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一階微分方程式の分類と最初の判定md 64c5980
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一階微分方程式いっかいびぶんほうていしき分類ぶんるい最初さいしょ判定はんてい

1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、一階微分方程式いっかいびぶんほうていしき形式けいしき分析ぶんせきし、適用可能てきようかのう解法かいほうとその選択理由せんたくりゆう判定はんていする方法ほうほう説明せつめいする。

一階微分方程式いっかいびぶんほうていしきfirst-order differential equationとは、最高階さいこうかい導関数どうかんすうy である微分方程式びぶんほうていしきである。一般いっぱんには

F(x,y,y)=0

かたちける。

ただし、この一般形いっぱんけいをそのまま万能公式ばんのうこうしきはない。初学者しょがくしゃがまずまなぶべきことは、頻出ひんしゅつするかた見分みわけ、そのかたける理由りゆう説明せつめいできるようにすることである。

2最初さいしょ確認かくにんする 3 てん

一階微分方程式いっかいびぶんほうていしきあたえられたら、計算けいさんまえつぎ確認かくにんする。

  1. 右辺うへんx だけの関数かんすうか。
  2. x がわy がわせきけられるか。
  3. yy が 1 あらわれるか。

この 3 てんくわえて、かたにかかわらず因子いんしるときは「その因子いんしが 0 になるかいてていないか」も確認かくにんする。その因子いんしが 0 になるえださき代入検算だいにゅうけんざんし、そのあとで 0 でないえだ計算けいさんする。包絡線ほうらくせんとしての特異解とくいかい非一意枝ひいちえだ区別くべつは、存在一意性そんざいいちいせいまなんだあと発展事項はってんじこうである。

この順序じゅんじょ理由りゆうは、単純たんじゅんかたほどすくない変形へんけい判定はんていできるからである。複雑ふくざつ置換ちかんさきためすと、本来ほんらい直接積分ちょくせつせきぶん変数分離へんすうぶんりける問題もんだい見失みうしないやすい。

3判定表はんていひょう

方程式ほうていしき形式けいしきかた選択理由せんたくりゆう
y=f(x)直接積分ちょくせつせきぶん導関数どうかんすうx だけでまる
y=f(x)g(y)変数分離形へんすうぶんりけいx がわy がわ分離ぶんりできる
y=F(y)自律方程式じりつほうていしきyあたいだけで増減ぞうげんまる
y+p(x)y=q(x)一階線型いっかいせんけい積分因子せきぶんいんしせき微分びぶんなおせる
M(x,y)dx+N(x,y)dy=0完全微分形かんぜんびぶんけい候補こうほある関数かんすう F(x,y)全微分ぜんびぶんかを調しらべる
y+p(x)y=q(x)ynBernoulli がたu=y1-n一階線型いっかいせんけい帰着きちゃくできる場合ばあいがある

このひょう結論けつろんだけを暗記あんきするためのものではない。重要じゅうようなのは、方程式ほうていしき形式けいしき適用てきようする解法かいほうとの対応理由たいおうりゆう理解りかいすることである。

4命題めいだい1:y=f(x)直接積分ちょくせつせきぶん帰着きちゃくする

方程式ほうていしき

y=f(x)

であり、f区間くかん I連続れんぞくであるとする。このとき、f原始関数げんしかんすうF とすれば、

y=F(x)+C

かいである。

4.1証明しょうめい

Ff原始関数げんしかんすうなので、定義ていぎより F=f である。y=F(x)+C とおくと、定数ていすう C導関数どうかんすうは 0 だから

y=F(x)=f(x)

である。したがって y=F(x)+C方程式ほうていしきたす。

このかたでは、微分方程式びぶんほうていしき微積分びせきぶんの「原始関数げんしかんすうもとめる問題もんだい」そのものである。

5命題めいだい2:y=f(x)g(y)変数分離へんすうぶんり帰着きちゃくする

区間くかん I と、y値域ちいきふく区間くかん Jかんがえる。fI連続れんぞくgJ連続れんぞくかつ 0 でないとする。このとき、C1 きゅう関数かんすう y:IJ

dydx=f(x)g(y)

たすことと、ある定数ていすう Cたいして

1g(y)dy=f(x)dx+C

という関係かんけいたすことは同値どうちである。

5.1証明しょうめい

G(y)=1/g(y)F(x)=f(x) となる原始関数げんしかんすう G,Fる。微分方程式びぶんほうていしきたす yたいして

ddx(G(y(x))-F(x))=1g(y)y-f(x)=0

である。したがって G(y(x))-F(x)I定数ていすうであり、

G(y(x))=F(x)+C

る。ぎゃくに、この関係式かんけいしきx微分びぶんすると、合成関数ごうせいかんすう微分公式びぶんこうしきより

1g(y)y=f(x)

である。g(y)0 より

y=f(x)g(y)

る。

ここで g(y)=0 となる定数解ていすうかいは、g(y)操作そうさまえべつ確認かくにんする必要ひつようがある。

data/lecture/math/differential-equations/separable-equations-and-autonomous-systems.lecture.n.md

6命題めいだい3:y+p(x)y=q(x)せき微分びぶん帰着きちゃくする

仮定かていとして、方程式ほうていしき

y+p(x)y=q(x)

であるとする。もし区間くかん I で 0 にならない関数かんすう μ(x)

μ=μp(x)

たすなら、もと方程式ほうていしき区間くかん I

(μy)=μq(x)

同値どうちである。

6.1証明しょうめい

もと方程式ほうていしき両辺りょうへんμけると、

μy+μp(x)y=μq(x)

である。仮定かてい μ=μp(x) より、

μy+μy=μq(x)

となる。せき微分公式びぶんこうしきから

(μy)=μy+μy

なので、

(μy)=μq(x)

る。ぎゃくに、このしきせき微分公式びぶんこうしき展開てんかいし、0 でない μじょすればもと方程式ほうていしき回復かいふくする。したがって両者りょうしゃ同値どうちである。

この命題めいだい積分因子せきぶんいんし根拠こんきょである。μ突然とつぜんけるのではなく、せき微分びぶん逆向ぎゃくむきにつくるためにえらぶ。

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7完全微分形かんぜんびぶんけい判定基準はんていきじゅん

M(x,y)dx+N(x,y)dy=0

かたちでは、目標もくひょうxyけることではない。ある関数かんすう F(x,y) があって

dF=Fxdx+Fydy

表現ひょうげんできるかを判定はんていする。もし Fx=M,Fy=N なら、方程式ほうていしきdF=0 であり、かい

F(x,y)=C

あたえられる。

完全微分形かんぜんびぶんけいでは偏微分へんびぶん全微分ぜんびぶん使つかうため、詳細しょうさい専用せんようページであつかう。

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8誤用ごようしやすいれい

y=x+y

xyむすばれている。したがって

dyy=dxx

のように分離ぶんりしてはならない。一方いっぽう

y-y=x

表現ひょうげんできるので、これは一階線型いっかいせんけいである。外観がいかん単純たんじゅんさではなく、標準形ひょうじゅんけい変形可能へんけいかのうかによって判定はんていする。

9後続こうぞく学習順序がくしゅうじゅんじょ

このページでは分類ぶんるい根拠こんきょだけをしめした。つぎに、実際じっさい計算けいさん注意点ちゅういてん順番じゅんばんまなぶ。

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10演習えんしゅうリンク

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