常微分方程式への橋渡し
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1微積分から未知関数の決定へ
この講義では、導関数を含む関係式から未知関数を決定する常微分方程式の基本概念を説明する。独立変数が 1 個である微分方程式を常微分方程式(ODE)という。最高階の導関数の階数を方程式の階数という。
たとえば y'=2x の一般解は
y=x^2+C
である。任意定数 C は、微分によって失われた情報を表す。y(x_0)=y_0 のように 1 点で値を指定する条件を初期条件といい、方程式と初期条件を組み合わせた問題を初期値問題という。この例では C=y_0-x_0^2 と一意に決まる。
2方程式の形と解法
y'=xy は y\ne0 の区間で
\frac{dy}{y}=x\,dx
と分離できるため、変数分離形である。積分により y=Ce^{x^2/2} を得る。C=0 も元の方程式を満たすため、除算で失われた零解を別途確認する必要がある。
y''+y=0 は二階線形同次方程式であり、一般解は
y=C_1\cos x+C_2\sin x
である。二階方程式の特定の解を決定するには、通常 y(x_0) と y'(x_0) の 2 個の初期値が必要である。方程式の階数、線形性、同次性、係数の性質を識別してから解法を選択する。
3解の存在と一意性
初期値問題
y'=f(x,y),\qquad y(x_0)=y_0
では、式を記述できることだけでは解の存在も一意性も保証されない。Peano の存在定理によれば、(x_0,y_0) の近傍で f が連続なら、少なくとも 1 個の局所解が存在する。さらにPicard--Lindelöf の一意性定理によれば、f が y について局所リプシッツ連続なら、その局所解は一意である。これらは局所的な結論であり、有限時間での発散を排除しない。
たとえば y'=\sqrt{|y|}、y(0)=0 では右辺は連続だが y=0 の近傍で y に関して局所リプシッツ連続ではない。零解 y\equiv0 に加え、任意の c\ge0 に対して
y_c(x)=\begin{cases}
0,&x\le c,\\
(x-c)^2/4,&x\ge c
\end{cases}y_c(x)=\begin{cases}
0,&x\le c,\\
(x-c)^2/4,&x\ge c
\end{cases}
も初期値問題を満たす。接続点 x=c では左右の関数値と導関数がともに 0 であるため、y_c は C^1 級であり、方程式も成立する。したがって解は一意ではない。計算した候補を方程式と初期条件へ代入するだけでなく、適用した定理の仮定も確認する。
4次の学習
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
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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=x^2+C.
The arbitrary constant C represents information lost by differentiation. A condition such as y(x_0)=y_0, 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=y_0-x_0^2.
2Equation Form and Method Selection
On an interval where y\ne0, the equation y'=xy can be separated as
\frac{dy}{y}=x\,dx.
Integration gives y=Ce^{x^2/2}. 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=C_1\cos x+C_2\sin x.
Determining a particular solution of a second-order equation normally requires two initial values, such as y(x_0) and y'(x_0). 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),\qquad y(x_0)=y_0,
merely writing the equation guarantees neither existence nor uniqueness. By the Peano existence theorem, if f is continuous near (x_0,y_0), at least one local solution exists. By the Picard--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'=\sqrt{|y|} with y(0)=0, the right-hand side is continuous but is not locally Lipschitz in y near zero. Besides the zero solution y\equiv0, every c\ge0 gives a solution
y_c(x)=\begin{cases}
0,&x\le c,\\
(x-c)^2/4,&x\ge c.
\end{cases}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 y_c is C^1 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
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