markdown
常微分方程式への橋渡しmd 1fd8cf9
lecture/math/calculus/introduction-to-differential-equations.lecture.n.md
Download PDF

常微分方程式じょうびぶんほうていしきへの橋渡はしわた

mathcalculusdifferential-equationsbridgelecture

1微積分びせきぶんから未知関数みちかんすう決定けってい

この講義こうぎでは、導関数どうかんすうふく関係式かんけいしきから未知関数みちかんすう決定けっていする常微分方程式じょうびぶんほうていしき基本概念きほんがいねん説明せつめいする。独立変数どくりつへんすうが 1 である微分方程式びぶんほうていしき常微分方程式じょうびぶんほうていしき(ODE)という。最高階さいこうかい導関数どうかんすう階数かいすう方程式ほうていしき階数かいすうという。

たとえば y=2x一般解いっぱんかい

y=x2+C

である。任意定数にんいていすう C は、微分びぶんによってうしなわれた情報じょうほうあらわす。y(x0)=y0 のように 1 てんあたい指定していする条件じょうけん初期条件しょきじょうけんといい、方程式ほうていしき初期条件しょきじょうけんわせた問題もんだい初期値問題しょきちもんだいという。このれいでは C=y0-x02一意いちいまる。

2方程式ほうていしきかたち解法かいほう

y=xyy0区間くかん

dyy=xdx

分離ぶんりできるため、変数分離形へんすうぶんりけいである。積分せきぶんにより y=Cex2/2る。C=0もと方程式ほうていしきたすため、除算じょざんうしなわれた零解れいかい別途べっと確認かくにんする必要ひつようがある。

y'+y=0二階線形同次方程式にかいせんけいどうじほうていしきであり、一般解いっぱんかい

y=C1cosx+C2sinx

である。二階方程式にかいほうていしき特定とくていかい決定けっていするには、通常つうじょう y(x0)y(x0) の 2 初期値しょきち必要ひつようである。方程式ほうていしき階数かいすう線形性せんけいせい同次性どうじせい係数けいすう性質せいしつ識別しきべつしてから解法かいほう選択せんたくする。

3かい存在そんざい一意性いちいせい

初期値問題しょきちもんだい

y=f(x,y),y(x0)=y0

では、しき記述きじゅつできることだけではかい存在そんざい一意性いちいせい保証ほしょうされない。Peano の存在定理そんざいていりPeano existence theoremによれば、(x0,y0)近傍きんぼうf連続れんぞくなら、すくなくとも 1 局所解きょくしょかい存在そんざいする。さらにPicard--Lindelöf の一意性定理いちいせいていりPicard--Lindelöf uniqueness theoremによれば、fy について局所きょくしょリプシッツ連続れんぞくなら、その局所解きょくしょかい一意いちいである。これらは局所的きょくしょてき結論けつろんであり、有限時間ゆうげんじかんでの発散はっさん排除はいじょしない。

たとえば y=|y|y(0)=0 では右辺うへん連続れんぞくだが y=0近傍きんぼうyかんして局所きょくしょリプシッツ連続れんぞくではない。零解れいかい y0くわえ、任意にんいc[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]0たいして

y_c(x)=\begin{cases} 0,&x\le c,\\ (x-c)^2/4,&x\ge c \end{cases}

初期値問題しょきちもんだいたす。接続点せつぞくてん x=c では左右さゆう関数値かんすうち導関数どうかんすうがともに 0 であるため、ycC1 きゅうであり、方程式ほうていしき成立せいりつする。したがってかい一意いちいではない。計算けいさんした候補こうほ方程式ほうていしき初期条件しょきじょうけん代入だいにゅうするだけでなく、適用てきようした定理ていり仮定かてい確認かくにんする。

4つぎ学習がくしゅう

data/lecture/math/differential-equations/introduction-to-differential-equations.lecture.n.md data/lecture/math/differential-equations/initial-and-boundary-value-problems.lecture.n.md data/lecture/math/differential-equations/classifying-first-order-odes.lecture.n.md data/lecture/math/differential-equations/second-order-linear-constant-coefficient-odes.lecture.n.md data/lecture/math/analysis/introduction-to-laplace-transform.lecture.n.md data/exercise/math/calculus/advanced-calculus-applications.exercise.n.md

Bridge to Ordinary Differential Equations

1From Calculus to Determining an Unknown Function

This lecture introduces an ordinary differential equation as a relation containing derivatives from which an unknown function is to be determined. A differential equation with one independent variable is an ordinary differential equation (ODE). Its order is the order of its highest derivative.

For example, the general solution of y=2x is

y=x2+C.

The arbitrary constant C represents information lost by differentiation. A condition such as y(x0)=y0, which specifies a value at one point, is an initial condition. A differential equation together with initial conditions is an initial-value problem. Here the condition uniquely determines C=y0-x02.

2Equation Form and Method Selection

On an interval where y0, the equation y=xy can be separated as

dyy=xdx.

Integration gives y=Cex2/2. Because C=0 also satisfies the original equation, the zero solution lost during division must be checked separately.

The equation y'+y=0 is a second-order linear homogeneous equation, with general solution

y=C1cosx+C2sinx.

Determining a particular solution of a second-order equation normally requires two initial values, such as y(x0) and y(x0). A method should be selected only after identifying the order, linearity, homogeneity, and coefficient properties of the equation.

3Existence and Uniqueness

For the initial-value problem

y=f(x,y),y(x0)=y0,

merely writing the equation guarantees neither existence nor uniqueness. By the Peano existence theoremPeano existence theorem, if f is continuous near (x0,y0), at least one local solution exists. By the Picard--Lindelöf uniqueness theoremPicard--Lindelöf uniqueness theorem, if f is also locally Lipschitz continuous with respect to y, that local solution is unique. These are local conclusions and do not exclude finite-time blow-up.

For example, in y=|y| with y(0)=0, the right-hand side is continuous but is not locally Lipschitz in y near zero. Besides the zero solution y0, every c[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]0 gives a solution

y_c(x)=\begin{cases} 0,&x\le c,\\ (x-c)^2/4,&x\ge c. \end{cases}

At x=c, the function values and derivatives from both sides are zero, so yc is C1 and satisfies the equation at the joining point. The solution is therefore not unique. Consequently, one must both substitute a candidate into the equation and initial conditions and verify the hypotheses of every theorem invoked.

4Subsequent Study

data/lecture/math/differential-equations/introduction-to-differential-equations.lecture.n.md data/lecture/math/differential-equations/initial-and-boundary-value-problems.lecture.n.md data/lecture/math/differential-equations/classifying-first-order-odes.lecture.n.md data/lecture/math/differential-equations/second-order-linear-constant-coefficient-odes.lecture.n.md data/lecture/math/analysis/introduction-to-laplace-transform.lecture.n.md data/exercise/math/calculus/advanced-calculus-applications.exercise.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