解析?において、
微分方程式
(
、
英
:
differential equation
)とは、
未知??
とその
導??
の?係式として書かれている
??方程式
である
[1]
。
??の?用分野においてしばしば、異なる2つの??の?係を調べることが行われる。2??を??付ける
??
があらわになっていなくても、その導??(の?たすべき
方程式
)を適?な?定の下で定めることができ、そこから目的とする??を探し出すことができる。
物理法則
を記述する
基礎方程式
は、多くが
時間微分
、
空間微分
を含む微分方程式であり、
物理?
からの要請もあり微分方程式の解法には多くの?心が注がれてきた。
方程式論は
解析?
の中心的な分野で、
フ?リエ?換
、
ラプラス?換
等は元?、微分方程式を解くために開?された手法である。また物理?における微分方程式の主要な問題は
境界値問題
、
固有値問題
である
[1]
。
微分方程式は大きく
線型微分方程式
と
非線型微分方程式
に分類される。線形微分方程式の例として、例えば
シュレ?ディンガ?方程式
が?げられる。シュレ?ディンガ?方程式は、量子系の?態の時間?展を記述する方法の一つとして?く用いられている。非線型微分方程式の例として、例えば
ナビエ?スト?クス方程式
(NS方程式)が?げられる。NS方程式は
流?
の運動を記述する基本方程式であり、物理?の?用としても重要な方程式である。しかし、NS方程式の解の存在性は
未解決問題
であり
ミレニアム懸賞問題
にも選ばれている。
?要
[
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]
微分方程式は方程式に含まれる
導??
の
階?
[注? 1]
によって分類され、最も高い階?が
n
次である場合、その微分方程式を
n
階微分方程式
[注? 2]
と呼ぶ
[1]
。
いずれの場合も未知??は一つとは限らず、また、連立する複?の微分方程式を同時に?たす??を解とするような
連立方程式
の形を取る場合もある
[1]
。これは連立
n
階微分方程式などと呼ばれる。
常微分方程式と偏微分方程式
[
編集
]
一????の
導??
の?係式で書かれる
常微分方程式
と多????の
偏導??
を含む?係式で書かれる
偏微分方程式
に分かれる
[1]
。
常微分方程式とは例えば、
や、
のような方程式である。
また、偏微分方程式は、
や、
のような格好をした方程式である。
代?的微分方程式
[
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]
未知??とその導??の?係式が、未知??や導??を??と見たときに
解析??
を係?とする多項式である場合、
代?的微分方程式
と呼ばれる。
線形微分方程式
[
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]
方程式が未知??の一次式として書けるような方程式を
線形微分方程式
と呼ぶ。また、線型でない微分方程式は
非線形微分方程式
[注? 3]
と呼ばれる。
例えば、
g
(
x
)
を
f
(
x
)
を含まない?知の??とすれば、
は
線型微分方程式
であり、
は
非線型微分方程式
である。線型と呼ばれる理由は
後述する線型?次な方程式
について、解の線型結合がその方程式の一般解をなすためである。
未知??が 1 つの場合、高階の線型微分方程式を一階線型微分方程式の形に書き直すことができる。
たとえば、
{
g
k
}
を?知??の組として、以下の線型微分方程式が?えられたとき、
未知??
f
(
x
)
の
k
階の導??を
y
k
(
x
)
として (
k
= 0,...,
n
− 1
)、以下の一組の微分方程式を得る。
この微分方程式は、より一般的に、
ベクトル
と
行列
の記法を用いて
と書くことができる。ここで
y
は未知??
y
0
,...,
y
n
−1
を成分に持つベクトル、
A
は?知??
{
a
ij
}
i,j
=0,...,
n
−1
を成分に持つ
n
×
n
の行列、
b
は?知??
b
0
,...,
b
n
−1
を成分に持つベクトルである。
?次方程式と非?次方程式
[
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]
すべての項が未知??を含むか
0
であるような線型微分方程式を
線型?次微分方程式
[注? 4]
と呼び、?次でない線形微分方程式は
線型非?次微分方程式
[注? 5]
と呼ばれる。同じ意味の言葉として?次方程式をしばしば
同次方程式
と呼ぶことがある。
例えば、
は
?次
な方程式であり、右?に
α
を加えた、
は
非?次
な方程式である。
より一般の線形常微分方程式について、
右?の??
g
0
(
x
)
がゼロならこの方程式は?次である。
?次方程式の特?として、方程式の解
s
(
x
)
が得られたとき、その定?倍
cs
(
x
)
も方程式の解となる。また、?次方程式の解の
線形結合
もその?次方程式の解になる。
また、非?次な方程式の解
s
in
(
x
)
が得られたとき、元の方程式を?次な形にしたときの解
s
hom
(
x
)
を用いて、非?次方程式の新たな解
s
in
(
x
) +
s
hom
(
x
)
を作ることができる。?際、
としたとき、
s
in
(
x
),
s
hom
(
x
)
はそれぞれ
を?たすので、
s
in
(
x
) +
s
hom
(
x
)
は元の方程式の解になっている。
確率微分方程式
[
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]
方程式に含まれる?知??が
確率??
によって記述されるような微分方程式を
確率微分方程式
[注? 6]
と呼ぶ。確率常微分方程式や確率偏微分方程式はしばしば英語の頭文字を取って“
SODE
”, “
SPDE
”と略記される。代表的な例は物理?における
ランジュバン方程式
や金融工?における
ブラック-ショ?ルズ方程式
がある。確率微分方程式の?知??は、自身の
期待値
や
相???
によって特?付けられる。
解法
[
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]
微分方程式に限らず一般の方程式は必ずしも?密解が得られるとは限らない。?って多く場合は
?動
などの手法を用いて近似的な評?を?えるか、
ルンゲ=クッタ法
や
SOR法
、
有限要素法
のような
?値解法
によって具?的な解を得ることになる。しかしながらいくつかの基本的な微分方程式については、?密解が得られたり、形式的に解を書き表せる。
微分方程式の具?的な解法としては代表的なものに、?次方程式の解を利用して解く
定??化法
、
グリ?ン??
を用いた解法、
差分方程式
を用いた解法、
ラプラス?換
や
逆ラプラス?換
を用いた解法などが知られている。
指???と微分方程式
[
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]
一階の線型?次常微分方程式の中で最も基本的な方程式として次のものがある。
一般の線形微分方程式を解く際も、まずこの種の?次微分方程式に?着させるため、この方程式は微分方程式の解法を調べる上で基本的な役割を果たす。
この方程式の解はよく知られているように
指???
となる
[注? 7]
。
ここで
C
は任意定?である。解法は脚注にて紹介する
[注? 10]
。
指???の有用な性質として、
微分作用素
を別の定?や??に置き換えられることが?げられる。係?が定?の?次方程式
の解として指???で書けるものを探すと、
f
(
x
) =
C
exp(
λx
)
と置き換えて、
と書くことができる
[注? 11]
。これは
λ
に?する
n
次の
代?方程式
になっている。
重根
がなければ方程式の解が
n
個求まることになり、?次方程式の一般解はそれらの
線型結合
として表される。
この形の方程式の一般解を求める方法としては
定??化法
がある
[注? 12]
。
一階線型常微分方程式
[
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]
一つの未知??に?する、一般の一階線型常微分方程式は、?知??を
P
(
x
)
、
Q
(
x
)
として、次のように書かれる。
この一階線型常微分方程式は、
一般解
が
求積法
で解ける。
まず、?次方程式
の一般解は、積分定?を
A
≠ 0
として、
となる。一階線型常微分方程式の一般解は、?次方程式の解を利用し
A
を
x
の??とみなす
定??化法
によって求められる。
ここで
C
≠ 0
は積分定?である。
二階線型常微分方程式
[
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]
二階線型常微分方程式の一般形は、?知??を
P
(
x
),
Q
(
x
),
R
(
x
)
として、次のように書かれる。
この二階線型常微分方程式は、このままの形では求積法を用いて
一般解
を表示することはできない。
もし、右?を
0
とした?次方程式の
特殊解
として、
y
=
y
1
が存在すれば、
が成り立つので、
z
なる未知??を導入して、
とすれば、二階線型常微分方程式が、
z
に?する常微分方程式、
に?換される。この常微分方程式は、導??
d
z
/d
x
に?して一階線型常微分方程式なので、求積法で解ける。その一般解を
とすると、二階線型常微分方程式の一般解は、
で?えられる。なお、
C
1
,
C
2
は積分定?である。
x
の?知??を含む二階線型常微分方程式で、求積法で解ける微分方程式は少ないが、
次の微分方程式などが知られている
[2]
[3]
[4]
。
求積法で解ける方程式の例
[注? 13]
方程式
|
一般解
[2]
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
脚注
[
編集
]
注?
[
編集
]
- ^
英
:
order
- ^
英
:
n
th order differential equation
- ^
英
:
non-linear differential equation
- ^
英
:
homogeneous linear differential equation
- ^
英
:
inhomogeneous linear differential equation
- ^
英
:
stochastic differential equation
、SDE
- ^
この微分方程式の解として指???を定義する場合もある。その場合、
y
(0) = 1
となる解
y
(
x
)
を指???
exp(
x
) (≡ e
x
)
とする。
- ^
この?係を示す際に、ラフな計算法として
d
y
, d
x
を微小な?として扱うことがある。つまり、
の??に
d
x
/
y
を掛けて、
とし、最後に積分記?
∫
を添える。
- ^
????が指???の
逆??
であることを利用する。
exp(ln
y
) =
y
.
- ^
解法:
一つの方法は次の
自然??
の積分公式を利用する方法である。
ある
x
で
y
が
0
となるなら、
方程式を?たす解
y
は
0
である。次に
y
が
0
とならない解を探すと、
方程式は次のように?形できる。
??を積分すれば、右?は最初に示した積分と同じ形になる
[注? 8]
。
??の積分を計算すると方程式の解は
指???
になることが分かる
[注? 9]
。
その他の解法としては結局、指???か????の定義に?着させることになる。
- ^
非自明な解を探しているので、任意の
λ
に?して
f
(
x
) =
C
exp(
λx
) ≠ 0
である。?って、
を?たす
λ
はすべて
を?たす。
- ^
解の形として
f
(
x
) =
C
(
x
)exp(
λx
)
というものを?定しても一般性は損なわれない。
- ^
a
≠ 0
と
b
≠ 0
および
α
と
β
≠ 0
は定?で、
C
1
,
C
2
は
積分定?
。
出典
[
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]
?連項目
[
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]
外部リンク
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]