直線をぜんぶ引くと曲線が残る - クレローの微分方程式と特異解
の一般解は です。傾きの違う直線が並んだだけのもの。
ところが という放物線も、この方程式を満たします。 にどんな数を入れても出てこない解です。
直線の族と、その族すべてに接する曲線。クレローの微分方程式では、この 2 つが同時に解になります[1]。
直線が並ぶ形
と置きます。クレローの微分方程式は次の形です[2]。
に掛かるのが そのもので、残りは だけの関数 。 と が絡み合う項がありません。
を定数 に固定すると になり、傾き で切片 の直線。 は傾きから切片を決める規則を持っているだけです。
微分すると 2 つに割れる
両辺を で微分します。左辺は 、右辺は積の微分と合成関数の微分で次のようになる。
両辺から が消えて、残るのは 1 つの積です。
積が なので、どちらかの因子が になる。この分岐がそのまま解の 2 系統に対応します[3]。
傾きが動かない。 で固定され、直線が 1 本ずつ出てくる
傾きが場所とともに変わる。曲線が 1 本だけ出てくる
どちらも捨てられません。片方だけを解と呼ぶと、方程式を満たす関数をとりこぼします。
一般解
なら です。もとの式に戻すと になる。
確かめは代入だけで済みます。 なので右辺は となり、左辺と一致する。
任意定数を 1 つ含んでいるので、1 階の方程式の一般解として過不足がありません[2]。
直線は 1 本ずつ独立に引かれているのに、下側だけがきれいに縁どられます。この縁が、もう一方の解です。
特異解
のほうを見ます。 を残したまま、 と を で表す。
は、もとの式 に を入れただけ。 をパラメータとする曲線が 1 本決まります。
これが特異解です。 に値を入れて作れる解ではありません[1]。
特異解が本当に解であること
パラメータ表示から傾きを計算します。 で微分すると次のようになる。
なら、割り算ができます。
この曲線の上では、傾きがちょうどパラメータ に等しい。あとは代入するだけです。
もとの方程式に戻りました。 が効いたのは、割り算の 1 か所だけ。
が 1 次式だと になり、この割り算が止まります。
そのときは特異解が現れない。あとの節で実際に確かめる。
包絡線として見る
曲線族 の包絡線は、 と から を消して求めます[4]。
一般解を と書けば、 での偏微分は次のとおり。
さきほど出た と同じ式です。特異解は直線族の包絡線にほかなりません。
包絡線の各点には、そこで接する直線が 1 本あります。だから同じ点を 2 つの解が通る。
例:
一般解は 。特異解は から 、つまり です。
に入れます。
放物線 が特異解になりました。検算すると で、。左辺に戻ります。
例:
符号を変えるだけで、放物線が上下ひっくり返ります。
の一般解は 。 なので です。
を入れて [4]。今度は放物線の内側を接線が埋めます。
例:円が出てくる
なので です。
2 乗して足すと が消えます。
半径 の円。一般解 は、この円の接線を傾きごとに並べたものです。

例:はしごが描く曲線
長さ の棒を、両端を 軸と 軸に付けたまま滑らせます。棒が通った跡の境目は、どんな曲線か。
切片を 、 とすると棒は で、長さの条件が です。
傾きが なので 。長さの条件に入れると から次が出ます。
棒の式は なので、 のクレロー型でした。
を計算して代入します。
乗して足すと、 がきれいに消えます。
アステロイドと呼ばれる曲線です。はしごを壁に立てかけて滑らせたとき、届かない隅の形がこれになります。
棒そのものが一般解の 1 本ずつ、隅を縁どる曲線が特異解です。
特異解が現れない形
と 1 次式にとると になります。
一般解は 、つまり 。どの直線も点 を通ります。
からは しか出てこず、 が決まらない。1 点に集まる束には、接する曲線がありません[1]。

が かどうかで、絵がここまで変わります。境目の曲線が出るか、1 点につぶれるか。
が真に曲がっている。 なら直線族は 1 点に集まらず、境目の曲線ができる
が 1 次式。 で直線族が束になり、包絡線が 1 点につぶれる
一意性が破れる場所
特異解の上に点をとると、そこを通る解が 2 つあります。包絡線そのものと、その点で接する直線。
初期値を包絡線の上に置いた問題は、解が 1 つに決まりません。ピカールの定理が使えない場所です。
方程式を について解くと、理由がはっきりします。 を の 2 次方程式と見ると次のとおり。
根号の中が になるのは 、つまり です。特異解と一致しました。
2 つの枝がここでくっつくので、右辺は について微分できなくなる。リプシッツ条件が壊れます[1]。
逆に作る
曲線が先にあるとき、その接線全体を表す方程式はクレロー型になります[1]。
放物線 の点 での接線は 。傾きを と書けば です。
代入して 。 のクレロー方程式でした。
特異解を計算すると から 、 となり、。もとの放物線に戻ります。
曲線を 1 本決める
各点の接線を傾きで表す
クレロー型の方程式が出る
特異解としてもとの曲線が戻る
例:解を全部書き出す
、 です。一般解は ()。
から とすると、 の範囲で次が出ます。
特異解は 、つまり の上半分です。 の符号を負にとれば下半分も出ます。
| 一般解 | 特異解 | |
|---|---|---|
の形が変わると特異解の姿も変わりますが、手順は 4 例とも同じでした。
検算のしかた
特異解を得たら、必ずもとの方程式に入れ直します。パラメータを消す途中で符号を落としやすいためです。
なら を作り、 を計算して に戻るかを見る。
接することも確かめられます。特異解の点 での傾きを とし、直線 がその点を通るかどうか。通れば包絡線です。
の特異解として正しいものはどれですか。
直線族を書き、その境目を探す。クレロー方程式の解き方は、この 2 段だけです。












f(p)=−p3 なので f′(p)=−3p2、x=3p2 です。y=xp−p3=3p3−p3=2p3 となり、p2=3x、p3=2y。2 つを組み合わせると (2y)2=(3x)3、つまり 27y2=4x3 になります。