Lipschitz 条件とは何か:連続との違い
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1導入
この講義では、連続であることと Lipschitz 連続であることを区別し、初期値問題の一意性を導く標準的な十分条件を定義する。
2用語と定義
y'=f(x,y) を領域 R で考える。y に関する Lipschitz 条件とは、R 内の同じ x と、(x,y_1),(x,y_2)\in R に対して、x,y_1,y_2 に共通な定数 L\ge 0 が存在し、
|f(x,y_1)-f(x,y_2)|\le L|y_1-y_2|
が成立することである。x ごとに異なる定数を選ぶのではなく、R 全体で 1 つの L を使う点が重要である。
各点の周りの小さな領域ごとにこの条件が成立するとき局所 Lipschitz、考える全領域で 1 つの L を使えるとき大域 Lipschitzという。
3Lipschitz 条件を導入する理由
各 x を固定したときの y 方向の連続性は、y の十分小さい変化に対して f(x,y) の変化も十分小さくなることを保証する。一方、y に関する Lipschitz 条件は、その変化量を L|y_1-y_2| という線型上界で一様に制御する。ただし、この条件だけでは x 方向の連続性を保証しない。初期値から出発した 2 本の候補解が離れすぎないことを示すためには、y 方向のこの倍率制御が重要である。
4一意性に作用する理由
ここでは、f が連続であり、対象領域上で y に関して共通の定数 L を持つ Lipschitz 条件を満たすとする。さらに、同一の初期値を持つ 2 解 y_1,y_2 が存在すると仮定し、それらが一致することだけを証明する。解の存在は Lipschitz 条件だけからは導かず、後続の存在定理で連続性とともに扱う。
まず x\ge x_0 とする。積分形で表すと、
y_i(x)=y_0+\int_{x_0}^{x} f(t,y_i(t))\,dt
である。したがって差を取ると、
|y_1(x)-y_2(x)|
\le
\int_{x_0}^{x}|f(t,y_1(t))-f(t,y_2(t))|\,dt
となる。ここで y に関する Lipschitz 条件があれば、
|y_1(x)-y_2(x)|
\le
L\int_{x_0}^{x}|y_1(t)-y_2(t)|\,dt
を得る。この不等式から差が 0 であることを導くため、次の Gronwall 不等式の特殊形を使用する。
4.1命題:Gronwall 不等式の零初期値形
u:[a,b]\to[0,\infty) を連続関数とし、L\ge0 とする。すべての x\in[a,b] に対して
u(x)\le L\int_a^x u(t)\,dt
が成立するなら、u(x)=0 が [a,b] 全体で成立する。
4.1.1証明
H(x)=\int_a^x u(t)\,dt
とおく。u は連続で非負なので、H は微分可能で H(a)=0、H(x)\ge0、H'(x)=u(x) を満たす。仮定より
H'(x)\le LH(x)
である。したがって
\frac{d}{dx}\left(e^{-Lx}H(x)\right)
=e^{-Lx}(H'(x)-LH(x))\le0
である。ゆえに e^{-Lx}H(x)\le e^{-La}H(a)=0 である。一方、H(x)\ge0 なので H(x)=0 であり、u(x)=H'(x)=0 を得る。
共通定義区間から任意に x\ge x_0 を 1 点固定する。x_0 と x を結ぶ閉区間では、両解のグラフに同一の Lipschitz 定数 L を適用できるため、命題を u(t)=|y_1(t)-y_2(t)|、a=x_0、b=x に適用して y_1(x)=y_2(x) を得る。x<x_0 を固定した場合は
u(t)\le L\int_t^{x_0}u(\tau)\,d\tau\qquad (x\le t\le x_0)
である。s=x_0-t、w(s)=u(x_0-s) とおけば、0\le s\le x_0-x で
w(s)\le L\int_0^s w(\sigma)\,d\sigma
となるため、同じ命題から w=0、したがって y_1(x)=y_2(x) を得る。x は共通定義区間の任意の点であるため、2 解はその区間全体で一致する。この構造が、Lipschitz 条件によって一意性が導かれる理由である。
連続性だけでは、この差を定数倍で抑制する不等式を得られない。連続と Lipschitz 連続の違いは、値の近接だけでなく、近接の速度を制御できるかにある。
5具体例
5.1Lipschitz 条件を満たす例
f(y)=3y+1 では
|f(y_1)-f(y_2)|=3|y_1-y_2|
であるため、L=3 と選択できる。
5.2連続だが Lipschitz でない例
f(y)=\sqrt{|y|} は y=0 で連続である。しかし
\frac{|f(y)-f(0)|}{|y-0|}=\frac{\sqrt{|y|}}{|y|}=\frac{1}{\sqrt{|y|}}
は y\to 0 で発散する。したがって y=0 の近傍で 1 つの定数 L により差を抑制できない。
5.3\partial f/\partial y の連続性との関係
初期点を内部に含む閉かつ有界な小長方形 R を取る。\partial f/\partial y が R で連続なら、「閉かつ有界な領域上の連続関数は最大値を持つ」という性質により
L=\max_{(x,y)\in R}\left|\frac{\partial f}{\partial y}(x,y)\right|
が有限になる。各 x を固定して平均値定理を使えば、R 上で y に関する Lipschitz 条件を得る。開または非有界な領域で、連続というだけから有界性を結論してはならない。また、これは十分条件であり、必要条件ではない。
6適用範囲
Lipschitz 条件は一意性を保証する標準的な条件である。しかし、Lipschitz 条件が破綻しても、必ず非一意になるわけではない。定理の仮定が不成立であることは、結論の否定を意味しない。
局所 Lipschitz 性だけでは、全時間での存在までは結論できない。大域存在には、Lipschitz 性に加えて右辺の定義域や成長を確認する。次のページで、連続性による局所存在と Lipschitz 性による一意性を区別し、局所解をどこまで延長できるかを最大存在区間として扱う。
7直前の講義
data/lecture/math/differential-equations/first-order-ode-solution-diagnostics.lecture.n.md
8次に参照するページ
data/lecture/math/differential-equations/existence-uniqueness-and-lipschitz-condition.lecture.n.md
9演習リンク
data/exercise/math/differential-equations/existence-uniqueness-and-numerical-methods.exercise.n.md
The Lipschitz Condition and Its Difference from Continuity
1Introduction
This lecture distinguishes continuity from Lipschitz continuity and defines a standard sufficient condition for uniqueness in an initial value problem.
2Terminology and Definition
Consider y'=f(x,y) on a region R. The Lipschitz condition in y means that there exists a constant L\ge0, independent of x,y_1,y_2, such that
|f(x,y_1)-f(x,y_2)|\le L|y_1-y_2|
whenever (x,y_1),(x,y_2)\in R have the same value of x. The essential point is that one constant L applies throughout R rather than being chosen separately for each x.
If this condition holds on a sufficiently small region around every point, then f is locally Lipschitz in y. If one constant L applies on the entire region under consideration, then f is globally Lipschitz in y.
3Motivation for the Lipschitz Condition
For each fixed x, continuity in the y direction ensures that sufficiently small changes in y produce sufficiently small changes in f(x,y). The Lipschitz condition in y gives the stronger quantitative bound L|y_1-y_2|, uniformly on the region under consideration. This condition alone does not imply continuity in the x direction. Its linear control in the y direction is what prevents two candidate solutions issuing from the same initial value from separating.
4How the Condition Produces Uniqueness
Assume that f is continuous and satisfies a Lipschitz condition in y with one constant L on the region under consideration. Also assume that two solutions y_1,y_2 with the same initial value already exist; the purpose is only to prove that they coincide. The existence of a solution does not follow from the Lipschitz condition alone. A subsequent existence theorem will treat existence by using continuity separately from uniqueness.
First suppose that x\ge x_0. The integral form of each solution is
y_i(x)=y_0+\int_{x_0}^{x} f(t,y_i(t))\,dt.
Taking the difference gives
|y_1(x)-y_2(x)|
\le
\int_{x_0}^{x}|f(t,y_1(t))-f(t,y_2(t))|\,dt.
If f is Lipschitz in y with constant L, then
|y_1(x)-y_2(x)|
\le
L\int_{x_0}^{x}|y_1(t)-y_2(t)|\,dt.
The following zero-initial-value form of Gronwall's inequality converts this estimate into equality of the two solutions.
4.1Proposition: Zero-Initial-Value Form of Gronwall's Inequality
Let u:[a,b]\to[0,\infty) be continuous, and let L\ge0. If
u(x)\le L\int_a^x u(t)\,dt
for every x\in[a,b], then u(x)=0 throughout [a,b].
4.1.1Proof
Define
H(x)=\int_a^x u(t)\,dt.
Because u is continuous and nonnegative, H is differentiable and satisfies H(a)=0, H(x)\ge0, and H'(x)=u(x). The hypothesis gives
H'(x)\le LH(x).
Consequently,
\frac{d}{dx}\left(e^{-Lx}H(x)\right)
=e^{-Lx}(H'(x)-LH(x))\le0.
It follows that e^{-Lx}H(x)\le e^{-La}H(a)=0. Since H(x)\ge0, we must have H(x)=0, and hence u(x)=H'(x)=0.
Fix an arbitrary point x\ge x_0 in the common domain. On the compact interval joining x_0 to x, the same Lipschitz constant L applies along both solution graphs. Apply the proposition to u(t)=|y_1(t)-y_2(t)| with a=x_0 and b=x. It follows that y_1(x)=y_2(x). If instead a point x<x_0 is fixed, the corresponding estimate is
u(t)\le L\int_t^{x_0}u(\tau)\,d\tau\qquad (x\le t\le x_0).
Set s=x_0-t and w(s)=u(x_0-s) for 0\le s\le x_0-x. Then
w(s)\le L\int_0^s w(\sigma)\,d\sigma,
so the same proposition gives w=0 and therefore y_1(x)=y_2(x). Since x was arbitrary, the two solutions coincide throughout their common domain. This is the mechanism by which the Lipschitz condition yields uniqueness.
Continuity alone does not provide an estimate that controls the difference by a constant multiple. The distinction is not merely whether nearby inputs have nearby outputs, but whether the rate of their separation can be uniformly controlled.
5Examples
5.1A Function That Satisfies a Lipschitz Condition
For f(y)=3y+1,
|f(y_1)-f(y_2)|=3|y_1-y_2|,
so one may choose L=3.
5.2A Continuous Function That Is Not Lipschitz
The function f(y)=\sqrt{|y|} is continuous at y=0. However,
\frac{|f(y)-f(0)|}{|y-0|}
=\frac{\sqrt{|y|}}{|y|}
=\frac{1}{\sqrt{|y|}}
diverges as y\to0. Hence no single constant L controls the difference on a neighborhood of 0.
5.3Relation to Continuity of \partial f/\partial y
Let R be a closed and bounded rectangle whose interior contains the initial point. If \partial f/\partial y is continuous on R, the extreme value theorem gives the finite constant
L=\max_{(x,y)\in R}\left|\frac{\partial f}{\partial y}(x,y)\right|.
For each fixed x, the mean value theorem then establishes the Lipschitz condition in y on R. On an open or unbounded region, continuity alone does not imply boundedness. Moreover, continuity of the partial derivative is sufficient for the Lipschitz condition but is not necessary.
6Scope
The Lipschitz condition is a standard sufficient condition for uniqueness. Failure of the condition does not necessarily imply nonuniqueness; failure of a theorem's hypothesis does not imply the negation of its conclusion.
Local Lipschitz continuity alone does not establish existence for all time. Global existence also requires examination of the domain and growth of the right-hand side. The next lecture distinguishes local existence obtained from continuity from uniqueness obtained from Lipschitz continuity, and then studies continuation of a local solution through its maximal interval of existence.
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8Next Reference
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9Exercises
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