PDE の初期値問題しょきちもんだいと境界値問題きょうかいちもんだい

1導入どうにゅう

PDE の問題もんだいは、方程式ほうていしきだけでは定さだまらない。未知関数みちかんすうを考かんがえる領域りょういきと、どの場所ばしょにどの条件じょうけんを与あたえるかを組くみ合あわせて、はじめて一ひとつの問題もんだいになる。

この講義こうぎでは、初期値問題しょきちもんだい・境界値問題きょうかいちもんだい・初期境界値問題しょききょうかいちもんだいを区別くべつし、条件じょうけんが多おおいか少すくないかだけでなく、存在そんざい・一意性いちいせい・安定性あんていせいと適合条件てきごうじょうけんまで確認かくにんする。

2問題もんだいを置おく集合しゅうごう

$$\mathrm{\Omega }\subset R^n$$\Omega\subset\mathbb R^n を連結れんけつな空間領域くうかんりょういき、$$\mathit{\partial }\mathrm{\Omega }$$\partial\Omega をその境界きょうかい、$$T>0$$T>0 を終端時刻しゅうたんじこくとする。この講義こうぎでは、$$\mathit{\partial }\mathrm{\Omega }$$\partial\Omega 上じょうの外向そとむき単位法線たんいほうせんと発散定理はっさんていりを使用しようできる程度ていどに境界きょうかいが滑なめらかであると仮定かていする。時間発展じかんはってんを扱あつかうときは、時空領域じくうりょういき

で $$u(x,t)$$u(x,t) を考かんがえる。$$t=0$$t=0 の断面だんめん $$\mathrm{\Omega }\times \left\{0\right\}$$\Omega\times\{0\} が初期面しょきめん、$$\mathit{\partial }\mathrm{\Omega }\times (0,T)$$\partial\Omega\times(0,T) が側面境界そくめんきょうかいである。初期条件しょきじょうけんと境界条件きょうかいじょうけんは、異ことなる集合しゅうごうに置おかれる。

3三みっつの問題形式もんだいけいしき

初期値問題しょきちもんだいInitial value problem は、初期面しょきめんでデータを与あたえ、その後ごの時間発展じかんはってんを求もとめる問題もんだいである。Cauchy 問題もんだいはより一般いっぱんには初期超曲面しょきちょうきょくめんにデータを置おく問題もんだいであり、このトラックでは全空間ぜんくうかん $$R^n$$\mathbb R^n の $$t=0$$t=0 にデータを置おく標準例ひょうじゅんれいを扱あつかう。

境界値問題きょうかいちもんだいBoundary value problem は、境界きょうかいを持もつ領域りょういきで境界きょうかいデータを与あたえて解かいを求もとめる問題もんだいである。このページでは、時間じかんを含ふくまない Laplace 方程式ほうていしきや Poisson 方程式ほうていしきを代表例だいひょうれいとして扱あつかう。

初期境界値問題しょききょうかいちもんだいInitial-boundary value problem は、境界きょうかいを持もつ空間領域くうかんりょういきで時間発展じかんはってんを扱あつかい、初期面しょきめんと側面境界そくめんきょうかいの両方りょうほうにデータを与あたえる問題もんだいである。このページでは主おもに有界領域ゆうかいりょういきを考かんがえ、有限区間上ゆうげんくかんじょうの熱方程式ねつほうていしきや波動方程式はどうほうていしきを標準例ひょうじゅんれいとする。

4境界条件きょうかいじょうけんの三みっつの型かた

$$n$$n を $$\mathit{\partial }\mathrm{\Omega }$$\partial\Omega 上じょうの外向そとむき単位法線たんいほうせんとし、法線微分ほうせんびぶんを

と定さだめる。代表的だいひょうてきな境界条件きょうかいじょうけんは次つぎの三みっつである。

• Dirichlet 条件じょうけん: $$u=g$$u=g。境界きょうかいで未知関数みちかんすうの値あたいを指定していする。
• Neumann 条件じょうけん: $${\mathit{\partial }}_{n}u=h$$\partial_nu=h。境界きょうかいで外向そとむき法線方向ほうせんほうこうの微分びぶんを指定していする。
• Robin 条件じょうけん: $$\alpha u+\beta {\mathit{\partial }}_{n}u=r$$\alpha u+\beta\partial_nu=r。値あたいと法線微分ほうせんびぶんの線形結合せんけいけつごうを指定していする。$$\alpha ,\beta$$\alpha,\beta は同時どうじに 0 ではないとする。

Robin 条件じょうけんを書かくだけで適切性てきせつせいが自動的じどうてきに従したがうわけではない。一意性いちいせいや安定性あんていせいには、係数けいすうの符号ふごうや境界きょうかいの分割ぶんかつに追加仮定ついかかていが必要ひつようである。

境界全体きょうかいぜんたいで同おなじ型かたを使つかう必要ひつようはない。$${\mathrm{\Gamma }}_D$$\Gamma_D と $${\mathrm{\Gamma }}_N$$\Gamma_N を重かさならない境界部分きょうかいぶぶんとし、$$\mathit{\partial }\mathrm{\Omega }={\mathrm{\Gamma }}_D\cup {\mathrm{\Gamma }}_N$$\partial\Omega=\Gamma_D\cup\Gamma_N と分わけ、$${\mathrm{\Gamma }}_D$$\Gamma_D で Dirichlet 条件じょうけん、$${\mathrm{\Gamma }}_N$$\Gamma_N で Neumann 条件じょうけんを課かすものを混合境界条件こんごうきょうかいじょうけんという。これは一ひとつの場所ばしょで値あたいと法線微分ほうせんびぶんを結合けつごうする Robin 条件じょうけんとは異ことなる。

Neumann 条件じょうけんを流束りゅうそくとして読よむときは符号ふごうに注意ちゅういする。$$k>0$$k>0 を熱伝導率ねつでんどうりつとし、熱流束ねつりゅうそくを $$q=-k\nabla u$$q=-k\nabla u と定さだめれば、外向そとむき流束りゅうそくは

である。したがって「$${\mathit{\partial }}_{n}u>0$$\partial_nu>0」と「外向そとむきの熱流束ねつりゅうそくが正せい」は同おなじ意味いみではない。どちらをデータとしているかを式しきから確認かくにんする必要ひつようがある。

5時間階数じかんかいすうと初期条件しょきじょうけん

標準的ひょうじゅんてきな発展方程式はってんほうていしきでは、時間じかんについての階数かいすうが必要ひつような初期しょきデータの数かずを示しめす。

熱方程式ねつほうていしき

は時間じかんについて一階いっかいなので、初期分布しょきぶんぷ $$u(x,0)=f\left(x\right)$$u(x,0)=f(x) を与あたえる。波動方程式はどうほうていしき

は時間じかんについて二階にかいなので、初期変位しょきへんいと初期速度しょきそくど

を与あたえる。ただし「階数かいすうと同数どうすうを置おけば必かならずよい」という規則きそくではない。方程式ほうていしきに拘束条件こうそくじょうけんがある場合ばあいや、データを置おく面めんが方程式ほうていしきの特性的とくせいてきな面めんである場合ばあいは、独立どくりつに指定していできるデータが変かわる。一階いっかい PDE でデータを置おける曲線きょくせんの条件じょうけんは、次つぎの特性曲線法とくせいきょくせんほうで扱あつかう。

6transport 方程式ほうていしき: 条件じょうけんを置おく境界きょうかいを選えらぶ

$$c>0$$c>0 として、有界区間ゆうかいくかん $$0<x<L$$0<x<L の transport 方程式ほうていしき

を考かんがえる。情報じょうほうは速度そくど $$c$$c で右みぎへ進すすむので、$$x=0$$x=0 は情報じょうほうが領域りょういきへ入はいる流入境界りゅうにゅうきょうかい、$$x=L$$x=L は情報じょうほうが出でる流出境界りゅうしゅつきょうかいである。初期値しょきち $$u(x,0)=f\left(x\right)$$u(x,0)=f(x) に加くわえて、流入境界りゅうにゅうきょうかいの値あたい $$u(0,t)=a\left(t\right)$$u(0,t)=a(t) を指定していするのが基本きほんである。流出境界りゅうしゅつきょうかい $$u(L,t)$$u(L,t) は内部ないぶから運はこばれて決きまるため、そこにも任意にんいの値あたいを指定していすると一般いっぱんには過剰条件かじょうじょうけんになる。

角かど $$(0,0)$$(0,0) では $$f\left(0\right)=a\left(0\right)$$f(0)=a(0) が適合条件てきごうじょうけんになる。また、$$c<0$$c<0 なら流入境界りゅうにゅうきょうかいは $$x=L$$x=L に入いれ替かわる。この例れいは、境界条件きょうかいじょうけんの場所ばしょと個数こすうが幾何学的きかがくてきな端点たんてんの数かずではなく、特性とくせいがどちらから情報じょうほうを運はこぶかで決きまることを示しめす。

7適切性てきせつせい

適切てきせつな問題もんだいWell-posed problem とは、指定していした解かいのクラスで次つぎの三条件さんじょうけんを満みたす問題もんだいである。

1. 存在そんざい: 条件じょうけんを満みたす解かいがある。
2. 一意性いちいせい: 条件じょうけんを満みたす解かいが一ひとつに定さだまる。
3. 安定性あんていせい: データを少すこし変かえたとき、解かいも選えらんだ尺度しゃくどで少すこしだけ変かわる。

三条件目さんじょうけんめは Hadamard の意味いみでの連続依存性れんぞくいぞんせいである。「公式こうしきが書かける」ことだけでは適切性てきせつせいの証明しょうめいにならない。どの関数空間かんすうくうかんでデータと解かいの大おおきさを測はかるかも問題設定もんだいせっていの一部いちぶである。このページでは古典解こてんかいを念頭ねんとうに条件じょうけんの配置はいちを整理せいりし、energy estimate による一意性いちいせいと連続依存性れんぞくいぞんせいは後のちの energy method で扱あつかう。

たとえば熱方程式ねつほうていしきを時間じかんと逆向ぎゃくむきに解といて過去かこの温度おんどを復元ふくげんする問題もんだいでは、空間的くうかんてきに細こまかく振動しんどうする高周波成分こうしゅうはせいぶんの小ちいさな誤差ごさが指数的しすうてきに増幅ぞうふくされる。形式的けいしきてきに解かいを逆算ぎゃくさんできても、データへの連続依存性れんぞくいぞんせいを失うしなえば適切てきせつな問題もんだいではない。存在そんざい・一意性いちいせいと安定性あんていせいを分わけて確認かくにんする理由りゆうがここにある。

8初期面しょきめんと境界きょうかいの適合条件てきごうじょうけん

初期面しょきめんと側面境界そくめんきょうかいは $$\mathit{\partial }\mathrm{\Omega }\times \left\{0\right\}$$\partial\Omega\times\{0\} で交まじわる。この角かどで二ふたつのデータが矛盾むじゅんしないための条件じょうけんを適合条件てきごうじょうけんという。

たとえば熱方程式ねつほうていしきに

という Dirichlet 条件じょうけんを課かし、閉領域へいりょういきまで連続れんぞくな古典解こてんかいを求もとめるなら、少すくなくとも

が必要ひつようである。Neumann 条件じょうけん $${\mathit{\partial }}_{n}u=h$$\partial_nu=h なら、十分じゅうぶん滑なめらかな初期値しょきちに対たいして $${\mathit{\partial }}_{n}f=h(·,0)$$\partial_nf=h(\cdot,0) が必要ひつようになる。さらに高たかい正則性せいそくせいを要求ようきゅうすれば、方程式ほうていしきを使つかって得えられる高階こうかいの適合条件てきごうじょうけんも必要ひつようになる。

固定端こていたんの一次元波動方程式いちじげんはどうほうていしきで $$u(0,t)=u(L,t)=0$$u(0,t)=u(L,t)=0 を課かす場合ばあい、滑なめらかな古典解こてんかいには

が必要ひつようであり、境界条件きょうかいじょうけんを時間微分じかんびぶんできる正則性せいそくせいまで要求ようきゅうするなら

も必要ひつようである。適合条件てきごうじょうけんが破やぶれていても、弱よわい意味いみや $$t>0$$t>0 に限かぎれば解かいを扱あつかえる場合ばあいがあるため、「解かいが全まったくない」と一括ひとくくりにはしない。どの解概念かいがいねんと境界きょうかいでの連続性れんぞくせいを要求ようきゅうするかを先さきに固定こていする。

9熱方程式ねつほうていしき: 境界きょうかいが総量そうりょうを変かえる

$$u_t=\kappa \mathrm{\Delta }u$$u_t=\kappa\Delta u を滑なめらかな有界領域ゆうかいりょういきで考かんがえる。発散定理はっさんていりにより

である。したがって斉次せいじ Neumann 条件じょうけん $${\mathit{\partial }}_{n}u=0$$\partial_nu=0 では総量そうりょう $${\int }_{\mathrm{\Omega }}udx$$\int_\Omega u\,dx が保存ほぞんされる。一方いっぽう、Dirichlet 条件じょうけんでは境界きょうかいを通つうじた流出入りゅうしゅつにゅうが一般いっぱんには 0 でなく、総量そうりょうは保存ほぞんされない。この違ちがいは、境界条件きょうかいじょうけんが単たんなる計算上けいさんじょうの付属物ふぞくぶつではなく、モデルの外部がいぶとの接続せつぞくを表あらわすことを示しめす。

10Laplace・Poisson 方程式ほうていしき: 純じゅん Neumann 問題もんだいの例外れいがい

Dirichlet 問題もんだいでは、適切てきせつな仮定かていのもとで境界値きょうかいちが調和関数ちょうわかんすうを一意いちいに定さだめる。これに対たいし純じゅん Neumann 問題もんだいでは、$$u$$u が解かいなら $$u+C$$u+C も同おなじ法線微分ほうせんびぶんを持もつため、解かいは定数分ていすうぶんだけしか定さだまらない。

さらに

を積分せきぶんすると、発散定理はっさんていりから必要条件ひつようじょうけん

を得える。Laplace 方程式ほうていしき $$F=0$$F=0 なら、$${\int }_{\mathit{\partial }\mathrm{\Omega }}hdS=0$$\int_{\partial\Omega}h\,dS=0 が必要ひつようである。この条件じょうけんを満みたさないデータには解かいがない。満みたす場合ばあいも一意性いちいせいを得えるには、たとえば $${\int }_{\mathrm{\Omega }}udx=0$$\int_\Omega u\,dx=0 のような正規化せいきかを追加ついかする。

11条件じょうけんを過不足かぶそくなく読よむ

• 方程式ほうていしき、空間領域くうかんりょういき、時間区間じかんくかん、解概念かいがいねんを最初さいしょに固定こていする。
• 初期値問題しょきちもんだい・境界値問題きょうかいちもんだい・初期境界値問題しょききょうかいちもんだいのどれかを区別くべつする。
• 境界きょうかいの外向そとむき法線ほうせんと流束りゅうそくの符号規約ふごうきやくを確認かくにんする。
• 時間階数じかんかいすうだけで機械的きかいてきに条件数じょうけんすうを決きめず、特性とくせいや拘束条件こうそくじょうけんを確認かくにんする。
• 初期面しょきめんと側面境界そくめんきょうかいの交まじわりで適合条件てきごうじょうけんを確認かくにんする。
• 存在そんざい・一意性いちいせい・安定性あんていせいを別々べつべつの主張しゅちょうとして確認かくにんする。
• 純じゅん Neumann 問題もんだいでは積分条件せきぶんじょうけんと定数ていすうの不定性ふていせいを確認かくにんする。

12どこまで成立せいりつするか

このページは滑なめらかな領域りょういきと標準的ひょうじゅんてきな線形せんけい PDE を中心ちゅうしんに、条件じょうけんの配置はいちを説明せつめいした。境界きょうかいが滑なめらかでない場合ばあい、係数けいすうが不連続ふれんぞくな場合ばあい、非線形方程式ひせんけいほうていしきで衝撃波しょうげきはが生しょうじる場合ばあいには、古典解こてんかいではなく弱解じゃくかいやトレースの理論りろんが必要ひつようになる。また、適切性てきせつせいの証明しょうめいには maximum principle、energy estimate、固有関数展開こゆうかんすうてんかいなど、方程式ほうていしきの型かたに応おうじた道具どうぐが必要ひつようである。

13次つぎに読よむページ

一階いっかい PDE では、初期しょきデータをどの曲線きょくせんに置おけるかを特性曲線法とくせいきょくせんほうで判定はんていする。二階にかい PDE では主部しゅぶを分類ぶんるいし、適切てきせつな追加仮定ついかかていのもとで自然しぜんな問題設定もんだいせっていと情報伝播じょうほうでんぱを考察こうさつする。その後ご、heat・wave・Laplace 方程式ほうていしきで条件じょうけんが解かいの性質せいしつをどう変かえるかを比較ひかくする。