完全微分方程式
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1導入
この講義では、
M(x,y)\,dx+N(x,y)\,dy=0
を、ある関数 F(x,y) の全微分
dF=F_x\,dx+F_y\,dy
として復元する方法を説明する。
変数分離では x 側と y 側に分けた。一階線型では積分因子によって積の導関数へ変換した。完全微分方程式では、左辺全体を 1 個の関数 F(x,y) の全微分として表現する。
2標準形
完全微分方程式とは、
M(x,y)\,dx+N(x,y)\,dy=0
において、ある関数 F(x,y) が存在して
F_x=M,\qquad F_y=N
を満たす場合の方程式である。この F をポテンシャル関数 (potential function) と呼ぶ。
3命題1:完全なら解は F(x,y)=C
仮定として、Mdx+Ndy=dF と書けるとする。このとき
M(x,y)\,dx+N(x,y)\,dy=0
の解は
F(x,y)=C
で与えられる。
3.1証明
Mdx+Ndy=dF だから、方程式は
dF=0
である。曲線 y=y(x) に沿って F(x,y(x)) を考えると、合成関数の微分より
\frac{d}{dx}F(x,y(x))=F_x+F_y y'
である。一方、
dF=F_xdx+F_ydy
なので、dy=y'dx を代入すると
dF=(F_x+F_y y')dx
である。dF=0 は
\frac{d}{dx}F(x,y(x))=0
を意味する。したがって F(x,y(x)) は一定であり、
F(x,y)=C
である。
逆に、F(x,y)=C を微分すれば dF=0 となるので、Mdx+Ndy=0 を満たす。
4完全性条件
M,N が連続に偏微分可能で、F_x=M,\ F_y=N なら、F の混合偏微分は連続であり、
F_{xy}=F_{yx}
より
M_y=N_x
が成立する。したがって M_y=N_x は完全であるための必要条件である。
M,N が連続に偏微分可能で、対象領域が単連結なら、
M_y=N_x
は完全性の必要十分条件になる。単連結領域とは、領域内の任意の閉曲線を、領域の外へ出ずに 1 点へ連続的に縮められる領域である。長方形や円板はその例である。
5命題2:完全性条件の必要性
仮定として、M,N が連続に偏微分可能であり、M=F_x,\ N=F_y と書けるとする。このとき
M_y=N_x
である。
5.1証明
M=F_x だから、M を y で偏微分すると
M_y=F_{xy}
である。また N=F_y だから、N を x で偏微分すると
N_x=F_{yx}
である。F の混合偏微分が連続なら F_{xy}=F_{yx} である。したがって
M_y=N_x
を得る。
この命題は、完全性条件がポテンシャル関数の混合偏微分の交換可能性に由来することを示す。
6ポテンシャル関数の構成
完全性が確認できたら、F_x=M から F を復元する。
- F_x=M を x で積分する。
- x で積分したとき、y だけの任意関数 h(y) を足す。
- F_y=N と比較して h(y) を決める。
h(y) を足す理由は、x で偏微分すると h(y) は消えるからである。
7例1:完全な場合
(2xy+1)\,dx+x^2\,dy=0
を考える。ここで
M=2xy+1,\qquad N=x^2
である。
完全性を確認する。
M_y=2x,\qquad N_x=2x
だから M_y=N_x である。
つぎに F_x=M より、
F_x=2xy+1
を x で積分して
F=x^2y+x+h(y)
を得る。y で偏微分すると
F_y=x^2+h'(y)
である。これが N=x^2 と一致するため、
h'(y)=0
である。したがって h(y) は定数であり、解は
x^2y+x=C
である。
8積分因子が必要な場合
Mdx+Ndy=0
が完全でない場合でも、対象領域で至る所 0 でない関数 \mu(x,y) を掛けると
\mu M\,dx+\mu N\,dy=0
が完全になる場合がある。この \mu も積分因子と呼ぶ。\mu が至る所 0 でないため、乗算前と乗算後の方程式は同じ解曲線を表す。
ここで注意する。一階線型の積分因子は、左辺を
(\mu y)'
という積の微分にする因子であった。一方、完全微分方程式の積分因子は、Mdx+Ndy を
dF
という全微分にする因子である。両者は、積分可能な微分へ変換するという共通の機能をもつ。
9一階線型との接続
一階線型方程式
y'+p(x)y=q(x)
を
(p(x)y-q(x))\,dx+dy=0
と書く。このとき
M=p(x)y-q(x),\qquad N=1
である。一般には
M_y=p(x),\qquad N_x=0
なので完全ではない。しかし、一階線型の積分因子
\mu(x)=e^{\int p(x)\,dx}
を掛けると、
\mu(p(x)y-q(x))\,dx+\mu\,dy=0
となる。この新しい微分形式では
(\mu(p y-q))_y=\mu p,\qquad (\mu)_x=\mu'=\mu p
だから完全である。
したがって、一階線型の積分因子は、完全微分方程式の枠組みでは、微分形式を完全化する因子でもある。
data/lecture/math/differential-equations/first-order-linear-odes-and-integrating-factors.lecture.n.md
10適用範囲
完全性条件 M_y=N_x の十分性は、対象領域に依存する。単連結でない領域では、この等式が成立しても大域的なポテンシャル関数が存在しない場合がある。
この発展的な注意は、線積分や保存場で再登場する。
data/lecture/math/vector-calculus/line-integrals-and-conservative-fields.lecture.n.md
次の講義では、右辺が比 y/x のみに依存する同次形を扱い、v=y/x の置換によって変数分離形へ帰着する方法を説明する。
data/lecture/math/differential-equations/homogeneous-first-order-odes-and-substitution.lecture.n.md
11演習リンク
data/exercise/math/differential-equations/classifying-and-solving-first-order-odes.exercise.n.md
Exact Differential Equations
1Introduction
This lecture explains how to reconstruct the differential form
M(x,y)\,dx+N(x,y)\,dy
as the total differential of a function F(x,y):
dF=F_x\,dx+F_y\,dy.
Separation of variables divides an equation into an x-dependent side and a y-dependent side. The integrating-factor method for first-order linear equations converts the left-hand side into the derivative of a product. Exact differential equations instead represent the entire left-hand side as the total differential of one function F(x,y).
2Standard Form
An exact differential equation is an equation
M(x,y)\,dx+N(x,y)\,dy=0
for which there exists a function F(x,y) satisfying
F_x=M,\qquad F_y=N.
The function F is called a potential function.
3Proposition 1: Solutions of an Exact Equation Have the Form F(x,y)=C
Suppose that M\,dx+N\,dy=dF. Then the solutions of
M(x,y)\,dx+N(x,y)\,dy=0
are represented implicitly by
F(x,y)=C.
3.1Proof
Since M\,dx+N\,dy=dF, the equation is dF=0. Along a differentiable curve y=y(x), the chain rule gives
\frac{d}{dx}F(x,y(x))=F_x+F_y y'.
Substitution of dy=y'\,dx into
dF=F_x\,dx+F_y\,dy
gives
dF=(F_x+F_y y')\,dx.
Thus dF=0 implies
\frac{d}{dx}F(x,y(x))=0.
Consequently, F is constant along each solution curve, so F(x,y)=C. Conversely, differentiation of F(x,y)=C gives dF=0 and therefore recovers the original equation.
4Exactness Condition
If M and N are continuously differentiable and F_x=M and F_y=N, then the mixed partial derivatives of F are continuous, so
F_{xy}=F_{yx}.
Therefore,
M_y=N_x
is necessary for exactness.
If M and N are continuously differentiable and the domain is simply connected, then
M_y=N_x
is also sufficient for exactness. A simply connected domain is a domain in which every closed curve can be continuously contracted to a point without leaving the domain. Rectangles and disks are standard examples.
5Proposition 2: Necessity of the Exactness Condition
Suppose that M and N are continuously differentiable and that M=F_x and N=F_y. Then
M_y=N_x.
5.1Proof
Since M=F_x,
M_y=F_{xy}.
Since N=F_y,
N_x=F_{yx}.
Continuity of the mixed partial derivatives gives F_{xy}=F_{yx}, and hence
M_y=N_x.
Thus the exactness condition follows from the interchangeability of the mixed partial derivatives of the potential function.
6Constructing the Potential Function
Once exactness has been established, reconstruct F from F_x=M:
- Integrate F_x=M with respect to x.
- Add an arbitrary function h(y), because integration with respect to x leaves the y-dependent part undetermined.
- Compare F_y with N to determine h(y).
The term h(y) is necessary because its partial derivative with respect to x is zero.
7Example 1: An Exact Equation
Consider
(2xy+1)\,dx+x^2\,dy=0.
Here,
M=2xy+1,\qquad N=x^2.
The exactness condition holds because
M_y=2x,\qquad N_x=2x.
To reconstruct the potential, integrate
F_x=2xy+1
with respect to x:
F=x^2y+x+h(y).
Differentiation with respect to y gives
F_y=x^2+h'(y).
Comparison with N=x^2 yields
h'(y)=0.
Thus h is constant, and the solution is
x^2y+x=C.
8When an Integrating Factor Is Required
Even when
M\,dx+N\,dy=0
is not exact, multiplication by a function \mu(x,y) that is nonzero everywhere on the domain may produce the exact equation
\mu M\,dx+\mu N\,dy=0.
Such a function \mu is also called an integrating factor. Because \mu is nonzero everywhere, the equations before and after multiplication represent the same solution curves.
For a first-order linear equation, an integrating factor converts the left-hand side into the product derivative
(\mu y)'.
For a differential form, an integrating factor converts M\,dx+N\,dy into a total differential
dF.
Both uses transform an equation into a directly integrable differential.
9Connection with First-Order Linear Equations
Rewrite
y'+p(x)y=q(x)
as
(p(x)y-q(x))\,dx+dy=0.
Then
M=p(x)y-q(x),\qquad N=1.
In general,
M_y=p(x),\qquad N_x=0,
so the form is not exact. Multiplication by the linear integrating factor
\mu(x)=e^{\int p(x)\,dx}
gives
\mu(p(x)y-q(x))\,dx+\mu\,dy=0.
For the transformed form,
(\mu(p y-q))_y=\mu p,\qquad (\mu)_x=\mu'=\mu p,
so it is exact. Hence the integrating factor for a first-order linear equation is also an exactness-producing factor in the framework of differential forms.
data/lecture/math/differential-equations/first-order-linear-odes-and-integrating-factors.lecture.n.md
10Scope
The sufficiency of M_y=N_x depends on the domain. On a domain that is not simply connected, this equality may hold even though no global potential function exists.
This topological qualification reappears in the study of line integrals and conservative vector fields.
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The next lecture treats equations whose right-hand side depends only on the ratio y/x and explains how the substitution v=y/x reduces them to separable equations.
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11Exercises
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