markdown
energy method の入口md a673f37
lecture/math/partial-differential-equations/introduction-to-energy-methods.lecture.n.md
Download PDF

energy method の入口いりぐち

date2026-07-15document_iddoc_43a6bec521a85d16ea805c0223b35e4fdescriptionenergy method を、PDE の解の大きさや保存量を積分量で制御する方法として導入する。prerequisitesheat・wave・Laplace 方程式 / 多重積分と変数変換type講義content_typelecturestatusactiverelateddata/lecture/math/partial-differential-equations/heat-wave-and-laplace-equations.lecture.n.md / data/lecture/math/partial-differential-equations/separation-of-variables-and-fourier-series.lecture.n.md / data/lecture/math/partial-differential-equations/maximum-principle-basics.lecture.n.md / data/lecture/math/vector-calculus/green-gauss-and-stokes-theorems.lecture.n.md / data/lecture/math/partial-differential-equations/introduction-to-green-functions.lecture.n.md
mathpartial-differential-equationsenergy-methodlecture

1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、PDE のかいてんごとに追跡ついせきするのではなく、領域全体りょういきぜんたい積分量せきぶんりょうによって制御せいぎょする方法ほうほう説明せつめいする。まえの maximum principle はかい最大値さいだいちてんごとに制御せいぎょしたが、energy method は二乗積分にじょうせきぶんとおして解全体かいぜんたいおおきさを評価ひょうかする。

2用語ようご定義ていぎ

energy methodEnergy method は、かい微分びぶん二乗積分にじょうせきぶんをエネルギーとして定義ていぎし、その時間変化じかんへんか評価ひょうかする方法ほうほうである。

3方針ほうしん

波動方程式はどうほうていしきでは運動うんどうひずみのエネルギーが保存ほぞんされる。熱方程式ねつほうていしきでは二乗積分にじょうせきぶん減衰げんすいする。積分せきぶんによる評価ひょうかは、明示解めいじかいがなくても有効ゆうこうである。

4接続せつぞく

energy method では部分積分ぶぶんせきぶん反復はんぷくしてあらわれる。多次元たじげんでは、Gauss の発散定理はっさんていりもちいて領域積分りょういきせきぶん境界積分きょうかいせきぶん変換へんかんする Green 公式こうしき部分積分ぶぶんせきぶん対応たいおうする。境界条件きょうかいじょうけん境界項きょうかいこう消去しょうきょする役割やくわりつ。

5計算けいさん前提ぜんてい

以下いかでは c>0κ>00<x<L0[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]t[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]T とする。また、積分せきぶん時間微分じかんびぶん順序交換じゅんじょこうかんおよび部分積分ぶぶんせきぶんができるだけ十分じゅうぶんなめらかな古典解こてんかいかんがえる。ここで古典解こてんかいとは、方程式ほうていしき条件じょうけん各点かくてんたすだけの微分可能性びぶんかのうせいかいである。弱解じゃくかい拡張かくちょうする場合ばあいは、まずなめらかな近似解きんじかいおな評価ひょうかてから極限きょくげんる、という追加ついか議論ぎろん必要ひつようである。

6波動方程式はどうほうていしきれい

utt=c2uxxu(0,t)=u(L,t)=0 とする。エネルギーを

E(t)=120L(ut2+c2ux2)dx

定義ていぎする。E(t)計算けいさんし、部分積分ぶぶんせきぶん境界条件きょうかいじょうけん使用しようすると、E(t)=0 となる。これは明示解めいじかい使用しようせずに保存量ほぞんりょう方法ほうほうである。

計算けいさんつぎとおりである。

E(t)=0L(ututt+c2uxuxt)dx

方程式ほうていしき utt=c2uxx代入だいにゅうすると、

E(t)=c20L(utuxx+uxuxt)dx

である。第一項だいいっこう部分積分ぶぶんせきぶんすると、

0Lutuxxdx=[utux]0L-0Lutxuxdx

となる。のこふたつの積分せきぶんうので、まず

E(t)=c2[utux]0L

る。この境界項きょうかいこうは、端点たんてんとおるエネルギーの流出入りゅうしゅつにゅうあらわす。固定端条件こていたんじょうけん u(0,t)=u(L,t)=0t微分びぶんすると端点たんてんut=0 となるため、境界項きょうかいこうえて E(t)=0 である。保存ほぞん方程式ほうていしきだけの性質せいしつではなく、境界きょうかいからエネルギーが出入でいりしないことにも依存いぞんする。

7波動方程式はどうほうていしき一意性いちいせい

おな初期条件しょきじょうけん固定端条件こていたんじょうけんたすふたつのかい u,v があるとする。w=u-vけば、w斉次波動方程式せいじはどうほうていしきれい初期条件しょきじょうけん固定端条件こていたんじょうけんたす。したがって w初期しょきエネルギーは 0 であり、エネルギー保存ほぞんからすべての t

0L(wt2+c2wx2)dx=0

となる。古典解こてんかい仮定かていにより被積分関数ひせきぶんかんすう連続れんぞくかつ非負ひふなので、積分せきぶんが 0 ならすべてのてんwt=wx=0 である。よって w時間じかんにも空間くうかんにも依存いぞんしない定数ていすうであり、固定端条件こていたんじょうけんから w=0、すなわち u=v である。

8熱方程式ねつほうていしきれい

ut=κuxxu(0,t)=u(L,t)=0 とする。0Lu2dx時間微分じかんびぶんすると、

ddt0Lu2dx=-2κ0Lux2dx[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]0

る。ねつでは二乗積分にじょうせきぶん減衰げんすいし、なみではエネルギーが保存ほぞんされる。この方程式ほうていしき性質せいしつしめす。

導出どうしゅつ

ddt0Lu2dx=20Luutdx=2κ0Luuxxdx

からはじまる。部分積分ぶぶんせきぶんにより

2κ0Luuxxdx=2κ[uux]0L-2κ0Lux2dx

である。Dirichlet 条件じょうけんでは境界項きょうかいこうが 0 になるため、減衰評価げんすいひょうかられる。

この評価ひょうかだけで二乗積分にじょうせきぶん増加ぞうかしないことはかる。さらに、両端りょうたんで 0 になる関数かんすうたいする Poincare 不等式ふとうしき

0Lu2dx[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")](Lπ)20Lux2dx

をここではもちいると、減衰げんすいはやさまでられる。Poincare 不等式ふとうしきは、関数かんすうおおきさを、その変化率へんかりつおおきさで制御せいぎょする不等式ふとうしきである。

この定数ていすうは、変数分離法へんすうぶんりほう導入どうにゅうした sine 固有関数こゆうかんすうから確認かくにんできる。u

u(x)=n=1bnsin(nπxL)

展開てんかいすると、直交性ちょっこうせいにより

0Lu2dx=L2n=1|bn|2,0Lux2dx=L2n=1(nπL)2|bn|2

である。n2[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]1 なので 0Lux2dx[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")](π/L)20Lu2dx となり、うえの Poincare 不等式ふとうしきしたがう。この導出どうしゅつは、十分じゅうぶんなめらかで両端りょうたんで 0 になる u の sine 展開てんかい使用しようしている。

この不等式ふとうしき減衰評価げんすいひょうか代入だいにゅうすれば

ddt0Lu2dx[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]-2κ(πL)20Lu2dx

となる。したがって

0Lu(x,t)2dx[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]e-2κ(π/L)2t0Lu(x,0)2dx

であり、零境界条件れいきょうかいじょうけんねつ二乗積分にじょうせきぶん意味いみ指数的しすうてき減衰げんすいする。ここにあらわれる π/L は、変数分離法へんすうぶんりほう最初さいしょの sine 固有関数こゆうかんすう対応たいおうした波数はすうである。

9外力がいりょくがある場合ばあい

比較例ひかくれいとして、おな固定端条件こていたんじょうけん u(0,t)=u(L,t)=0 のもとで utt=c2uxx+F(x,t)かんがえる。この場合ばあい境界流束きょうかいりゅうそくえるので

E(t)=0LF(x,t)ut(x,t)dx

となり、エネルギーは保存ほぞんされない。右辺みぎへん外力がいりょくけい注入ちゅうにゅうする仕事率しごとりつあらわす。ここで

F(·,t)2=(0L|F(x,t)|2dx)1/2

定義ていぎする。Cauchy--Schwarz 不等式ふとうしきut(·,t)22[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]2E(t) から

E(t)[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]F(·,t)22E(t)

る。E(t)>0区間くかんE(t)微分びぶんし、F(·,t)20[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]t[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]T積分可能せきぶんかのうであるとすれば、

E(t)[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]E(0)+120tF(·,s)2ds

となる。E(t)=0 となる時刻じこくふく場合ばあいも、E+ε評価ひょうかして ε0 とすればおな結論けつろんる。これは外力がいりょくちいさければかいのエネルギーも制御せいぎょされるという安定性あんていせい評価ひょうかである。energy method は保存ほぞんだけでなく、増加ぞうか減衰げんすい不等式ふとうしき制御せいぎょする枠組わくぐみでもある。

10どこまで成立せいりつするか

非線形ひせんけい PDE では、評価ひょうかしたいエネルギーだけで不等式ふとうしき右辺うへん制御せいぎょできるとはかぎらない。散逸さんいつ保存ほぞん外力がいりょく有無うむ確認かくにんする必要ひつようがある。

energy method はかいしき構成こうせいしなくても、一意性いちいせい減衰げんすい安定性あんていせいしめせる。つぎの Green 関数かんすうでは、線形せんけい PDE のかいそのものを点源応答てんげんおうとう積分せきぶんとして構成こうせいする。

11関連かんれんリンク

data/lecture/math/partial-differential-equations/maximum-principle-basics.lecture.n.md data/lecture/math/partial-differential-equations/heat-wave-and-laplace-equations.lecture.n.md data/lecture/math/partial-differential-equations/separation-of-variables-and-fourier-series.lecture.n.md data/lecture/math/vector-calculus/green-gauss-and-stokes-theorems.lecture.n.md data/lecture/math/partial-differential-equations/introduction-to-green-functions.lecture.n.md
raw .n.md をコピー
loc をコピー (filepath:line ~ line)
copy share link
copy encoded share link
path をコピー
copy share link
copy encoded share link
copy share link
copy encoded share link
タブを全て閉じる