変数分離形と自律方程式
mathdifferential-equationsfirst-orderseparable-equationlecture
1導入
この講義では、変数分離法を dy と dx の形式的な移項としてではなく、合成関数の微分公式を逆向きに適用する方法として説明する。
変数分離が使えるのは、未知関数の変化率が
\frac{dy}{dx}=f(x)g(y)
のように、x だけの部分と y だけの部分の積に分かれている場合である。この形だから、y に関する因子を左へ、x に関する因子を右へ整理できる。
ただし、g(y) で割る操作は、g(y)=0 の解を除外する操作でもある。そのため、変数分離では計算の前に定数解を確認する。本によっては g(y) を h(y) と書くが、注意は同じである。
2標準形
変数分離形とは、
\frac{dy}{dx}=f(x)g(y)
に整理できる一階微分方程式である。
特に
\frac{dy}{dx}=F(y)
のように右辺が独立変数 x を明示的に含まない方程式を自律方程式という。これは f(x)=1,\ g(y)=F(y) とおけば変数分離形でもある。
3命題1:変数分離で得た陰関数解は元の方程式を満たす
区間 I,J と微分可能な関数 y:I\to J を考え、g は J 上で 0 にならないとする。
\frac{dy}{dx}=f(x)g(y)
において、I 上で F'(x)=f(x)、J 上で G'(y)=1/g(y) とする。このとき
G(y)=F(x)+C
を満たす微分可能な関数 y(x) は、元の方程式を満たす。
3.1証明
G(y(x))=F(x)+C を x で微分する。合成関数の微分公式より、
G'(y)y'=F'(x)
である。G'(y)=1/g(y)、F'(x)=f(x) だから
\frac{1}{g(y)}y'=f(x)
である。g(y)\ne 0 なので両辺に g(y) を掛けて
y'=f(x)g(y)
を得る。したがって変数分離で得た関係式は元の方程式を満たす。
この証明が、形式的に
\frac{1}{g(y)}\,dy=f(x)\,dx
と書いて積分してよい理由である。
4解法の手順
- y'=f(x)g(y) の形に整理する。
- g(y)=0 を満たす定数解を先に確認する。
- g(y)\ne 0 の範囲で
\frac{1}{g(y)}\,dy=f(x)\,dx
と分離する。
- 両辺を積分する。
- 条件があれば任意定数に対する制約方程式を解く。
- 最後に元の方程式と指定されたすべての条件へ代入して検算する。
5命題2:g(y)=0 は定数解を与える
5.1主張
変数分離形
y'=f(x)g(y)
で、ある定数 a が g(a)=0 を満たすとする。このとき
y(x)=a
は定数解である。
5.2証明
y(x)=a は定数関数なので
y'=0
である。また g(a)=0 だから
f(x)g(y)=f(x)g(a)=0
である。したがって
y'=f(x)g(y)
を満たす。
この命題が、変数分離で g(y) で割る前に g(y)=0 を確認する理由である。g(y) で割った後の式には、g(y)=0 の定数解は現れない。
6例1:y'=xy
y'=xy
は f(x)=x,\ g(y)=y の変数分離形である。まず g(y)=y=0 から、y=0 は定数解である。
つぎに y\ne 0 として、
\frac{1}{y}dy=x\,dx
と分離する。両辺を積分して
\log|y|=\frac{x^2}{2}+C
を得る。指数関数を取ると、
|y|=e^C e^{x^2/2}
である。e^C>0 であり、符号も定数に吸収できるので、
y=Ce^{x^2/2}
と書ける。この式は C=0 を許すため、最初に確認した定数解 y=0 も含む。
7陽関数解と陰関数解
陽関数解とは、y=H(x) のように y が x の式として直接表されている解である。
陰関数解とは、
G(x,y)=C
のように、x と y の関係式として表された解である。
変数分離では、積分の結果が必ず y=H(x) に解けるとは限らない。その場合でも、関係式が微分可能な関数を定める区間では、元の方程式を満たすことを確認した陰関数解として解を表せる。
8例2:途中で発散する解
y'=y^2,\qquad y(0)=1
を考える。y=0 は定数解だが、初期条件 y(0)=1 には合わない。y\ne 0 として
\frac{1}{y^2}dy=dx
を積分すると、
-\frac{1}{y}=x+C
である。y(0)=1 より -1=C だから
-\frac{1}{y}=x-1
であり、
y=\frac{1}{1-x}
を得る。
この解は x=1 で定義できない。したがって初期点 x=0 を含む最大解区間は (-\infty,1) である。
この例は、微分方程式の解を数式と定義域の組として指定する必要性を示す。
9自律方程式と平衡解
平衡解とは、独立変数が変化しても値が一定である定数解をいう。自律方程式
y'=F(y)
では、F(a)=0 なら y=a は平衡解である。
9.1証明
y=a は定数関数なので y'=0 である。一方、F(a)=0 だから右辺も 0 である。したがって
y'=F(y)
を満たす。
自律方程式では、解を明示的に求める前に、F(y) の符号から解の増減を判定できる。F(y)>0 なら y は増加し、F(y)<0 なら y は減少する。
10例3:Logistic 方程式
y'=y(1-y)
は自律方程式である。F(y)=y(1-y) とおくと、平衡解は
y=0,\qquad y=1
である。
符号を調べる。
| 範囲 | F(y)=y(1-y) の符号 | 解の増減 |
| y<0 | 負 | 減少 |
| 0<y<1 | 正 | 増加 |
| y>1 | 負 | 減少 |
したがって、解が 0<y<1 にある間は増加し、位相線の矢印は平衡解 y=1 の方向を指す。この符号解析により、解の明示式を導出する前にも局所的な増減を判定できる。y=1 への収束を結論するには、解が 0<y<1 にとどまることと、その極限を別途確認する必要がある。
data/lecture/math/differential-equations/logistic-equation.lecture.n.md
11変数分離できない例
y'=x+y
は x と y が和で結ばれている。積 f(x)g(y) に分解されていないので、変数分離形として扱ってはならない。この方程式は
y'-y=x
と整理して一階線型として扱う。
data/lecture/math/differential-equations/first-order-linear-odes-and-integrating-factors.lecture.n.md
12特異解との関係
g(y)=0 の定数解を除算によって脱落させることと、特異解の存在とは別の問題である。特異解は、微分方程式を満たすが、一般解族の任意定数を選択しても得られない解として判定する。
同一の初期条件を満たす複数の解が存在する非一意性は、存在一意性定理の仮定に関する別の問題であり、特異解の定義でも十分条件でもない。変数分離の計算では、除算した因子、定義域、初期条件を最後に確認する。
data/lecture/math/differential-equations/singular-solutions-and-envelopes.lecture.n.md
13まとめ
変数分離形で最初に確認することは、次の 4 点である。
- y'=f(x)g(y) に整理できるか。
- g(y)=0 から定数解が出ないか。
- 積分の結果が陽関数解か陰関数解か。
- 得た解の定義域はどこか。
14演習リンク
data/exercise/math/differential-equations/separable-equations-and-autonomous-systems.exercise.n.md