りんご220229 views
世界の国567435 views
高校倫理1444503 views
高校物理162509 views
高校国語790013 views
高校生物553211 views
英語617403 views
雑学1474218 views
中学社会670081 views
小学算数1203731 views
Help
Tools

English

楕円型・放物型・双曲型はどこで分かれるか|偏微分方程式の分類

偏微分方程式には、常微分方程式のような統一的な解法がありません。かわりに方程式を型に分け、型ごとに理論を組み立てる[1]。

分け方の軸は 2 つ。階数と線形性でまず分け、2 階線形についてはさらに楕円型・放物型・双曲型に分ける[2]。

後者は係数から計算できる 1 つの数で決まります。その数が判別式です。

最高階の導関数がどう現れるか

線形性の分け方は、最高階の導関数の現れ方で 4 段階になる[2]。

線形。未知関数とその導関数がすべて 1 次で、係数は場所だけの関数。
半線形。最高階だけが 1 次で、それより低い階には非線形が混ざる。
準線形。最高階も 1 次だが、その係数に未知関数や低階の導関数が入る。
完全非線形。最高階の導関数について非線形。

境目はいつも最高階のところにある。低い階が汚れていても、最高階が 1 次なら扱いは大きく変わらない。

例:4 段階を見分ける

代表的な方程式を並べます。 が未知関数です。

方程式分類
線形
半線形
準線形
完全非線形

3 番目のバーガース方程式は、 の係数が そのもの。最高階は 1 次でも、係数に未知関数が入るので準線形です。

4 番目のモンジュ・アンペール方程式では、2 階の導関数どうしが掛かっている[2]。ここまで来ると線形の理論は届かない。

判別式で 3 つに分かれる

2 階の線形偏微分方程式を、2 変数で次の形に書きます[4]。

型を決めるのは最高階の 3 項だけです。判別式を次で定めます。

なら楕円型、 なら放物型、 なら双曲型[1,4]。 以降の項は型に関わらない。

混合項の係数を と書いている点が落とし穴です。 ではなく と置く流儀なので、 の係数をそのまま に入れると符号や大きさがずれる。

名前は円錐曲線から借りている

楕円・放物・双曲という名前は、方程式の振る舞いを表したものではありません。同じ係数を持つ二次曲線の分類から借りた呼び名です。

が描く曲線は、 の符号で楕円・放物線・双曲線に分かれる。導関数を変数に置き換えると、そのまま対応が付く。

名前から解の性質を読もうとしても手がかりにならない。性質のほうは、型ごとに別に覚えることになる。

例:3 つの代表方程式を判定する

ラプラス方程式 では 、、 です。

楕円型と分かります。熱方程式 は、変数を と にとって と書く。

の項がないので で、、 です。

放物型になる。波動方程式 では 、、 です。

双曲型と決まります。3 つの代表例が 3 つの型にきれいに 1 つずつ対応している[4]。

係数行列の固有値で見る

判別式の言いかえとして、係数を対称行列に並べる見方がある[2]。 に対して次を作る。

なので、判別式のちょうど符号違いです。行列が正定値か負定値なら楕円型、特異なら放物型、不定符号なら双曲型になる。

固有値で言えば、すべて同符号なら楕円型、 つが で残りが同符号なら放物型、 つだけ符号が違うなら双曲型。この形なら 3 変数以上へそのまま伸びる。

例:3 変数の方程式を判定する

を考えます。係数行列は対角行列で、成分は 、、。

固有値のうち つだけ符号が違うので双曲型です。 を時刻と読めば、これは 2 次元の波動方程式そのもの。

なら固有値がすべて で楕円型。3 次元のラプラス方程式にあたる。

型は場所によって変わる

係数が定数とは限らない。、、 が場所の関数なら、判別式も場所の関数になる[2]。

トリコミ方程式 がその例です。、、 なので 。

上半平面では楕円型、下半平面では双曲型、 の直線上だけ放物型になる。1 つの方程式が場所によって顔を変える。

特性曲線の本数で言いかえる

同じ 3 分類を、特性曲線の本数で述べることもできる。特性曲線とは、その上で偏微分方程式が常微分方程式に化ける曲線のこと[5]。

2 階の場合、特性曲線の傾き は次の 2 次方程式で決まる。

解の公式から です。根号の中身が、そのまま判別式になっている。

だから実数の特性曲線は、双曲型で 2 系統、放物型で 1 系統、楕円型では存在しない。判別式の 3 つの場合が、根の個数の 3 つの場合に対応する。

型ごとに解の性格が違う

双曲型では、初期条件の飛びが特性曲線に沿って先まで運ばれる[1]。角のある波はいつまでも角を保つ。

放物型と楕円型では逆に、解がなめらかになる。熱方程式に角のある初期温度を与えても、次の瞬間には丸まっている[3]。

双曲型

不連続が消えずに伝わる。情報が有限の速さで進み、影響が届く範囲が特性曲線で区切られる。

放物型と楕円型

解がただちになめらかになる。熱方程式では影響が形のうえでは瞬時に全体へ広がる。

この違いは数値計算の作り方にも響く。双曲型では流れの向きに合わせた差分をとり、楕円型では領域全体を一度に解く。

型に合う条件を選ぶ

条件の与え方も型で決まります。楕円型は時間を含まない定常問題なので、境界の全周で値を指定する境界値問題になる[3]。

放物型と双曲型には時間方向があるため、初期条件と境界条件を組み合わせる。熱方程式なら初期温度と両端の温度、波動方程式なら初期の形と初速。

組み合わせを誤ると、解が存在しなかったり、条件の小さな誤差が解を大きく揺らしたりする。適切に立っている問題という言い方は、この不都合を除くための条件です[1]。

問題 1:判別式で型を答える

次の 4 つの型を判定せよ。

。
。
。
。

解答 1

1 番目は なので 、、 です。 で放物型。

2 番目は 、、 となり 。双曲型です。

3 番目は から で、。楕円型になる。

4 番目は 、 です。 で双曲型。 の一般解が と 2 本の任意関数で書ける形も、双曲型らしい振る舞いです。

問題 2:混合項の係数に気をつける

の型を判定せよ。

解答 2

なので です。、。

双曲型になります。 と読み違えると となり、型の判定自体は変わりませんが値が合わない。

なら で 、楕円型です。混合項を と置いたことを忘れると、ここで結論が反転する。

問題 3:型が変わる方程式

について、平面のどこがどの型になるかを述べよ。

解答 3

、、 なので です。

では で楕円型、 では で双曲型になる。 の直線上が放物型です。

トリコミ方程式の を に置き換えた形。境目が縦の直線に変わっただけで、構造は同じです。

問題 4:特性曲線を求める

の特性曲線を求めよ。

解答 4

、、 です。特性方程式は 。

積分すると と の 2 系統が出ます。 の双曲型なので、実の特性が 2 本という結論と合う。

この 2 方向に沿って、波が形を保ったまま進む。

問題 5:線形性の段階を答える

次の 3 つを、線形・半線形・準線形・完全非線形のどれかに分けよ。

。
。
。

解答 5

1 番目は線形です。 と 、 がすべて 1 次で、係数は定数。

2 番目は半線形になる。最高階の と は 1 次のままで、非線形は右辺の にしかありません。

3 番目は準線形です。最高階は と で、どちらも 1 次。ただし係数に と が入っています。

問題 6:条件の組み合わせを選ぶ

正方形の領域でラプラス方程式 を解くとき、初期条件と境界条件のどちらが適切かを述べよ。

解答 6

境界条件が適切です。楕円型には時間方向がなく、 を時刻と読む理由がありません。

四辺すべてで値を指定すると、内部の解が 1 つに決まる。これがディリクレ問題。

いっぽう 1 辺で と を与える初期値問題にすると、条件のわずかな違いが解を大きく変える。アダマールが挙げた不適切な問題の代表例です[1]。

の型はどれか。

  • 楕円型
  • 放物型
  • 双曲型
  • 場所によって変わる
__RESULT__

混合項の係数が なので 、そして です。 で放物型になります。 の項は最高階ではないため、型の判定には関わりません。

よくある誤り

判別式を の形で覚えていると外します。偏微分方程式では混合項を と置き、 を使います。
1 階や 3 階の項を判別式に入れてはいけません。型を決めるのは最高階の 3 項だけです。
型の名前から解の性質は読めません。円錐曲線の分類から借りた名前にすぎません。
係数が変わる方程式で、型が全平面で同じだと思い込むと誤ります。場所ごとに判別式を計算します。
楕円型に初期値問題を課すと、適切な問題になりません。境界の全周で条件を与えます。
双曲型でも解がなめらかになる、とは言えません。初期条件の飛びは特性曲線に沿って残ります。

参考文献

Partial differential equation - Wikipedia(英語)
Partielle Differentialgleichung - Wikipedia(ドイツ語)
Équation aux dérivées partielles - Wikipédia(フランス語)
偏微分方程 - 维基百科(中国語)
Method of characteristics - Wikipedia(英語)
偏微分方程式に共通の解法はなく、型に分けてから理論を当てます。線形・半線形・準線形・完全非線形の境目は、いつも最高階の導関数のところ。2 階線形なら、混合項を $2B$ と書いたときの $B^2 - AC$ の符号だけで 3 つの型が決まる。名前は円錐曲線から借りたもので、解の性質のほうは型ごとに別に覚えることになります。係数行列の固有値で言いかえる見方、場所によって型が変わるトリコミ方程式、特性曲線の本数との対応まで、計算問題つき。