初期値問題の存在・一意性と最大存在区間
mathdifferential-equationsexistence-uniquenesslecture
1導入
この講義では、初期値問題で「解が存在すること」と「解が 1 本に決定されること」を分離して理解する。
2対象とする初期値問題
標準形は
y'=f(x,y),\qquad y(x_0)=y_0
である。ここで問題にするのは、解の公式ではなく、初期点 (x_0,y_0) の近傍で解が存在するか、さらに一意に決定されるかである。
3存在と一意性を区別する理由
解析解が得られなくても、解の存在や一意性は判定できる。存在には右辺 f の連続性が基本になる。一方、y 方向への局所 Lipschitz 性は一意性を導く標準的な十分条件である。Lipschitz 性は必要条件ではない。
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4局所存在・一意性定理
4.1Peano の存在定理
D\subset\mathbb{R}^2 を開領域とし、(x_0,y_0)\in D とする。f:D\to\mathbb{R} が連続なら、ある h>0 が存在し、初期値問題
y'=f(x,y),\qquad y(x_0)=y_0
は |x-x_0|<h で少なくとも 1 つの解をもつ。この定理は一意性を主張しない。
4.2Picard--Lindelof の定理
D\subset\mathbb{R}^2 を開領域とし、(x_0,y_0)\in D とする。f:D\to\mathbb{R} が連続で、y に関して局所 Lipschitz なら、ある h>0 が存在し、上の初期値問題は |x-x_0|<h で一意解をもつ。ここで一意とは、同じ初期条件を満たす 2 解が共通定義区間で一致することを意味する。
この関係は、次の二段構成で整理できる。
\text{$f$ が連続} \Longrightarrow \text{局所解の存在}
\text{$f$ が連続かつ $y$ について局所 Lipschitz} \Longrightarrow \text{局所一意解の存在}
\frac{\partial f}{\partial y}\text{ が連続} \Longrightarrow \text{$y$ について局所 Lipschitz}
5Lipschitz 条件が一意性に作用する理由
直前のページでは、同一初期値を持つ 2 解の差を Lipschitz 定数で抑え、Gronwall 不等式へ接続した。このページでは、その機構を Picard-Lindelof の仮定と結論として使用する。
6判定表
| 状況 | 結論 | 注意 |
| f が連続 | 局所解の存在 | 一意性までは保証しない |
| f が連続かつ y について局所 Lipschitz | 局所一意解の存在 | 最大存在区間は別途確認する |
| \partial f/\partial y が連続 | Lipschitz 条件を確認しやすい | 十分条件であり、必要条件ではない |
| Lipschitz 条件が不成立 | 定理の仮定が使えない | 非一意が必ず発生するわけではない |
7最大存在区間と延長
f が開領域 D で連続かつ y に関して局所 Lipschitz であるとする。Picard--Lindelof の定理による局所一意解を一致する部分で重ね合わせると、初期時刻を含む 1 つの最大開区間 (\alpha,\beta) まで一意に延長できる。これを最大存在区間という。
実平面では、閉かつ有界な部分集合をコンパクト集合という。
有限端点、たとえば \beta<\infty で延長が停止するなら、x\to\beta^- で解のグラフ (x,y(x)) は D のどのコンパクト部分集合にも留まり続けられない。もし終端近傍でコンパクト集合 K\subset D に留まるなら、f は K 上で有界なので |y'|\le M となる。したがって y(x) は x\to\beta^- で Cauchy となり、有限極限 y_\beta を持つ。K は閉じているため (\beta,y_\beta)\in K\subset D であり、この点で局所存在・一意性定理を再適用すれば \beta を越えて延長でき、最大性に反する。D=\mathbb{R}^2 なら、有限端点で停止するためには |y(x)| が有界でなくなる。局所一意性だけから \alpha=-\infty,\ \beta=\infty を結論してはならない。
一方、f が全平面で連続かつ y に関して x に一様な大域 Lipschitz 条件
|f(x,y_1)-f(x,y_2)|\le L|y_1-y_2|
を満たすとする。任意の T>0 に対し、初期時刻を中心とする有限時間区間 |x-x_0|\le T では、連続性により |f(x,0)|\le M_T となる。したがって
|f(x,y)|\le M_T+L|y|
である。x\ge x_0 とし、A=|y_0|+M_TT とおくと、積分形から u(x)=|y(x)|\le A+L\int_{x_0}^x u(t)\,dt である。z(x)=A+L\int_{x_0}^x u(t)\,dt とおけば z'\le Lz かつ z(x_0)=A なので、e^{-Lx}z(x) の単調性から u(x)\le Ae^{L(x-x_0)} を得る。x\le x_0 でも積分区間を反転して同様である。したがって有限時間区間で |y(x)| は有限に保たれ、有限時間爆発は発生しない。延長不能条件から最大存在区間は \mathbb{R} である。
8具体例
8.1一意に存在する例
y'=y,\qquad y(0)=1
では f(x,y)=y であり、\partial f/\partial y=1 は連続である。したがって局所的に一意解が存在する。実際、解は y=e^x である。
8.2一意性が破綻する例
y'=\sqrt{|y|},\qquad y(0)=0
では f(y)=\sqrt{|y|} は連続であるため、Peano の定理により局所解の存在は保証される。しかし y=0 の近傍で Lipschitz 条件が成立しない。実際、y(x)=0 は解であり、任意の a\ge 0 に対して
y(x)=
\begin{cases}
0 & x\le a,\\
\dfrac{(x-a)^2}{4} & x\ge a
\end{cases}y(x)=
\begin{cases}
0 & x\le a,\\
\dfrac{(x-a)^2}{4} & x\ge a
\end{cases}
も解になる。同一の初期条件から複数の解が出現するため、一意性は成立しない。
8.3最大存在区間が有限で終わる例
y'=y^2,\qquad y(0)=1
では分離により
y=\frac{1}{1-x}
を得る。この解は x=1 で発散するため、初期時刻 0 を含む最大存在区間は (-\infty,1) である。右辺は全平面で滑らかでも、局所 Lipschitz 性だけでは有限時間爆発を防げない。
9適用上の注意
- \partial f/\partial y の連続性を必要条件として扱ってはならない。
- 解が存在することと、初等関数で表現できることを混同してはならない。
- 局所解の存在と大域解の存在を混同してはならない。
10適用範囲
ここで扱った定理は一階初期値問題の局所理論である。境界値問題や偏微分方程式では、別の条件と理論が必要になる。
11次の講義
data/lecture/math/differential-equations/singular-solutions-and-envelopes.lecture.n.md
12演習リンク
data/exercise/math/differential-equations/existence-uniqueness-and-numerical-methods.exercise.n.md
Existence, Uniqueness, and the Maximal Interval for an Initial Value Problem
1Introduction
This lecture distinguishes the existence of a solution to an initial value problem from the uniqueness of that solution.
2Initial Value Problem under Consideration
The standard form is
y'=f(x,y),\qquad y(x_0)=y_0.
The principal questions are not whether an explicit formula is available, but whether a solution exists near the initial point (x_0,y_0) and whether that solution is uniquely determined.
3Why Existence and Uniqueness Must Be Distinguished
Existence and uniqueness can often be decided even when no analytic formula is available. Continuity of the right-hand side f is the basic hypothesis for existence. Local Lipschitz continuity in the y-variable is a standard sufficient condition for uniqueness, but it is not necessary.
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4Local Existence and Uniqueness Theorems
4.1Peano Existence Theorem
Let D\subset\mathbb{R}^2 be open and let (x_0,y_0)\in D. If f:D\to\mathbb{R} is continuous, then there exists h>0 such that the initial value problem
y'=f(x,y),\qquad y(x_0)=y_0
has at least one solution on |x-x_0|<h. This theorem does not assert uniqueness.
4.2Picard--Lindelof Theorem
Let D\subset\mathbb{R}^2 be open and let (x_0,y_0)\in D. If f:D\to\mathbb{R} is continuous and locally Lipschitz in y, then there exists h>0 such that the initial value problem has a unique solution on |x-x_0|<h. Uniqueness means that any two solutions with the same initial condition coincide wherever both are defined.
The two levels of conclusion can be summarized as
\text{$f$ continuous} \Longrightarrow \text{local existence},
\text{$f$ continuous and locally Lipschitz in $y$}
\Longrightarrow \text{local existence and uniqueness},
and the useful sufficient test
\frac{\partial f}{\partial y}\text{ continuous}
\Longrightarrow \text{$f$ locally Lipschitz in $y$}.
5Why the Lipschitz Condition Produces Uniqueness
The preceding lecture bounded the difference between two solutions with the same initial value by a Lipschitz constant and then applied the zero-initial-value form of Gronwall's inequality. Here that mechanism is used through the hypotheses and conclusion of the Picard--Lindelof theorem.
6Decision Table
| Situation | Conclusion | Qualification |
| f is continuous | A local solution exists | Uniqueness is not guaranteed |
| f is continuous and locally Lipschitz in y | A unique local solution exists | Its maximal interval must be determined separately |
| \partial f/\partial y is continuous | The Lipschitz condition is easy to verify locally | This is sufficient, not necessary |
| The Lipschitz condition fails | This theorem is not applicable | Nonuniqueness does not necessarily follow |
7Maximal Interval of Existence and Continuation
Assume that f is continuous on an open region D and locally Lipschitz in y. Local unique solutions furnished by the Picard--Lindelof theorem agree on overlaps and therefore combine into a unique solution on a maximal open interval (\alpha,\beta) containing the initial time. This interval is the maximal interval of existence.
In the plane, a closed and bounded subset is called a compact set.
If continuation stops at a finite endpoint, for example if \beta<\infty, then as x\to\beta^- the graph (x,y(x)) cannot remain in any compact subset of D. If it eventually remained in a compact set K\subset D, continuity would bound f on K, so |y'|\le M. Hence y(x) would be Cauchy as x\to\beta^- and would have a finite limit y_\beta. Since K is closed, (\beta,y_\beta)\in K\subset D. Reapplying the local theorem at this point would continue the solution beyond \beta, contradicting maximality. In particular, when D=\mathbb{R}^2, termination at a finite endpoint requires |y(x)| to become unbounded. Local uniqueness alone does not imply \alpha=-\infty and \beta=\infty.
Now suppose that f is continuous on all of \mathbb{R}^2 and satisfies a global Lipschitz condition in y, uniform in x:
|f(x,y_1)-f(x,y_2)|\le L|y_1-y_2|.
For any T>0, continuity gives a bound |f(x,0)|\le M_T on the finite interval |x-x_0|\le T. Hence
|f(x,y)|\le M_T+L|y|.
For x\ge x_0, set A=|y_0|+M_TT. The integral equation gives u(x)=|y(x)|\le A+L\int_{x_0}^x u(t)\,dt. Defining z(x)=A+L\int_{x_0}^x u(t)\,dt gives z'\le Lz and z(x_0)=A, so monotonicity of e^{-Lx}z(x) yields u(x)\le Ae^{L(x-x_0)}. Reversing the integration interval gives the analogous estimate for x\le x_0. Thus |y(x)| remains finite on every finite time interval. Finite-time blow-up is impossible, and the continuation criterion implies that the maximal interval of existence is all of \mathbb{R}.
8Examples
8.1An Initial Value Problem with a Unique Solution
For
y'=y,\qquad y(0)=1,
we have f(x,y)=y and \partial f/\partial y=1, which is continuous. A unique local solution therefore exists. In fact, the solution is y=e^x.
8.2Failure of Uniqueness
For
y'=\sqrt{|y|},\qquad y(0)=0,
the function f(y)=\sqrt{|y|} is continuous, so the Peano theorem guarantees a local solution. It is not Lipschitz near y=0. The function y(x)=0 is a solution, and for every a\ge0,
y(x)=
\begin{cases}
0 & x\le a,\\
\dfrac{(x-a)^2}{4} & x\ge a
\end{cases}y(x)=
\begin{cases}
0 & x\le a,\\
\dfrac{(x-a)^2}{4} & x\ge a
\end{cases}
is also a solution. Thus the same initial condition produces multiple solutions, and uniqueness fails.
8.3A Finite Maximal Interval of Existence
For
y'=y^2,\qquad y(0)=1,
separation of variables gives
y=\frac{1}{1-x}.
The solution diverges at x=1, so the maximal interval containing the initial time 0 is (-\infty,1). Although the right-hand side is smooth on the entire plane, local Lipschitz continuity alone does not prevent finite-time blow-up.
9Cautions in Applying the Theorems
- Continuity of \partial f/\partial y must not be treated as a necessary condition for uniqueness.
- Existence of a solution must not be confused with representability by elementary functions.
- Local existence must not be confused with global existence.
10Scope
The theorems treated here constitute a local theory for first-order initial value problems. Boundary value problems and partial differential equations require different hypotheses and theories.
11Next Lecture
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12Exercises
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