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変数分離形の微分方程式では割った瞬間に解が 1 つ消える

を解くには、 で割って両辺を積分します。ところが もこの方程式を満たす解で、割った瞬間に消えている。

一般解 で とすれば拾えます。いつでも拾えるとはかぎらない点が、この解法の落とし穴です[1]。

以下は 問です。基本形から始め、初期条件、応用のモデル、直交曲線族を扱い、最後に割り算で消える解と、解が有限の時刻で発散する例まで並べました。

手順と、その根拠

の形なら変数分離ができます[1]。

を分数のように動かしていますが、根拠は置換積分です。両辺を で積分すると、左辺が になる。

割るときに を仮定しています。 となる定数解は、あとで別に確かめます。

h(y) で割る

両辺を積分する

h(y) = 0 の定数解を別に確かめる

問題 1:基本形

を解け。

解答 1

で割って積分します。

指数に戻すと です。絶対値を外して符号を定数に吸収します。

が にあたり、割って消した解もここに入っています。 の範囲を実数全体にとるのは、そのためです。

問題 2:初期条件をつける

、 を解け。

解答 2

から 、つまり です。

から で、解は になります。

原点は で方程式が定義されないので、解が通れません。 の側だけで考えます。

問題 3:三角関数

を解け。

解答 3

と分けて積分します。

が答えです。 について解けないので、陰関数の形のまま置きます。

の点では、もとの方程式で分母が消えます。解曲線がそこで垂直になる点です。

問題 4:指数を分ける

を解け。

解答 4

指数法則で積に分けます。 なので、変数分離できる形です。

対数の中が正である範囲でしか定義されません。 が に近づくと が発散します。

問題 5:逆正接が出る

を解け。

解答 5

両辺とも逆正接の微分の形です。

正接の加法定理で について解きます。 と置く。

一次分数変換の形になりました。 にあたる場合は で、この形からは出ません。

問題 6:同次形を変数分離に直す

を解け。

解答 6

右辺は で、 だけの式です。 と置きます。

から です。代入すると が消えます。

なので、 です。

そのままでは分離できない形も、置きかえで分離できることがあります。 だけの式かどうかが目印です。

問題 7:ロジスティック方程式

を解け。

解答 7

左辺を部分分数に分けます。 です。

指数に戻して について解きます。

で です。 が上限で、環境収容力と呼ばれます。

と は定数解で、割ったときに消えています。 は で拾えますが、 はこの形からは出ません。

問題 8:放射性崩壊と半減期

、 を解き、半減期を で表せ。

解答 8

から です。

半減期 は で決まります。

初期量 が消えている点が要です。どれだけあっても半分になるまでの時間は同じになります。

問題 9:ニュートンの冷却法則

、 を解け。

解答 9

と置くと で、問題 と同じ形になります。

で です。周囲の温度に近づいていきます。

は定数解で、割ったときに消えました。すでに周囲と同じ温度なら変化しない、という状況にあたります。

問題 10:直交曲線族

に直交する曲線族を求めよ。

解答 10

まず を消して、族全体の傾きを と の式で書きます。

微分して 、もとの式から です。

直交する曲線の傾きは、負の逆数です。

積分して 、つまり です。楕円の族になります。

もとが放物線の族で、直交する側は楕円の族。等ポテンシャル線と電気力線のような関係です。

問題 11:解が有限の時刻で発散する

、 を解き、定義域を述べよ。

解答 11

から です。

から となり、次の形になります。

で発散します。方程式の係数はどこでもなめらかなのに、解は より先へ延びません。

初期値問題の解が存在するのは局所的だけ、という事実がこの例に出ています。線形でない方程式では珍しくない現象です。

問題 12:割り算で消える解が拾えない

、 を解け。

解答 12

分離して積分します。

から で、 です。

ところが も同じ初期条件を満たします。代入すると で成り立つ。

同じ初期値から つの解が出ました。一意性が崩れています。

が で微分できないことが原因です。リプシッツ条件が満たされないので、一意性の定理が使えません[2]。

問題 13:解の伸びる範囲が限られる

、 を解け。

解答 13

分離すると で、 から です。

ただし有効なのは に限られます。この外では が減りはじめ、 と合わなくなる。

では が解です。 を で打ち切り、そこから定数解に乗り移る解もつくれます。

ここでも一意性が崩れています。 が で微分できないためです。

問題 14:陰関数のままで止める

を解け。

解答 14

分離して積分します。

について解けません。陰関数の形が答えです。

ここは無理に解こうとせず、この形で止めます。初期条件があれば は決まるので、必要な情報は揃っています。

問題 15:分離できるかを見分ける

が変数分離形かどうか判定せよ。

解答 15

は の形に書けません。和は積に分けられないので、分離できない。

とは事情が違います。指数のときは積になりましたが、こちらは和のままです。

この方程式は 階線形なので、積分因子 を掛けて解きます。分離できないと分かった時点で、別の型を探すことになる。

見分ける手順は 段です。右辺が だけの式と だけの式の積になるか、ならなければ置きかえで積になるか。

変数分離できる

、。右辺が積の形に分かれる

変数分離できない

、。和のままで分かれない

つまずきやすいところ

計算より、割る操作の周りで誤ります。

定数解を確かめない

の解は割った時点で消えます。一般解で拾えるかどうかを別に見ます。

絶対値を外すときに符号を落とす

から戻すと です。符号を定数に吸収して、範囲を実数全体にとります。

積分定数を片側だけに書く

両辺に付けても差にまとまるので、片側でかまいません。ただし指数に戻すときは が係数になります。

定義域を書かない

のように、有限の範囲でしか存在しない解があります。

割る前にどんな解が消えるかを見ておく。この一手間で、一意性が崩れる場合にも気づけます。

、 の解はどれですか。

__RESULT__

、 のロジスティック方程式です。 から になります。 と は定数解で、割ったときに落ちる解です。

よくある誤り

の定数解を確かめない。割った時点で式から落ちています。
一般解ですべての解が拾えると思う。 の例では拾えません。
初期値問題の解がつねに大域的だと思う。 の例は で止まります。
和を積と同じに扱う。 は分離できず、 は分離できます。
同次形を分離できないと決めつける。 だけの式なら置きかえで分離できます。
について無理に解く。陰関数のままで答えとしてよい場合があります。
一意性がいつでも成り立つと思う。 がリプシッツ条件を満たすことが要ります。

分離して積分する。手順はそれだけで、注意はすべて割り算の前後に集まっています。

参考文献

[1] が変数分離の手順と置換積分による根拠、割り算で特異解が失われること、[2] が解の存在と一意性およびリプシッツ条件、[3] がドイツ語での記述、[4] がロジスティック方程式、[5] が直交曲線族です。

Separation of variables - Wikipedia
Picard-Lindelöf theorem - Wikipedia
Trennung der Veränderlichen - Wikipedia
Logistic function - Wikipedia
Orthogonal trajectory - Wikipedia
$\dfrac{dy}{dx}=xy$ を $y$ で割って積分すると $y=Ce^{x^2/2}$ が出ますが、$y=0$ も解です。$C=0$ で拾えるのは運がよかっただけ。$15$ 問を通して、基本形・初期条件・同次形の置きかえ・ロジスティック方程式・半減期・冷却法則・直交曲線族を解き、最後に拾えない場合を並べました。$y^{2/3}$ では同じ初期値から $2$ つの解が出て一意性が崩れ、$y^2$ では解が $x=1$ で発散して先へ延びません。分離できるかどうかの見分け方も扱います。