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初期値問題しょきちもんだい境界値問題きょうかいちもんだい

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1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、微分方程式びぶんほうていしき条件じょうけんわせて解集合かいしゅうごう決定けっていする方法ほうほう説明せつめいする。微分方程式びぶんほうていしき積分せきぶんすると、ふつう任意定数にんいていすうふく関数族かんすうぞくられる。条件じょうけんは、その関数族かんすうぞく制約せいやくすが、条件じょうけん整合性せいごうせいによってはかい存在そんざいしない場合ばあい複数ふくすうかいのこ場合ばあいもある。

たとえば

y=2x

積分せきぶんすると、

y=x2+C

である。このままでは Cまらない。y(0)=1 という条件じょうけんくわわると C=1 になり、かいy=x2+1まる。

2初期値問題しょきちもんだい

初期値問題しょきちもんだいinitial value problemとは、ある基準点きじゅんてん未知関数みちかんすうやその導関数どうかんすうあたい指定していする問題もんだいである。たとえば

y=f(x,y),y(x0)=y0

一階いっかい初期値問題しょきちもんだいである。

二階にかいなら、たとえば

y'=F(x,y,y),y(x0)=y0,y(x0)=v0

のように、関数かんすうあたい速度そくどにあたる導関数どうかんすうあたい指定していすることがおおい。

時間発展じかんはってんあらわ問題もんだいでは、初期値しょきち現在げんざい状態じょうたい指定していし、そこから将来しょうらい状態じょうたい決定けっていする。ただし、独立変数どくりつへんすう時間じかんでない場合ばあいにも、おな数学的形式すうがくてきけいしきもちいる。

3境界値問題きょうかいちもんだい

境界値問題きょうかいちもんだいboundary value problemとは、区間くかん端点たんてん領域りょういき境界きょうかい条件じょうけん指定していする問題もんだいである。たとえば

y'=0,y(0)=0,y(1)=1

境界値問題きょうかいちもんだいである。

境界値問題きょうかいちもんだいかんがえる理由りゆうは、ぼう温度分布おんどぶんぷげんかたち定常状態ていじょうじょうたいのように、両端りょうたん境界きょうかい条件じょうけん全体ぜんたいかたち拘束こうそくする現象げんしょうがあるからである。

4命題めいだい1:条件じょうけん任意定数にんいていすう制約せいやくする

仮定かていとして、微分方程式びぶんほうていしき一般解いっぱんかいが 1 任意定数にんいていすう Cふく

y=ϕ(x,C)

あたえられているとする。条件じょうけん y(x0)=y0すと、許容きょようされる C

ϕ(x0,C)=y0

たすあたい制約せいやくされる。この方程式ほうていしき一意解いちいかいつときにかぎり、C一意いちい決定けっていされる。

4.1証明しょうめい

かいy=ϕ(x,C)けるという仮定かていから、基準点きじゅんてん x0 でのあたいϕ(x0,C) である。条件じょうけん y(x0)=y0たすには、

ϕ(x0,C)=y0

必要ひつようである。ぎゃくに、この方程式ほうていしきたす Cえらべば、

y(x0)=ϕ(x0,C)=y0

となる。したがって条件じょうけん任意定数にんいていすう制約せいやくする方程式ほうていしきとして機能きのうする。この方程式ほうていしきかいがなければ、提示ていじされた一般解族いっぱんかいぞくには条件じょうけんたす要素ようそがない。複数ふくすうかいがあれば、複数ふくすう候補こうほのこる。

この命題めいだいは、一般解族いっぱんかいぞく条件じょうけん操作そうさを、任意定数にんいていすうたいする方程式ほうていしき帰着きちゃくできることをしめす。

5れい1:一階いっかい初期値問題しょきちもんだい

y=-y,y(0)=1

かんがえる。まず方程式ほうていしきだけをくと、

y=Ce-x

である。ここで y(0)=1使つかうと、

1=Ce0=C

だから

y=e-x

である。

検算けんざんする。y=e-x なら y=-e-x=-y であり、また y(0)=1 である。したがって方程式ほうていしき条件じょうけん両方りょうほうたす。

6れい2:二階にかい境界値問題きょうかいちもんだい

y'=0,y(0)=0,y(1)=1

かんがえる。y'=0 を 1 かい積分せきぶんすると y=A、さらに積分せきぶんすると

y=Ax+B

である。境界条件きょうかいじょうけん y(0)=0 から B=0y(1)=1 から A=1 である。したがって

y=x

である。

初期値問題しょきちもんだいでも境界値問題きょうかいちもんだいでも、基本的きほんてき操作そうさおなじである。まず一般解いっぱんかいもとめ、条件じょうけん代入だいにゅうして任意定数にんいていすう制約せいやくする。

n 任意定数にんいていすうがある場合ばあいでも、n 条件じょうけんがあれば自動的じどうてきまるわけではない。一般いっぱんには、条件じょうけん代入だいにゅうによって任意定数にんいていすうかんする方程式系ほうていしきけいられ、その可解性かかいせい一意性いちいせい確認かくにんする必要ひつようがある。線型同次せんけいどうじ ODE の解空間かいくうかん線型独立せんけいどくりつかい基底解きていかいbasis solutionという。線型せんけい ODE の一般解いっぱんかい同次部分どうじぶぶん基底解きていかい線型結合せんけいけつごうあらわし、線型せんけい条件じょうけん場合ばあいには、この方程式系ほうていしきけい連立一次方程式れんりついちじほうていしきとなる。その係数行列けいすうぎょうれつ正則せいそくであれば、任意定数にんいていすう一意いちい決定けっていされる。

n 階線型同次かいせんけいどうじ ODE の基底解きていかいy1,,yn とする。同一どういつてん x0y,y,,y(n-1)あたい指定していする標準的ひょうじゅんてき初期条件しょきじょうけんでは、積分定数せきぶんていすうかんする係数行列けいすうぎょうれつ

(yj(i-1)(x0))i,j=1n

である。この行列式ぎょうれつしきx0 における Wronskian W(y1,,yn)(x0) という。Wronskian が 0 でなければ、この行列ぎょうれつ正則せいそくであり、積分定数せきぶんていすう一意いちい決定けっていされる。一方いっぽうことなる端点たんてん境界条件きょうかいじょうけん一般いっぱん線型条件せんけいじょうけんでは、別途べっと構成こうせいされる条件行列じょうけんぎょうれつ正則性せいそくせい判定はんていする必要ひつようがあり、その行列式ぎょうれつしき一般いっぱんには Wronskian ではない。

data/lecture/math/linear-operator/affine-spaces-and-condition-determination.lecture.n.md data/lecture/math/differential-equations/variation-of-parameters-and-wronskian.lecture.n.md

7初期値問題しょきちもんだい境界値問題きょうかいちもんだいちが

項目こうもく初期値問題しょきちもんだい境界値問題きょうかいちもんだい
条件じょうけん位置いち1 てんあたい導関数どうかんすう区間くかん端点たんてん境界きょうかい
典型的てんけいてき解釈かいしゃく指定していされた状態じょうたいから発展はってん決定けっていする境界きょうかいのデータによって分布ぶんぷ拘束こうそくする
代表例だいひょうれい人口増加じんこうぞうか冷却れいきゃく運動うんどう定常温度ていじょうおんどげん固有振動こゆうしんどう
注意点ちゅういてん存在そんざい一意性いちいせいには仮定かてい必要ひつようかいがない、または複数ふくすうある場合ばあいがある

ここで固有振動こゆうしんどうという言葉ことばてくるが、このページではくわしくあつかわない。境界条件きょうかいじょうけんたす特別とくべつ振動しんどうだけがゆるされる問題もんだいがあり、そのさき固有値こゆうち固有関数こゆうかんすうまなぶ。

8注意ちゅうい条件じょうけん本数ほんすうだけでは十分じゅうぶんでない

二階にかい微分方程式びぶんほうていしきでは、一般解いっぱんかい通常つうじょう 2 任意定数にんいていすうあらわれる。そのため 2 条件じょうけん必要ひつようになることがおおい。しかし、条件じょうけんが 2 あればかならず 1 ほんかい存在そんざいする、というわけではない。

たとえば

y'=0

かんがえる。1 かい積分せきぶんすると y=A、もう 1 かい積分せきぶんすると

y=Ax+B

である。ここで境界きょうかいでの導関数どうかんすう指定していする条件じょうけん

y(0)=0,y(1)=1

す。y=A だから、y(0)=0 から A=0 である。一方いっぽうy(1)=1 から A=1 でなければならない。これは矛盾むじゅんする。したがって、この境界値問題きょうかいちもんだいにはかいがない。

一方いっぽう境界条件きょうかいじょうけん

y(0)=0,y(1)=0

なら、A=0 だけがまり、B任意にんいである。したがって

y=B

がすべてかいであり、かい無限個むげんこある。

このように、条件じょうけん本数ほんすう階数かいすうっていても、境界条件きょうかいじょうけん位置いち方程式ほうていしき性質せいしつによって、かいがない場合ばあい複数ふくすうある場合ばあいこる。

この問題もんだいは、存在そんざい一意性いちいせい理論りろんにおける主要しゅよう分析対象ぶんせきたいしょうである。

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9かた手順てじゅん

  1. 未知関数みちかんすう独立変数どくりつへんすう確認かくにんする。
  2. 階数かいすう確認かくにんする。
  3. 条件じょうけんおなてんあつまっているか、端点たんてん境界きょうかいかれているかを確認かくにんする。
  4. 一般解いっぱんかいられる場合ばあいは、それをもとめる。
  5. 条件じょうけん代入だいにゅうして任意定数にんいていすうたいする制約方程式せいやくほうていしきき、許容きょようされる定数ていすう決定けっていする。
  6. 最後さいごもと方程式ほうていしき条件じょうけん代入だいにゅうして検算けんざんする。

10つぎ講義こうぎ

つぎに、一階微分方程式いっかいびぶんほうていしき方程式ほうていしき形式けいしきおうじて分類ぶんるいし、適用可能てきようかのう解法かいほう判定はんていする。

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11演習えんしゅうリンク

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Initial Value Problems and Boundary Value Problems

1Introduction

This lecture explains how a differential equation and prescribed conditions jointly determine a solution set. Integrating a differential equation commonly produces a family of functions containing arbitrary constants. Conditions constrain that family, but incompatible or dependent conditions may leave no solution or multiple solutions.

For example, integrating

y=2x

gives

y=x2+C.

The constant C is undetermined until a condition is imposed. The condition y(0)=1 yields C=1 and therefore selects the solution y=x2+1.

2Initial Value Problems

An initial value problem specifies the value of an unknown function and, when required, some of its derivatives at a common reference point. For example,

y=f(x,y),y(x0)=y0

is a first-order initial value problem.

For a second-order equation, one commonly prescribes both the function and its first derivative:

y'=F(x,y,y),y(x0)=y0,y(x0)=v0.

When the independent variable represents time, these data may specify the current state from which an evolution is determined. The same mathematical form is also used when the independent variable is not time.

3Boundary Value Problems

A boundary value problem specifies conditions at the endpoints of an interval or on the boundary of a domain. For example,

y'=0,y(0)=0,y(1)=1

is a boundary value problem.

Boundary value problems arise when endpoint or boundary data constrain an entire spatial profile, as in steady-state temperature distributions, the shapes of strings, and other equilibrium configurations.

4Proposition 1: Conditions Constrain Arbitrary Constants

Suppose that a general solution of a differential equation is given by

y=ϕ(x,C),

where C is an arbitrary constant. Imposing y(x0)=y0 restricts the admissible values of C to solutions of

ϕ(x0,C)=y0.

The constant C is determined uniquely only if this equation has a unique solution.

4.1Proof

The representation y=ϕ(x,C) gives y(x0)=ϕ(x0,C). Hence the condition y(x0)=y0 requires

ϕ(x0,C)=y0.

Conversely, any value of C satisfying this equation gives

y(x0)=ϕ(x0,C)=y0.

Thus the condition becomes an equation constraining the arbitrary constant. If that equation has no solution, the conditioned problem has no solution within the stated general family; if it has multiple solutions, multiple candidates remain.

This proposition shows that imposing a condition on a general family can be reduced to solving an equation for its arbitrary constants.

5Example 1: A First-Order Initial Value Problem

Consider

y=-y,y(0)=1.

Solving the differential equation alone gives

y=Ce-x.

The initial condition yields

1=Ce0=C,

so

y=e-x.

Verification is essential: y=-e-x=-y and y(0)=1, so the function satisfies both the equation and the condition.

6Example 2: A Second-Order Boundary Value Problem

Consider

y'=0,y(0)=0,y(1)=1.

Integrating twice gives y=A and then

y=Ax+B.

The boundary condition y(0)=0 gives B=0, while y(1)=1 gives A=1. Therefore,

y=x.

The same basic operation occurs in initial and boundary value problems: determine a general solution and substitute the conditions to constrain its arbitrary constants.

The presence of n arbitrary constants and n conditions does not by itself ensure unique determination. In general, substitution produces a system of equations for the constants, and its solvability and uniqueness must be checked. Linearly independent solutions that span the solution space of a homogeneous linear ODE are called basis solutions. When the homogeneous part of a general linear ODE solution is expressed as a linear combination of basis solutions and the imposed conditions are linear, the resulting system is linear. If its coefficient matrix is nonsingular, the arbitrary constants are uniquely determined.

Let y1,,yn be a basis of solutions of an nth-order homogeneous linear ODE. For standard initial conditions specifying y,y,,y(n-1) at the same point x0, the coefficient matrix for the integration constants is

(yj(i-1)(x0))i,j=1n.

Its determinant is the Wronskian W(y1,,yn)(x0). If the Wronskian is nonzero, the matrix is nonsingular and the integration constants are uniquely determined. For boundary conditions imposed at different endpoints or for general linear conditions, one must instead test the separately constructed condition matrix; its determinant is not generally a Wronskian.

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7Comparison of Initial and Boundary Value Problems

ItemInitial value problemBoundary value problem
Location of dataFunction and derivative values at one reference pointData at endpoints or on a boundary
Typical interpretationDetermine an evolution from a specified stateConstrain a profile through boundary data
Representative applicationsPopulation growth, cooling, motionSteady temperature, strings, normal modes
Principal cautionExistence and uniqueness require hypothesesNo solution or multiple solutions may occur

The term normal mode appears in the table but is not developed here. In some problems, only particular oscillations satisfy the boundary conditions; their analysis leads to eigenvalues and eigenfunctions.

8Caution: The Number of Conditions Is Not Sufficient

A second-order differential equation commonly has a general solution containing two arbitrary constants, so two conditions are often required. Nevertheless, two conditions do not guarantee the existence of exactly one solution.

Consider

y'=0.

Twice integrating gives

y=Ax+B,y=A.

Now impose the derivative boundary conditions

y(0)=0,y(1)=1.

The first requires A=0, whereas the second requires A=1. These requirements are inconsistent, so the boundary value problem has no solution.

By contrast, if

y(0)=0,y(1)=0,

then only A=0 is fixed and B remains arbitrary. Hence every constant function

y=B

is a solution, and the problem has infinitely many solutions.

Thus, even when the number of conditions matches the order, the placement of the conditions and the structure of the equation may lead to no solution or multiple solutions. Existence and uniqueness theory analyzes precisely these questions.

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9Analysis Procedure

  1. Identify the unknown function and independent variable.
  2. Determine the order of the equation.
  3. Determine whether the conditions are imposed at one reference point or distributed across endpoints or a boundary.
  4. Determine a general solution when one is available.
  5. Substitute the conditions, solve the resulting constraint equations, and identify the admissible constants.
  6. Substitute the result into the original equation and all prescribed conditions to verify it.

10Next Lecture

The next lecture classifies first-order differential equations by form and explains how to identify applicable solution methods.

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11Exercises

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