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ピカールの定理:微分方程式の解の存在と一意性はリプシッツ条件で決まる

のもとで解くと、 も答えになります。同じ出発点から 本。

原因は での急さにあります。急さを抑える条件を足すと、解は 本に決まる[1]

初期値問題

次の形を初期値問題といいます。

微分方程式に、解のグラフが点 を通るという条件を足した形。

微分方程式だけなら、任意定数を含む解が無数にあります。初期条件は、そこから 本を選ぶ役をする。

の一般解は です。 を決め、 に絞られる。

リプシッツ条件

の近くで連続で、さらに について次を満たすとします[1]

は近傍で共通にとれる定数です。 を動かしたときの の変化が、 の変化の定数倍で抑えられる形になっている。

について偏微分でき、その近傍で が有界なら、リプシッツ条件は平均値の定理から従います。

のあいだの点で を当てはめると、そのまま不等式になる。

ピカールの定理

この条件のもとで、初期値問題の解は のある近傍にただ つ存在します[1]

言えるのは つです。解があること、そして 本目がないこと。

例 1:リプシッツ条件を確かめる

から見ます。差をとると次のようになる。

で、全平面で成り立つ。どの初期条件からも、解はただ 本。

例 2:局所でだけ成り立つ

では です。 を有界な範囲に限れば有界で、 なら

として近傍で成り立ちます。局所では解がただ 本に決まる。

全平面では をとれません。 をいくらでも大きくできるため。

例 3:条件が破れる

では です。 で発散する。

を含むどの近傍でも、 を共通にとれません。リプシッツ条件は破れ、定理は使えない。

一意性が崩れる

冒頭の 本は、これで説明がつきます。さらに解を増やせる。

つ選び、 では では とつなぎます。この関数も解です。

で値も傾きも になり、なめらかにつながる。 を動かせば解は無数にある。

原点でリプシッツ条件が破れる、そのただ 点が、これだけの非一意を生みました。

同じことは でも起こります。

には 本があります。 なら で一致する。

が発散する。ここでも条件が破れている。

連続なだけなら存在は残る

リプシッツ条件が破れても、解が消えるとは限りません。

が連続でありさえすれば、初期値問題には解が少なくとも つあります[2]。ペアノの定理です。

失われるのは一意性のほうだけ。 の例が、まさにその形になっています。

つの定理で役割が分かれます。ペアノが存在をいい、ピカールが存在と一意性の両方をいう[2]

ピカールの定理が当てられないことが、非一意を疑う唯一の合図になる場面もあります[4]

例 4:解が有限の x で発散する

リプシッツ条件を満たしていても、定理が約束するのは近傍での存在だけです。

は変数分離で解けます。 を積分して 、初期条件から

この解は で発散し、そこから先へ延ばせません。 は各点の近くでリプシッツ条件を満たすのに、解のほうが有限の で止まる。

大域の存在をいうには、別の議論がいる。

リプシッツ条件が分ける

リプシッツ条件を満たす

初期条件ごとに解がただ 本。少なくとも近くでは一意に決まる。 が例。

リプシッツ条件を満たさない

同じ初期条件から複数の解が出うる。存在は残るが、一意性の保証がない。 が例。

逐次近似法

証明と、解を作る手だてを兼ねるのが逐次近似法です[3]。まず初期値問題を積分の形へ書き直します。

両辺を から まで積分すると、微分方程式と初期条件が つの積分方程式にまとまる。

右辺へ近似解を入れ、左辺で次の近似を受けとる。初期近似は という定数。

リプシッツ条件のもとで、この列は真の解へ収束します[1]

初期値問題

積分方程式へ書き直す

右辺へ入れて次の近似を作る

リプシッツ条件のもとで収束

例 5:逐次近似で指数関数が現れる

で試します。積分方程式は

前の段を右辺に入れて積分するだけです。 を積分して を積分して と進む。

一般に です。指数関数のテイラー展開の部分和になっている。

各段が、答えの級数を 項ずつ書き足していく。

例 6:ほかの方程式で試す

では、積分方程式が です。

これは の展開の部分和。真の解も です。

も試します。積分方程式は

の部分和になっています。変数分離で解いても で、 つの道が同じ答えにたどり着く。

の解はいくつあるか。

  • ちょうど
  • つ以上ある
  • つもない
__RESULT__

がどちらも解です。 でリプシッツ条件が破れるため、ピカールの定理は一意性を言いません。

存在区間を見積もる

近傍の広さも見積もれます[1] が箱 の上で と抑えられるとします。

この範囲では解が存在する。傾きが を超えないため、箱の上下の壁に着く前に進める幅が で止まる。

具体例で計算します。箱 の上で を考える。

この箱では なので、 です。

解は少なくとも で存在します。箱をとり替えれば も変わるため、 を最も大きくする箱を探す問題が残る。

例のまとめ

方程式リプシッツ解の様子
満たすただ 1 本
満たすただ 1 本で
局所で満たす1 本だが で発散
満たさない無数にある
満たさない など

実際に扱う式では

物理や工学に出てくる は、多くが滑らかで も有界です。ピカールの定理の条件は自然に満たされる。

だから初期条件を つ決めれば解も 本に決まり、数値計算をそのまま進められます。

逐次近似法は、その数値解法の素朴な原型でもあります。オイラー法やルンゲ・クッタ法は、同じ積分方程式を別の刻み方でたどる方法。

のように滑らかでない点の近くでは、解が消えるのではなく一意性のほうが先に崩れます[4]

参考

Andreas Seeger. *An existence and uniqueness theorem for differential equations*, Math 522. University of Wisconsin-Madison.
Robert Haller-Dintelmann. *Gewöhnliche Differentialgleichungen*, 4. Der Satz von Peano、5. Der Satz von Picard-Lindelöf. TU Darmstadt.
Émile Picard. *Mémoire sur la théorie des équations aux dérivées partielles et la méthode des approximations successives*. Journal de mathématiques pures et appliquées 6 (1890), 145-210.
Grant B. Gustafson. *Computing and Existence*, Differential Equations and Linear Algebra. University of Utah.
$dy/dx = 3y^{2/3}$、$y(0) = 0$ には解が無数にあります。$y$ について $|f(x,y_1)-f(x,y_2)| \leq L|y_1-y_2|$ が成り立てば、解は近傍でただ 1 本。傾き場の上を初期点が動く図と、$c$ をずらした解が何本も伸びる図で確かめました。リプシッツ条件が破れても存在だけは残る、というペアノの定理も置く。逐次近似で $e^x$ が 1 項ずつ組み上がる計算、$y^2$ の解が $x = 1$ で発散する例、存在区間 $h = \min(a, b/M)$ の見積もりまで。