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Euler 法を超える数値解法:Runge-Kutta 法と陰的方法md a8e26fe
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Euler ほうえる数値解法すうちかいほう:Runge-Kutta ほう陰的方法いんてきほうほう

date2026-07-16document_iddoc_bab169344901e0a1be670f7580e163afdescriptionEuler 法の限界を、Runge-Kutta 法による高次精度と陰的方法による安定性の補強へ接続する入口である。prerequisites方向場・Euler 法・誤差と安定性の入口 / 微分法の基本type講義content_typelecturestatusactiverelateddata/lecture/math/differential-equations/direction-fields-euler-method-error-and-stability.lecture.n.md / data/lecture/math/differential-equations/analytic-numerical-and-qualitative-ode-methods.lecture.n.md / data/exercise/math/differential-equations/numerical-ode-methods.exercise.n.md
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1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、Euler ほう欠点けってん精度せいど安定性あんていせい分解ぶんかいし、それぞれにたいして Runge-Kutta ほう陰的方法いんてきほうほう対応たいおうすることを確認かくにんする。

2対象たいしょうとする初期値問題しょきちもんだい

対象たいしょう初期値問題しょきちもんだい

y=f(t,y),y(t0)=y0

である。Euler ほうyn+1=yn+hf(tn,yn) であるが、局所情報きょくしょじょうほうを 1 かいしか利用りようしないため精度せいどひくい。かたい(剛性ごうせい問題もんだいstiff problemとは、精度せいどだけならおおきいきざみでもよいのに、陽的方法ようてきほうほう安定性あんていせい非常ひじょうちいさいきざみを要求ようきゅうする問題もんだいである。

ここで精度せいど安定性あんていせい分離ぶんりすることが重要じゅうようである。精度せいどは「厳密解げんみつかいにどれだけちかいか」をはかる。安定性あんていせいは「本来ほんらい減衰げんすいすべき成分せいぶんを、数値計算すうちけいさん人工的じんこうてき増幅ぞうふくしないか」をはかる。高次精度こうじせいど方法ほうほうでも、きざはば安定条件あんていじょうけんやぶれば破綻はたんする。

3Runge-Kutta ほう発想はっそう

Runge-Kutta ほうは、区間内くかんない複数ふくすうかたむきを評価ひょうかし、それらを平均へいきんして次点じてん構成こうせいする。代表だいひょうである 4 Runge-Kutta ほう

\begin{aligned} k_1&=f(t_n,y_n),\\ k_2&=f(t_n+h/2,y_n+hk_1/2),\\ k_3&=f(t_n+h/2,y_n+hk_2/2),\\ k_4&=f(t_n+h,y_n+hk_3),\\ y_{n+1}&=y_n+\frac{h}{6}(k_1+2k_2+2k_3+k_4) \end{aligned}

あたえられる。厳密値げんみつちから 1 だけすすめたあたい厳密解げんみつかいを、ここでは一歩欠損いっぽけっそんぶ。右辺うへんかい近傍きんぼう必要ひつよう階数かいすうだけなめらかで、数値解すうちかいがその領域りょういきとどまるなら、一歩欠損いっぽけっそんO(h5) である。このなめらかさからられる yかんする局所きょくしょ Lipschitz せい誤差伝播ごさでんぱおさえると、固定有限区間こていゆうげんくかん大域誤差たいいきごさO(h4) になる。この意味いみで「4 」であり、漸近的ぜんきんてき収束域しゅうそくいきでは h半分はんぶんにすると大域誤差たいいきごさやく 1/16 になる。

4陰的方法いんてきほうほう発想はっそう

Backward Euler ほう

yn+1=yn+hf(tn+1,yn+1)

である。右辺うへん未知みちyn+1ふくまれるため、各段階かくだんかい方程式ほうていしき必要ひつようがある。そのわり、y=ay,a<0 のような減衰問題げんすいもんだい安定性あんていせいつよい。

この方法ほうほう選択せんたくする理由りゆうは、あたらしい時刻じこくかたむきをもちいることで、減衰げんすいするかいきを数値的すうちてき尊重そんちょうしやすくなるためである。代償だいしょうとして、各段階かくだんかい代数方程式だいすうほうていしきかい存在そんざいするか、一意いちいかを確認かくにんし、非線型ひせんけいなら近似値きんじち反復更新はんぷくこうしんする必要ひつようがある。Newton ほうは、そのために導関数どうかんすう局所線型化きょくしょせんけいかする代表的だいひょうてき反復法はんぷくほうである。ただし、一意性いちいせいだけから Newton 反復はんぷく収束しゅうそくしたがわない。尺度化しゃくどかした残差ざんさ更新量こうしんりょう反復上限はんぷくじょうげん問題もんだいおうじて監視かんしする。

5具体例ぐたいれい

y=-10y,y(0)=1たいして Forward Euler ほうyn+1=(1-10h)yn である。h=0.3 では倍率ばいりつ-2 となり不安定ふあんていである。一方いっぽう、Backward Euler ほう

yn+1=yn-10hyn+1

より

yn+1=11+10hyn

となり、任意にんいh>0減衰げんすいする。

このれいでは、厳密解げんみつかい e-10t単調減衰たんちょうげんすいする。Forward Euler ほうh=0.3採用さいようすると、倍率ばいりつ-2 となるため、符号ふごう反転はんてんしながら絶対値ぜったいち増加ぞうかする。これは微分方程式びぶんほうていしき性質せいしつではなく、数値法すうちほう生成せいせいした人工的挙動じんこうてききょどうである。

6選択基準せんたくきじゅん

複素数ふくそすう λC をもつ試験方程式しけんほうていしき y=λy数値法すうちほう適用てきようしたときの一歩いっぽ増幅率ぞうふくりつ倍率ばいりつamplification factorR(z)z=hλく。Rezz実部じつぶである。A 安定性あんていせいA-stabilityとは、左半平面ひだりはんへいめん Rez<0全域ぜんいき|R(z)|[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]1 となる性質せいしつである。A 安定あんていであり、さらに左半平面内ひだりはんへいめんない|z| のとき R(z)0 となるつよ減衰性げんすいせいL 安定性あんていせいL-stabilityぶ。Backward Euler ほうはその両方りょうほうたす。

状況じょうきょう候補こうほ理由りゆう
なめらかで非剛性ひごうせい問題もんだい4 Runge-Kutta ほうすくない実装負担じっそうふたん高次精度こうじせいどやすい
急速減衰きゅうそくげんすいおそ成分せいぶん混在こんざいするかた問題もんだいA 安定性あんていせいや L 安定性あんていせいをもつ陰的方法いんてきほうほう実軸方向じくほうこう減衰成分げんすいせいぶん安定あんていあつかいやすい
精度検証せいどけんしょう必要ひつよう計算けいさんきざはば半減比較はんげんひかく漸近収束域ぜんきんしゅうそくいきでの誤差減少ごさげんしょう経験的けいけんてき確認かくにんする

7適用範囲てきようはんい限界げんかい

Runge-Kutta ほう精度せいど改善かいぜんする標準手段ひょうじゅんしゅだんであるが、かた問題もんだいではきざはば極端きょくたんちいさく要求ようきゅうすることがある。すべての陰的方法いんてきほうほう無条件むじょうけん安定あんていなのではなく、安定領域あんていりょういき方法ほうほうごとに確認かくにんする。きざ半減比較はんげんひかく単独たんどく厳密誤差保証げんみつごさほしょうではない。

8演習えんしゅうリンク

data/exercise/math/differential-equations/numerical-ode-methods.exercise.n.md

9まえ講義こうぎ

data/lecture/math/differential-equations/direction-fields-euler-method-error-and-stability.lecture.n.md

10つぎ講義こうぎ

data/lecture/math/differential-equations/analytic-numerical-and-qualitative-ode-methods.lecture.n.md

Beyond Euler's Method: An Introduction to Runge--Kutta and Implicit Methods

1Introduction

This lecture separates the limitations of Euler's method into accuracy and stability and explains how Runge--Kutta methods and implicit methods address these respective limitations.

2Problem Under Consideration

Consider the initial-value problem

y=f(t,y),y(t0)=y0.

Euler's method is yn+1=yn+hf(tn,yn). Because it uses local information only once per step, its accuracy is low. A {stiff problem} is a problem for which accuracy alone would permit a relatively large step size, but the stability of an explicit method requires a very small step size.

It is essential to distinguish accuracy from stability. Accuracy quantifies proximity to the exact solution. Stability determines whether a numerical computation avoids artificially amplifying components that should decay. Even a high-order method fails if its step size violates the applicable stability condition.

3Principle of Runge--Kutta Methods

Runge--Kutta methods evaluate several slopes within a step and combine them to construct the next approximation. The classical fourth-order Runge--Kutta method is

\begin{aligned} k_1&=f(t_n,y_n),\\ k_2&=f(t_n+h/2,y_n+hk_1/2),\\ k_3&=f(t_n+h/2,y_n+hk_2/2),\\ k_4&=f(t_n+h,y_n+hk_3),\\ y_{n+1}&=y_n+\frac{h}{6}(k_1+2k_2+2k_3+k_4). \end{aligned}

Here, the difference between the exact solution after one step and the result of applying one numerical step from the exact starting value is called the {one-step defect}. If the right-hand side is sufficiently smooth in a neighborhood of the solution and the numerical solution remains in that region, the one-step defect is O(h5). The resulting local Lipschitz continuity with respect to y controls error propagation, and the global error on a fixed finite interval is O(h4). This is the meaning of “fourth order.” Within the asymptotic convergence regime, halving h therefore reduces the global error by approximately a factor of 1/16.

4Principle of Implicit Methods

Backward Euler is defined by

yn+1=yn+hf(tn+1,yn+1).

Because the unknown yn+1 occurs on the right-hand side, an equation must be solved at every step. In return, the method has strong stability properties for decay problems such as y=ay with a<0.

The use of the slope at the new time level enables the numerical method to respect the direction of a decaying solution more reliably. The associated cost is the need to establish existence and uniqueness of a solution to the algebraic equation at each step and, in the nonlinear case, to update an approximation iteratively. Newton's method is a standard iteration that uses a derivative to form a local linearization. Uniqueness of the root alone, however, does not imply convergence of Newton iteration. A practical computation must monitor a scaled residual, the update magnitude, and an iteration limit selected for the problem.

5Example

For y=-10y,y(0)=1, Forward Euler gives yn+1=(1-10h)yn. With h=0.3, its amplification factor is -2, so the method is unstable. Backward Euler instead gives

yn+1=yn-10hyn+1,

and hence

yn+1=11+10hyn.

The numerical solution therefore decays for every h>0.

In this example, the exact solution e-10t decreases monotonically. When Forward Euler uses h=0.3, multiplication by -2 reverses the sign and increases the magnitude at every step. This behavior is an artifact of the numerical method, not a property of the differential equation.

6Selection Criteria

Apply a numerical method to the test equation y=λy with λC. Denote its one-step {amplification factor} by R(z), where z=hλ, and let Rez denote the real part of z. A method is {A-stable} if |R(z)|[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]1 throughout the left half-plane Rez<0. An A-stable method is {L-stable} if it additionally satisfies R(z)0 as |z| within the left half-plane. Backward Euler has both properties.

SituationCandidateRationale
Smooth, nonstiff problemClassical fourth-order Runge--Kutta methodProvides high-order accuracy with modest implementation complexity
Stiff problem containing both rapidly decaying and slow componentsAn implicit method with A-stability or L-stabilityHandles decay modes along the negative real axis stably
Computation requiring an empirical accuracy checkComparison after halving the step sizeAssesses error reduction within the asymptotic convergence regime

7Scope and Limitations

Runge--Kutta methods are standard instruments for improving accuracy, but a stiff problem may require an extremely small step size when an explicit Runge--Kutta method is used. Not every implicit method is unconditionally stable; the stability region must be examined for each method. A step-halving comparison by itself is not a rigorous bound on the exact error.

8Exercises

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9Previous Lecture

data/lecture/math/differential-equations/direction-fields-euler-method-error-and-stability.lecture.n.md

10Next Lecture

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