markdown
Lipschitz 条件とは何か:連続との違いmd 935e55c
lecture/math/differential-equations/lipschitz-condition-and-continuity.lecture.n.md
Download PDF

Lipschitz 条件じょうけんとはなにか:連続れんぞくとのちが

date2026-07-16document_iddoc_9eacec72dd60fddcbc539084ad9c9844descriptiony 方向の Lipschitz 条件を、各固定 x における y 方向の連続性より強く、一階初期値問題の一意性を支える条件として整理する。prerequisites関数の連続性 / 初期値問題と境界値問題type講義content_typelecturestatusactiverelateddata/lecture/math/differential-equations/first-order-ode-solution-diagnostics.lecture.n.md / data/lecture/math/differential-equations/existence-uniqueness-and-lipschitz-condition.lecture.n.md / data/exercise/math/differential-equations/existence-uniqueness-and-numerical-methods.exercise.n.md
mathdifferential-equationslipschitzlecture

1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、連続れんぞくであることと Lipschitz 連続れんぞくであることを区別くべつし、初期値問題しょきちもんだい一意性いちいせいみちび標準的ひょうじゅんてき十分条件じゅうぶんじょうけん定義ていぎする。

2用語ようご定義ていぎ

y=f(x,y)領域りょういき Rかんがえる。yかんする Lipschitz 条件じょうけんLipschitz condition in yとは、R ないおなx と、(x,y1),(x,y2)Rたいして、x,y1,y2共通きょうつう定数ていすう L[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]0存在そんざいし、

|f(x,y1)-f(x,y2)|[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]L|y1-y2|

成立せいりつすることである。x ごとにことなる定数ていすうえらぶのではなく、R 全体ぜんたいで 1 つの L使つかてん重要じゅうようである。

各点かくてんまわりのちいさな領域りょういきごとにこの条件じょうけん成立せいりつするとき局所きょくしょ Lipschitzlocal Lipschitzかんがえる全領域ぜんりょういきで 1 つの L使つかえるとき大域たいいき Lipschitzglobal Lipschitzという。

3Lipschitz 条件じょうけん導入どうにゅうする理由りゆう

かく x固定こていしたときの y 方向ほうこう連続性れんぞくせいは、y十分小じゅうぶんちいさい変化へんかたいして f(x,y)変化へんか十分小じゅうぶんちいさくなることを保証ほしょうする。一方いっぽうyかんする Lipschitz 条件じょうけんは、その変化量へんかりょうL|y1-y2| という線型上界せんけいじょうかい一様いちよう制御せいぎょする。ただし、この条件じょうけんだけでは x 方向ほうこう連続性れんぞくせい保証ほしょうしない。初期値しょきちから出発しゅっぱつした 2 ほん候補解こうほかいはなれすぎないことをしめすためには、y 方向ほうこうのこの倍率制御ばいりつせいぎょ重要じゅうようである。

4一意性いちいせい作用さようする理由りゆう

ここでは、f連続れんぞくであり、対象領域上たいしょうりょういきじょうyかんして共通きょうつう定数ていすう Lつ Lipschitz 条件じょうけんたすとする。さらに、同一どういつ初期値しょきちつ 2 かい y1,y2存在そんざいすると仮定かていし、それらが一致いっちすることだけを証明しょうめいする。かい存在そんざいは Lipschitz 条件じょうけんだけからはみちびかず、後続こうぞく存在定理そんざいていり連続性れんぞくせいとともにあつかう。

まず x[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]x0 とする。積分形せきぶんけいあらわすと、

yi(x)=y0+x0xf(t,yi(t))dt

である。したがってると、

|y1(x)-y2(x)|[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]x0x|f(t,y1(t))-f(t,y2(t))|dt

となる。ここで yかんする Lipschitz 条件じょうけんがあれば、

|y1(x)-y2(x)|[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]Lx0x|y1(t)-y2(t)|dt

る。この不等式ふとうしきからが 0 であることをみちびくため、つぎの Gronwall 不等式ふとうしき特殊形とくしゅけい使用しようする。

4.1命題めいだい:Gronwall 不等式ふとうしき零初期値形れいしょきちけい

u:[a,b][0,)連続関数れんぞくかんすうとし、L[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]0 とする。すべての x[a,b]たいして

u(x)[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]Laxu(t)dt

成立せいりつするなら、u(x)=0[a,b] 全体ぜんたい成立せいりつする。

4.1.1証明しょうめい

H(x)=axu(t)dt

とおく。u連続れんぞく非負ひふなので、H微分可能びぶんかのうH(a)=0H(x)[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]0H(x)=u(x)たす。仮定かていより

H(x)[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]LH(x)

である。したがって

ddx(e-LxH(x))=e-Lx(H(x)-LH(x))[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]0

である。ゆえに e-LxH(x)[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]e-LaH(a)=0 である。一方いっぽうH(x)[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]0 なので H(x)=0 であり、u(x)=H(x)=0る。

共通定義区間きょうつうていぎくかんから任意にんいx[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]x0 を 1 てん固定こていする。x0xむす閉区間へいくかんでは、両解りょうかいのグラフに同一どういつの Lipschitz 定数ていすう L適用てきようできるため、命題めいだいu(t)=|y1(t)-y2(t)|a=x0b=x適用てきようして y1(x)=y2(x)る。x<x0固定こていした場合ばあい

u(t)[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]Ltx0u(τ)dτ(x[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]t[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]x0)

である。s=x0-tw(s)=u(x0-s) とおけば、0[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]s[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]x0-x

w(s)[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]L0sw(σ)dσ

となるため、おな命題めいだいから w=0、したがって y1(x)=y2(x)る。x共通定義区間きょうつうていぎくかん任意にんいてんであるため、2 かいはその区間全体くかんぜんたい一致いっちする。この構造こうぞうが、Lipschitz 条件じょうけんによって一意性いちいせいみちびかれる理由りゆうである。

連続性れんぞくせいだけでは、この定数倍ていすうばい抑制よくせいする不等式ふとうしきられない。連続れんぞくと Lipschitz 連続れんぞくちがいは、あたい近接きんせつだけでなく、近接きんせつ速度そくど制御せいぎょできるかにある。

5具体例ぐたいれい

5.1Lipschitz 条件じょうけんたすれい

f(y)=3y+1 では

|f(y1)-f(y2)|=3|y1-y2|

であるため、L=3選択せんたくできる。

5.2連続れんぞくだが Lipschitz でないれい

f(y)=|y|y=0連続れんぞくである。しかし

|f(y)-f(0)||y-0|=|y||y|=1|y|

y0発散はっさんする。したがって y=0近傍きんぼうで 1 つの定数ていすう L により抑制よくせいできない。

5.3f/y連続性れんぞくせいとの関係かんけい

初期点しょきてん内部ないぶふくへいかつ有界ゆうかい小長方形しょうちょうほうけい Rる。f/yR連続れんぞくなら、「へいかつ有界ゆうかい領域上りょういきじょう連続関数れんぞくかんすう最大値さいだいちつ」という性質せいしつにより

L=max(x,y)R|fy(x,y)|

有限ゆうげんになる。かく x固定こていして平均値定理へいきんちていり使つかえば、R じょうyかんする Lipschitz 条件じょうけんる。かいまたは非有界ひゆうかい領域りょういきで、連続れんぞくというだけから有界性ゆうかいせい結論けつろんしてはならない。また、これは十分条件じゅうぶんじょうけんであり、必要条件ひつようじょうけんではない。

6適用範囲てきようはんい

Lipschitz 条件じょうけん一意性いちいせい保証ほしょうする標準的ひょうじゅんてき条件じょうけんである。しかし、Lipschitz 条件じょうけん破綻はたんしても、かなら非一意ひいちいになるわけではない。定理ていり仮定かてい不成立ふせいりつであることは、結論けつろん否定ひてい意味いみしない。

局所きょくしょ Lipschitz せいだけでは、全時間ぜんじかんでの存在そんざいまでは結論けつろんできない。大域存在たいいきそんざいには、Lipschitz せいくわえて右辺うへん定義域ていぎいき成長せいちょう確認かくにんする。つぎのページで、連続性れんぞくせいによる局所存在きょくしょそんざいと Lipschitz せいによる一意性いちいせい区別くべつし、局所解きょくしょかいをどこまで延長えんちょうできるかを最大存在区間さいだいそんざいくかんとしてあつかう。

7直前ちょくぜん講義こうぎ

data/lecture/math/differential-equations/first-order-ode-solution-diagnostics.lecture.n.md

8つぎ参照さんしょうするページ

data/lecture/math/differential-equations/existence-uniqueness-and-lipschitz-condition.lecture.n.md

9演習えんしゅうリンク

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[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]0, independent of x,y1,y2, such that

|f(x,y1)-f(x,y2)|[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]L|y1-y2|

whenever (x,y1),(x,y2)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|y1-y2|, 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 y1,y2 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[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]x0. The integral form of each solution is

yi(x)=y0+x0xf(t,yi(t))dt.

Taking the difference gives

|y1(x)-y2(x)|[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]x0x|f(t,y1(t))-f(t,y2(t))|dt.

If f is Lipschitz in y with constant L, then

|y1(x)-y2(x)|[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]Lx0x|y1(t)-y2(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][0,) be continuous, and let L[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]0. If

u(x)[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]Laxu(t)dt

for every x[a,b], then u(x)=0 throughout [a,b].

4.1.1Proof

Define

H(x)=axu(t)dt.

Because u is continuous and nonnegative, H is differentiable and satisfies H(a)=0, H(x)[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]0, and H(x)=u(x). The hypothesis gives

H(x)[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]LH(x).

Consequently,

ddx(e-LxH(x))=e-Lx(H(x)-LH(x))[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]0.

It follows that e-LxH(x)[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]e-LaH(a)=0. Since H(x)[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]0, we must have H(x)=0, and hence u(x)=H(x)=0.

Fix an arbitrary point x[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]x0 in the common domain. On the compact interval joining x0 to x, the same Lipschitz constant L applies along both solution graphs. Apply the proposition to u(t)=|y1(t)-y2(t)| with a=x0 and b=x. It follows that y1(x)=y2(x). If instead a point x<x0 is fixed, the corresponding estimate is

u(t)[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]Ltx0u(τ)dτ(x[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]t[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]x0).

Set s=x0-t and w(s)=u(x0-s) for 0[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]s[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]x0-x. Then

w(s)[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]L0sw(σ)dσ,

so the same proposition gives w=0 and therefore y1(x)=y2(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(y1)-f(y2)|=3|y1-y2|,

so one may choose L=3.

5.2A Continuous Function That Is Not Lipschitz

The function f(y)=|y| is continuous at y=0. However,

|f(y)-f(0)||y-0|=|y||y|=1|y|

diverges as y0. Hence no single constant L controls the difference on a neighborhood of 0.

5.3Relation to Continuity of f/y

Let R be a closed and bounded rectangle whose interior contains the initial point. If f/y is continuous on R, the extreme value theorem gives the finite constant

L=max(x,y)R|fy(x,y)|.

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.

7Previous Lecture

data/lecture/math/differential-equations/first-order-ode-solution-diagnostics.lecture.n.md

8Next Reference

data/lecture/math/differential-equations/existence-uniqueness-and-lipschitz-condition.lecture.n.md

9Exercises

data/exercise/math/differential-equations/existence-uniqueness-and-numerical-methods.exercise.n.md
raw .n.md をコピー
loc をコピー (filepath:line ~ line)
copy share link
copy encoded share link
path をコピー
copy share link
copy encoded share link
copy share link
copy encoded share link
タブを全て閉じる