偏微分方程式へんびぶんほうていしきポータル

1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、PDE を ODE の付録ふろくとしてではなく、未知関数みちかんすうが複数変数ふくすうへんすうに依存いぞんする方程式ほうていしきとして独立どくりつした対象たいしょうに位置いちづけ、問題設定もんだいせっていと解法かいほうを体系的たいけいてきに整理せいりする。

2方針ほうしん

まず未知関数みちかんすう・独立変数どくりつへんすう・定義域ていぎいきを確認かくにんする。つぎに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を区別くべつする。そのうえで特性曲線とくせいきょくせん・型分類かたぶんるい・変数分離へんすうぶんり・Fourier 級数きゅうすうの役割やくわりを配置はいちする。

3このトラックの責務せきむ

常微分方程式じょうびぶんほうていしきトラックでは、一変数いちへんすうの時間発展じかんはってんと初期値問題しょきちもんだいを中心ちゅうしんに扱あつかう。多変数微積分たへんすうびせきぶんトラックでは、偏微分へんびぶんや重積分じゅうせきぶんそのものの定義ていぎと計算けいさんを整備せいびする。ベクトル解析かいせきトラックでは、grad・div・curl と境界積分きょうかいせきぶんの関係かんけいを主題しゅだいにする。

このトラックの責務せきむは、それらを前提ぜんていにして、heat・wave・Laplace・transport のような代表だいひょう PDE を分類ぶんるいし、条件じょうけんの置おき方かたと解法かいほうの選択せんたくを整理せいりすることである。したがって、偏微分へんびぶんの導出どうしゅつや Green・Gauss・Stokes の詳細証明しょうさいしょうめいはここでは主題しゅだいにしない。

4到達目標とうたつもくひょう

このトラックの到達目標とうたつもくひょうは三さん段階だんかいである。第一だいいちに、PDE の式しきから未知関数みちかんすう・独立変数どくりつへんすう・条件じょうけんを抽出ちゅうしゅつできること。第二だいにに、heat・wave・Laplace の代表だいひょうモデルを分類ぶんるいし、どの性質せいしつを調査ちょうさすべきかを判断はんだんできること。第三だいさんに、Fourier 解析かいせき・energy method・Green 関数かんすうがどの問題もんだいに適合てきごうするかを説明せつめいできることである。

5各段階かくだんかいで使つかう基礎きそ

• 偏微分へんびぶん: PDE の各項かくこうが何なにを測はかるかを確認かくにんするために必要ひつようである。
• 重積分じゅうせきぶん: energy method や保存則ほぞんそくで領域全体りょういきぜんたいの量りょうを扱あつかうために必要ひつようである。
• Fourier 級数きゅうすう: 有界区間ゆうかいくかんの境界値問題きょうかいちもんだいを固有関数展開こゆうかんすうてんかいへ移行いこうする解法かいほうで用もちいる。
• 常微分方程式じょうびぶんほうていしき: 変数分離法へんすうぶんりほうで PDE を ODE 群ぐんへ分解ぶんかいする際さいの基礎きそとなる。

6最初さいしょに確認かくにんする五ご項目こうもく

1. 各独立変数かくどくりつへんすうは空間くうかん・時間じかん・その他たのどの量りょうを表あらわし、問題もんだいは時間発展じかんはってんか静的せいてきな関係かんけいか。
2. 定義域ていぎいきは全空間ぜんくうかん、有界領域ゆうかいりょういき、半空間はんくうかんなどの非有界領域ひゆうかいりょういき、または周期領域しゅうきりょういきのどれか。
3. 条件じょうけんは初期条件しょきじょうけんか、境界条件きょうかいじょうけんか、あるいはその両方りょうほうか。
4. 方程式ほうていしきの階数かいすうは何なにか。このトラックで中心ちゅうしんに扱あつかう一階いっかい・二階にかいのどちらか。また、線形せんけいか非線形ひせんけいか。
5. 目的もくてきは明示解めいじかいの構成こうせいか、一意性いちいせい・安定性あんていせい・保存則ほぞんそくの確認かくにんか。

この五ご項目こうもくを先さきに固定こていすると、特性曲線法とくせいきょくせんほう・変数分離法へんすうぶんりほう・Fourier 変換へんかん・Green 関数かんすう・energy method を式しきの外形がいけいだけから機械的きかいてきに選択せんたくする誤あやまりを避さけやすい。

7読解経路どっかいけいろ

共通きょうつうの入口いりぐちでは、PDE とは何なにか、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の順じゅんに確認かくにんする。一階いっかい PDE へ進すすむなら特性曲線法とくせいきょくせんほうを、二階線形にかいせんけい PDE へ進すすむなら型分類かたぶんるいを確認かくにんする。heat・wave・Laplace の比較ひかくは型分類かたぶんるいの後あとに置おき、そこから変数分離法へんすうぶんりほうへ進すすむ。理論重視りろんじゅうしルートでは、さらに maximum principle、energy method、Green 関数かんすうへ進行しんこうする。物理応用ぶつりおうようルートでは、代表だいひょうモデルから流束りゅうそく・保存則ほぞんそく・Fourier 変換へんかんへ接続せつぞくする。

共通きょうつうの入口いりぐちとその後ごの分岐ぶんきが答こたえる疑問ぎもんは、「この PDE は何なにを表あらわし、条件じょうけんをどう置おき、どの代表的だいひょうてき解法かいほうへ進すすむか」である。理論重視りろんじゅうしルートが答こたえる疑問ぎもんは、「明示解めいじかいが書かけなくても、解かいの一意性いちいせいや安定性あんていせいをどう示しめすか」である。物理応用ぶつりおうようルートが答こたえる疑問ぎもんは、「熱ねつ・波なみ・静電場せいでんばの現象差げんしょうさが式しきの型かたにどう現あらわれるか」である。

8各かくページの役割やくわり

PDE とは何なにか、というページは未知関数みちかんすう・独立変数どくりつへんすう・定義域ていぎいき・条件じょうけんを抽出ちゅうしゅつする入口いりぐちである。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は、時間発展じかんはってんと空間拘束くうかんこうそくの差さを整理せいりする。特性曲線法とくせいきょくせんほうは一階いっかい PDE で情報じょうほうが移動いどうする経路けいろを追跡ついせきする。二階線形にかいせんけい PDE の分類ぶんるいは、二階主部にかいしゅぶの型かたを分類ぶんるいし、型かたごとに追加ついかして検討けんとうすべき問題設定もんだいせっていと性質せいしつを整理せいりする。

heat・wave・Laplace のページは代表だいひょうモデルの性質比較せいしつひかくを担当たんとうする。変数分離法へんすうぶんりほうと Fourier 級数きゅうすうは有界区間ゆうかいくかんの境界値問題きょうかいちもんだいを固有値問題こゆうちもんだいへ変換へんかんする。Fourier 変換へんかんと PDE は全空間ぜんくうかんの問題もんだいで微分びぶんを掛かけ算ざんへ変換へんかんする。maximum principle、energy method、Green 関数かんすうは、解かいを明示めいじできない場合ばあいにも一意性いちいせい・安定性あんていせい・応答おうとうを調査ちょうさするための道具どうぐである。

9判別はんべつの順序じゅんじょ

第一だいいちに、各独立変数かくどくりつへんすうが表あらわす量りょうをモデル・方程式ほうていしき・データから確認かくにんする。第二だいにに、時間発展問題じかんはってんもんだいか静的問題せいてきもんだいかを区別くべつする。第三だいさんに、領域りょういきの有界性ゆうかいせい・境界きょうかい・周期性しゅうきせいを確認かくにんする。この順序じゅんじょを固定こていすると、Fourier 変換へんかん、Fourier 級数きゅうすう、Green 関数かんすうの使つかい分わけが明確めいかくになる。

10読解例どっかいれい

熱伝導ねつでんどうを目的もくてきにする場合ばあいは、heat・wave・Laplace の比較ひかくから変数分離法へんすうぶんりほう、maximum principle、Fourier 変換へんかんへ進行しんこうする。波動はどうを目的もくてきにする場合ばあいは、初期値問題しょきちもんだい、変数分離法へんすうぶんりほう・Fourier 解析かいせき、energy method を優先ゆうせんする。transport 方程式ほうていしきは、特性曲線法とくせいきょくせんほうから続つづく一階いっかい PDE と保存則ほぞんそくの経路けいろで扱あつかう。静電せいでんポテンシャルを目的もくてきにする場合ばあいは、Laplace 方程式ほうていしき、Green 関数かんすう、maximum principle を連続れんぞくして確認かくにんする。

11学習順序がくしゅうじゅんじょ

12接続せつぞく

PDE は多変数微積分たへんすうびせきぶん・ベクトル解析かいせき・Fourier 解析かいせき・物理数学ぶつりすうがくを接続せつぞくする。熱方程式ねつほうていしきは拡散かくさん、波動方程式はどうほうていしきは伝播でんぱ、Laplace 方程式ほうていしきは平衡へいこうを表あらわす。

13関連かんれんリンク