変数分離形の解き方(dy と dx を分けてよい理由)
1 階の微分方程式のうち、右辺が だけの関数と だけの関数の積に書けるものを変数分離形といいます[1]。
を左へ、 を右へ振り分けて、それぞれ積分する。手数が少なく、解ける形のなかでいちばん基本になる型です。
分数のように扱ってよい理由
は分数ではありません。それなのに と を別々に動かせるのは、置換積分がその操作を裏づけているため[1]。
もとの式を と書き直し、両辺を で積分します。
左辺に置換積分の公式を当てると、 がまとめて に化ける[3]。
と を振り分ける操作は、この計算の省略記法。分数の約分をしているわけではありません。
例: を解く
右辺が と の積なので、変数分離形です。 として両辺を で割ります。
両辺を積分すると、左は対数、右は 次式になる。
指数をとって絶対値をはずします。符号は定数のほうへ吸収させる。
は 以外の任意の実数です。ここで を許すと、割るときに除いた もあわせて書ける。
割った先で解を落とす
で割った時点で、 となる を議論から外している。この値は定数関数として、もとの方程式の解になっている[2]。
なら を代入したとき、左辺は 、右辺も です。
だから変数分離形を解いたあとは、 の根をすべて調べ直す。積分で得た族に含まれていれば問題なく、含まれていなければ別に書き添える。
例:落とした解を拾う
を考えます。 の根は と 。
部分分数に分けて積分すると、次のロジスティック曲線が得られる[3]。
をどう選んでも にはなりません。一方 は で出てくる。
つまり落としたのは のほうだけです。定数解の一方が族に入り、もう一方が外に残る。この非対称は実際によく起きる。

定数解は仕切りになる
一意性が成り立つ範囲では、解曲線どうしが交わらない。定数解も 1 本の解なので、ほかの解はそれをまたげない[5]。
そのため定数解は平面を横帯に仕切ります。 から出発した解は、いつまでもその帯の中にとどまる。
この見方があると、解を書き下す前から振る舞いが読める。ロジスティック方程式なら へ近づくことが、図だけで分かる。
陰関数のままで止めてよい
積分した結果を について解けるとは限らない。解けないときは、 と の関係式のまま答えとします[4]。
無理に指数や対数をほどくと、場合分けが増えて式が汚れる。陰関数のままのほうが、方程式との対応も見える。
例:陰関数で書く
を解きます。 と分けて積分する。
整理すると で、原点を中心とする円の族です。
これを について解くと となり、符号の場合分けと定義域の制限が付いてくる。円のままにしておくほうが素直。
解が意味を持つ範囲
変数分離形は右辺が滑らかでも、解が有限の で発散することがある。定義される範囲は、解いたあとで確かめる[4]。
がその例です。 を積分して 、つまり になります。
なら で、。 で発散するので、この解は でしか意味を持たない。
一意性がいえる条件
変数分離形には、専用の存在と一意性の主張があります。 が連続で 、 が連続なら、 を満たす解はただ 1 つ[2]。
は が符号を変えないところで狭義単調なので、逆関数を持つ。
のときはこの議論が使えない。定数解 が解ですが、一意とは限らない。
例: を解く
は決して になりません。定数解を気にせず割れる、めずらしく楽な場合です。
左辺の積分は逆正接になる。
とすると なので です[2]。
正接が発散する手前までが、この解の生きている範囲。 から と分かる。
変数分離形に化ける形
そのままでは分けられなくても、置き換えで変数分離形になる型がある[4]。
置き換えで解ける範囲が広がるので、まず変数分離形を確実にしておくと後が楽。
問題 1:基本の分離
を、 のもとで解け。
解答 1
と分けて積分します。
、 を代入すると です。両辺を 倍して整理する。
初期条件の が正なので、正の平方根をとります。
根号の中が正である範囲、つまり が定義域になる。
問題 2:定数解を落とさない
の解をすべて求めよ。
解答 2
の根は です。まず として割ります。
積分して 、指数をとって次を得る。
を許せば もこの式に含まれる。定数解が族に吸収される、都合のよい場合。
を 以外に限る書き方をすると、 を書き落とします。
問題 3:陰関数で答える
を解け。
解答 3
と分けます。
左辺を について解く手立てがありません。この関係式が答えです。
陰関数のまま止めるのは手抜きではなく、初等関数で書けないものを無理に書かないという判断。
問題 4:ニュートンの冷却法則
室温 度の部屋で、 度のお湯が 分後に 度になった。温度 が に従うとして、 分後の温度を求めよ。
解答 4
と置くと になります。分離して解くと です。
初期値は なので 。 で から が出る。
答えは 度です。 の値を求めなくても、 をひとかたまりとして扱えば済む。
問題 5:ロジスティック方程式
を、 のもとで解け。
解答 5
として分離します。要点は、左辺を部分分数に分けるところ。
積分すると となる。指数をとって について解きます。
を大きくすると です[3]。 と が定数解で、この 2 本が解の行き先を仕切っている。
問題 6:定義域が切れる
を のもとで解き、解が意味を持つ範囲を答えよ。
解答 6
を積分すると です。
、 から となる。
となる で発散します。初期値を含む範囲は です。
問題 7:一意性が壊れる場所
、 について、解が 1 つに決まらない理由を述べ、解を 2 つ挙げよ。
解答 7
は で になるため、その点で割れない。一意性の条件が外れます。
定数解 が 1 つ目。分離して解くと から次が出る。
でこれも解で、 を満たします。 は でリプシッツ条件を満たさないので、同じ点から 2 本以上の解が出る。
の定数解として正しい組はどれか。
- のみ
- と
- のみ
- 定数解はない










右辺を 0 にする y が定数解です。y2−4=0 より y=±2 の 2 本。分離のときにこの 2 つで割るので、あとから拾い直す必要があります。