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一階微分方程式の分類と最初の判定md 64c5980
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一階微分方程式いっかいびぶんほうていしき分類ぶんるい最初さいしょ判定はんてい

1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、一階微分方程式いっかいびぶんほうていしき形式けいしき分析ぶんせきし、適用可能てきようかのう解法かいほうとその選択理由せんたくりゆう判定はんていする方法ほうほう説明せつめいする。

一階微分方程式いっかいびぶんほうていしきfirst-order differential equationとは、最高階さいこうかい導関数どうかんすうy である微分方程式びぶんほうていしきである。一般いっぱんには

F(x,y,y)=0

かたちける。

ただし、この一般形いっぱんけいをそのまま万能公式ばんのうこうしきはない。初学者しょがくしゃがまずまなぶべきことは、頻出ひんしゅつするかた見分みわけ、そのかたける理由りゆう説明せつめいできるようにすることである。

2最初さいしょ確認かくにんする 3 てん

一階微分方程式いっかいびぶんほうていしきあたえられたら、計算けいさんまえつぎ確認かくにんする。

  1. 右辺うへんx だけの関数かんすうか。
  2. x がわy がわせきけられるか。
  3. yy が 1 あらわれるか。

この 3 てんくわえて、かたにかかわらず因子いんしるときは「その因子いんしが 0 になるかいてていないか」も確認かくにんする。その因子いんしが 0 になるえださき代入検算だいにゅうけんざんし、そのあとで 0 でないえだ計算けいさんする。包絡線ほうらくせんとしての特異解とくいかい非一意枝ひいちえだ区別くべつは、存在一意性そんざいいちいせいまなんだあと発展事項はってんじこうである。

この順序じゅんじょ理由りゆうは、単純たんじゅんかたほどすくない変形へんけい判定はんていできるからである。複雑ふくざつ置換ちかんさきためすと、本来ほんらい直接積分ちょくせつせきぶん変数分離へんすうぶんりける問題もんだい見失みうしないやすい。

3判定表はんていひょう

方程式ほうていしき形式けいしきかた選択理由せんたくりゆう
y=f(x)直接積分ちょくせつせきぶん導関数どうかんすうx だけでまる
y=f(x)g(y)変数分離形へんすうぶんりけいx がわy がわ分離ぶんりできる
y=F(y)自律方程式じりつほうていしきyあたいだけで増減ぞうげんまる
y+p(x)y=q(x)一階線型いっかいせんけい積分因子せきぶんいんしせき微分びぶんなおせる
M(x,y)dx+N(x,y)dy=0完全微分形かんぜんびぶんけい候補こうほある関数かんすう F(x,y)全微分ぜんびぶんかを調しらべる
y+p(x)y=q(x)ynBernoulli がたu=y1-n一階線型いっかいせんけい帰着きちゃくできる場合ばあいがある

このひょう結論けつろんだけを暗記あんきするためのものではない。重要じゅうようなのは、方程式ほうていしき形式けいしき適用てきようする解法かいほうとの対応理由たいおうりゆう理解りかいすることである。

4命題めいだい1:y=f(x)直接積分ちょくせつせきぶん帰着きちゃくする

方程式ほうていしき

y=f(x)

であり、f区間くかん I連続れんぞくであるとする。このとき、f原始関数げんしかんすうF とすれば、

y=F(x)+C

かいである。

4.1証明しょうめい

Ff原始関数げんしかんすうなので、定義ていぎより F=f である。y=F(x)+C とおくと、定数ていすう C導関数どうかんすうは 0 だから

y=F(x)=f(x)

である。したがって y=F(x)+C方程式ほうていしきたす。

このかたでは、微分方程式びぶんほうていしき微積分びせきぶんの「原始関数げんしかんすうもとめる問題もんだい」そのものである。

5命題めいだい2:y=f(x)g(y)変数分離へんすうぶんり帰着きちゃくする

区間くかん I と、y値域ちいきふく区間くかん Jかんがえる。fI連続れんぞくgJ連続れんぞくかつ 0 でないとする。このとき、C1 きゅう関数かんすう y:IJ

dydx=f(x)g(y)

たすことと、ある定数ていすう Cたいして

1g(y)dy=f(x)dx+C

という関係かんけいたすことは同値どうちである。

5.1証明しょうめい

G(y)=1/g(y)F(x)=f(x) となる原始関数げんしかんすう G,Fる。微分方程式びぶんほうていしきたす yたいして

ddx(G(y(x))-F(x))=1g(y)y-f(x)=0

である。したがって G(y(x))-F(x)I定数ていすうであり、

G(y(x))=F(x)+C

る。ぎゃくに、この関係式かんけいしきx微分びぶんすると、合成関数ごうせいかんすう微分公式びぶんこうしきより

1g(y)y=f(x)

である。g(y)0 より

y=f(x)g(y)

る。

ここで g(y)=0 となる定数解ていすうかいは、g(y)操作そうさまえべつ確認かくにんする必要ひつようがある。

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6命題めいだい3:y+p(x)y=q(x)せき微分びぶん帰着きちゃくする

仮定かていとして、方程式ほうていしき

y+p(x)y=q(x)

であるとする。もし区間くかん I で 0 にならない関数かんすう μ(x)

μ=μp(x)

たすなら、もと方程式ほうていしき区間くかん I

(μy)=μq(x)

同値どうちである。

6.1証明しょうめい

もと方程式ほうていしき両辺りょうへんμけると、

μy+μp(x)y=μq(x)

である。仮定かてい μ=μp(x) より、

μy+μy=μq(x)

となる。せき微分公式びぶんこうしきから

(μy)=μy+μy

なので、

(μy)=μq(x)

る。ぎゃくに、このしきせき微分公式びぶんこうしき展開てんかいし、0 でない μじょすればもと方程式ほうていしき回復かいふくする。したがって両者りょうしゃ同値どうちである。

この命題めいだい積分因子せきぶんいんし根拠こんきょである。μ突然とつぜんけるのではなく、せき微分びぶん逆向ぎゃくむきにつくるためにえらぶ。

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7完全微分形かんぜんびぶんけい判定基準はんていきじゅん

M(x,y)dx+N(x,y)dy=0

かたちでは、目標もくひょうxyけることではない。ある関数かんすう F(x,y) があって

dF=Fxdx+Fydy

表現ひょうげんできるかを判定はんていする。もし Fx=M,Fy=N なら、方程式ほうていしきdF=0 であり、かい

F(x,y)=C

あたえられる。

完全微分形かんぜんびぶんけいでは偏微分へんびぶん全微分ぜんびぶん使つかうため、詳細しょうさい専用せんようページであつかう。

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8誤用ごようしやすいれい

y=x+y

xyむすばれている。したがって

dyy=dxx

のように分離ぶんりしてはならない。一方いっぽう

y-y=x

表現ひょうげんできるので、これは一階線型いっかいせんけいである。外観がいかん単純たんじゅんさではなく、標準形ひょうじゅんけい変形可能へんけいかのうかによって判定はんていする。

9後続こうぞく学習順序がくしゅうじゅんじょ

このページでは分類ぶんるい根拠こんきょだけをしめした。つぎに、実際じっさい計算けいさん注意点ちゅういてん順番じゅんばんまなぶ。

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10演習えんしゅうリンク

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Classification and Initial Diagnosis of First-Order Differential Equations

1Introduction

This lecture explains how to analyze the form of a first-order differential equation and identify both an applicable solution method and the reason for selecting it.

A first-order differential equation is a differential equation whose highest derivative is y. It can generally be written as

F(x,y,y)=0.

There is no universal formula that solves this general form. The initial objective is therefore to recognize frequently occurring classes and explain why their structure permits a particular method.

2Three Initial Checks

Before calculating, check the following features of a first-order equation.

  1. Is the right-hand side a function of x alone?
  2. Can the dependence on x and y be separated into factors?
  3. Do y and y occur linearly?

Whenever division by a factor is contemplated, also determine whether setting that factor equal to zero yields a solution. First verify the zero-factor branch by substitution; only then analyze branches on which the factor is nonzero. Distinguishing envelope-type singular solutions from nonunique solution branches is a later topic that depends on existence and uniqueness theory.

This order is efficient because simpler classes can be identified with fewer transformations. Prematurely attempting a complicated substitution may obscure an equation that is solvable by direct integration or separation of variables.

3Classification Table

Equation formClassReason for selection
y=f(x)Direct integrationThe derivative is determined by x alone
y=f(x)g(y)Separable equationThe x- and y-dependence can be separated
y=F(y)Autonomous equationThe change depends only on the value of y
y+p(x)y=q(x)First-order linear equationAn integrating factor converts the left side into a product derivative
M(x,y)dx+N(x,y)dy=0Candidate exact equationTest whether the expression is the total differential of some F(x,y)
y+p(x)y=q(x)ynBernoulli equationThe substitution u=y1-n may reduce it to a first-order linear equation

The table is not intended for memorization in isolation. Its purpose is to explain the correspondence between equation structure and solution method.

4Proposition 1: y=f(x) Reduces to Direct Integration

Suppose that

y=f(x)

and that f is continuous on an interval I. If F is an antiderivative of f on I, then

y=F(x)+C

is a solution for every constant C.

4.1Proof

By definition, F=f. If y=F(x)+C, then the derivative of C is zero, so

y=F(x)=f(x).

Thus y=F(x)+C satisfies the equation. In this class, solving the differential equation is precisely the problem of determining antiderivatives.

5Proposition 2: y=f(x)g(y) Reduces to Separation of Variables

Let I be an interval, and let J be an interval containing the range of y. Suppose that f is continuous on I and that g is continuous and nonzero on J. A continuously differentiable function y:IJ satisfies

dydx=f(x)g(y)

if and only if, for some constant C, it satisfies

1g(y)dy=f(x)dx+C

on I.

5.1Proof

Choose antiderivatives G and F such that G(y)=1/g(y) and F(x)=f(x). If y satisfies the differential equation, then

ddx(G(y(x))-F(x))=1g(y)y-f(x)=0.

Hence G(y(x))-F(x) is constant on I, which gives the separated relation. Conversely, differentiating

G(y(x))=F(x)+C

and applying the chain rule gives

1g(y)y=f(x),

and the hypothesis g(y)0 yields

y=f(x)g(y).

Constant solutions arising from zeros of g(y) must be checked separately before dividing by g(y).

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6Proposition 3: y+p(x)y=q(x) Reduces to a Product Derivative

Suppose that

y+p(x)y=q(x)

on an interval I. If a function μ(x) is nonzero on I and satisfies

μ=μp(x),

then the original equation is equivalent on I to

(μy)=μq(x).

6.1Proof

Multiplying the original equation by μ gives

μy+μp(x)y=μq(x).

Since μ=μp(x),

μy+μy=μq(x).

The product rule gives

(μy)=μy+μy,

and hence

(μy)=μq(x).

Conversely, division by the nonzero function μ recovers the original equation, which proves equivalence. The integrating factor is chosen specifically to construct a product derivative.

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7Criterion for Exact Differential Form

For an equation of the form

M(x,y)dx+N(x,y)dy=0,

the objective is not to separate x and y. Instead, determine whether there is a function F(x,y) such that

dF=Fxdx+Fydy.

If Fx=M and Fy=N, then the equation is dF=0, and its solutions are represented implicitly by

F(x,y)=C.

Exact equations require partial derivatives and total differentials, so their detailed treatment is deferred to the dedicated lecture.

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8A Common Misclassification

The equation

y=x+y

contains x and y additively. It therefore cannot be separated as

dyy=dxx.

Instead, it can be written as

y-y=x,

so it is a first-order linear equation. Classification depends on reducibility to a standard form, not on superficial simplicity.

9Subsequent Learning Sequence

This page has established the reasons for the classification. The following lectures develop the calculations and qualifications for each method.

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10Exercise

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