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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 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]

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 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。

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

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 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、 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]

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]

の同次形。 と置くと分けられる形になります。
の型。 と置きます。
のベルヌーイ形。 と置きます。

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。

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 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 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] 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

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

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。 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
  • のみ
  • 定数解はない
__RESULT__

右辺を にする が定数解です。 より 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。

よくある誤り

で割ったまま先へ進むと、定数解を落とします。 の根を必ず調べ直します。
積分定数を片側にだけ付ければ足ります。両辺に付けても差が 1 つの定数にまとまるだけです。
対数から指数へ移すとき、絶対値の処理を飛ばすと符号を落とします。定数の符号へ吸収させると片付きます。
について解けない形を無理にほどく必要はありません。陰関数のままで答えになります。
右辺がなめらかでも、解が全区間で存在するとは限りません。定義される範囲は解いたあとに確かめます。
和の形 は変数分離形ではありません。分けられるのは積の形だけです。

参考文献

Separation of variables - Wikipedia(英語)
Trennung der Veränderlichen - Wikipedia(ドイツ語)
分离变量法 - 维基百科(中国語)
Ecuación diferencial ordinaria - Wikipedia(スペイン語)
Ordinary differential equation - Wikipedia(英語)
右辺が $x$ の関数と $y$ の関数の積に書ける 1 階方程式が変数分離形です。$dy$ と $dx$ を振り分けて両辺を積分するだけ。その振り分けは分数の約分ではなく、置換積分の省略記法になります。割った $g(y)$ が $0$ になる値では定数解が落ちるので、あとから拾い直す。定数解が平面を仕切って解の行き先を決める様子、陰関数のまま止めてよい場合、右辺がなめらかでも解が有限の $x$ で発散する例、ロジスティック方程式や冷却法則まで、計算問題つき。