ODE の方法選択ほうほうせんたく-総合演習そうごうえんしゅう

date2026-07-16document_iddoc_8fb88042bc2341f4b2507cb525520b98description一階初期値問題で求める成果を先に定め、解析解・存在一意性・数値解・定性解析を組み合わせる総合演習。prerequisites閉形式解を得にくい微分方程式の解析方針:解析解・数値解・定性的解析の役割分担type問題演習content_typeexercisestatusactiverelateddata/lecture/math/differential-equations/analytic-numerical-and-qualitative-ode-methods.lecture.n.md / data/lecture/math/differential-equations/first-order-ode-solution-diagnostics.lecture.n.md / data/lecture/math/differential-equations/existence-uniqueness-and-lipschitz-condition.lecture.n.md / data/lecture/math/differential-equations/beyond-euler-runge-kutta-and-implicit-methods.lecture.n.md
mathdifferential-equationsexercisefirst-ordermethod-selection
data/lecture/math/differential-equations/analytic-numerical-and-qualitative-ode-methods.lecture.n.md

1答こたえ方かた

各問かくもんで、(1) 欲ほしい成果せいか、(2) 先さきに確認かくにんする構造こうぞうや定理ていり、(3) 選えらぶ方法ほうほう、(4) その方法ほうほうだけでは分わからないことを答こたえる。


2問題もんだい 1

y′=|y|,y(0)=0

について、初期条件しょきじょうけんから将来しょうらいの値あたいが 1 つに定さだまるかを知しりたい。どの確認かくにんを優先ゆうせんすべきか。数値法すうちほうを 1 回実行かいじっこうして得えた列れつだけで、この問といに答こたえられるか。

2.1解答例かいとうれい

○

欲ほしい成果せいかは一意性いちいせいなので、標準解法ひょうじゅんかいほうや数値計算すうちけいさんより先さきに、右辺うへんの連続性れんぞくせいと y に関かんする Lipschitz 性せいを確認かくにんする。右辺うへんは連続れんぞくだが 0 の近傍きんぼうで Lipschitz ではなく、y=0 のほか、任意にんいの a[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]0 について x[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]a では 0、x[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]a では (x-a)2/4 とする解かいがある。したがって解かいは一意いちいでない。1 本ほんの数値列すうちれつは、他ほかの解かいがないことを証明しょうめいしない。


3問題もんだい 2

y′=y-y3,y(0)=2

の t→∞ における行先ゆくさきを知しりたい。閉とじた式しきを求もとめずに判定はんていせよ。

3.1解答例かいとうれい

○

欲ほしい成果せいかは長時間挙動ちょうじかんきょどうなので、自律方程式じりつほうていしきの位相線いそうせんを選えらぶ。平衡解へいこうかいは -1,0,1 であり、y>1 では y′=y(1-y2)<0 である。一意性いちいせいにより解かいは y=1 を横切よこぎらず、単調減少たんちょうげんしょうかつ 1 で下したから抑おさえられる。極限きょくげんは平衡値へいこうちでなければならないので、y(t)→1 である。位相線いそうせんは収束速度しゅうそくそくどの正確せいかくな値あたいまでは与あたえない。


4問題もんだい 3

y′=x2+y2,y(0)=0

の y(0.5) を近似きんじしたい。計算前けいさんまえと計算後けいさんごに何なにを確認かくにんするか。

4.1解答例かいとうれい

○

右辺うへんは滑なめらかなので、初期点しょきてんの近傍きんぼうに一意いちいな局所解きょくしょかいがある。ただし、この局所定理きょくしょていりだけでは 0.5 まで解かいが存在そんざいするとは限かぎらないため、最大存在区間さいだいそんざいくかんと解かいの増大ぞうだいを確認かくにんする。区間くかんが確保かくほできれば 4 次じ Runge-Kutta 法ほうなどを候補こうほとし、刻きざみを半減はんげんした値あたいとの差さ、解かいの増大ぞうだい、数値安定性すうちあんていせいを確認かくにんする。半減比較はんげんひかくだけは厳密誤差保証げんみつごさほしょうではない。


5問題もんだい 4

y′+2y=e-x,y(0)=1

について、(a) 明示式めいじしきが欲ほしい場合ばあいと、(b) 長時間ちょうじかんで 0 へ近ちかづくかだけを知しりたい場合ばあいで、選えらぶ方法ほうほうを比較ひかくせよ。

5.1解答例かいとうれい

○

(a) は一階線型いっかいせんけいなので積分因子せきぶんいんし e2x を用もちいる。(e2xy)′=ex より y=e-x である。(b) では、この明示式めいじしきから直ただちに y→0 と確認かくにんできる。一般いっぱんには、明示式めいじしきが不要ふようなら符号ふごうや評価ひょうかだけで目的もくてきを達成たっせいできることもある。この例れいでは解析解かいせきかいが短みじかく、(a) の計算けいさんを (b) の検証けんしょうにも利用りようできる。

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