微分方程式

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出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2022/05/26 07:07 UTC 版)

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タイプ

変数のタイプにより
常偏微分代数（英語版）積分微分分数階線型非線形
独立変数と従属変数（英語版）自律微分方程式複素 Coupled / Decoupled 完全（英語版）斉次（英語版） / 非斉次（英語版）
特徴
階数（英語版）作用素記法

数学の応用分野においてしばしば、異なる2つの変数の関係を調べることが行われる。2変数を対応付ける関数があらわになっていなくても、その導関数（の満たすべき方程式）を適当な仮定の下で定めることができ、そこから目的とする関数を探し出すことができる。

物理法則を記述する基礎方程式は、多くが時間微分、空間微分を含む微分方程式であり、物理学からの要請もあり微分方程式の解法には多くの関心が注がれてきた。

微分法

定義
導関数 (一般化（英語版）) 微分無限小関数の全
概念
微分の記法二階導関数三階導関数（英語版）変数変換（英語版）陰関数の微分 Related rates（英語版）テイラーの定理
法則と恒等式（英語版）
和（英語版）積合成冪（英語版）商一般ライプニッツファー・ディ・ブルーノの公式（英語版）

積分法

定義
積分一覧
不定積分積分 (広義) リーマン積分ルベーグ積分線積分複素線積分
道具
部分 Discs（英語版）円殻（バウムクーヘン）（英語版）置換 (三角置換（英語版）) 部分分数（英語版）順序（英語版）漸化式（英語版）

級数

収束判定法（英語版）
幾何 (算術幾何) 調和交代冪二項テイラー
項の極限（項判定法）（英語版）比冪根積分比較極限比較（英語版）交代級数（英語版）凝集ディリクレアーベル（英語版）

方程式論は解析学の中心的な分野で、フーリエ変換、ラプラス変換等は元々、微分方程式を解くために開発された手法である。また物理学における微分方程式の主要な問題は境界値問題、固有値問題である^[1]。

微分方程式は大きく線型微分方程式と非線型微分方程式に分類される。線形微分方程式の例として、例えばシュレーディンガー方程式が挙げられる。シュレーディンガー方程式は、量子系の状態の時間発展を記述する方法の一つとして広く用いられている。非線型微分方程式の例として、例えばナビエ–ストークス方程式（NS方程式）が挙げられる。NS方程式は流体の運動を記述する基本方程式であり、物理学の応用としても重要な方程式である。しかし、NS方程式の解の存在性は未解決問題でありミレニアム懸賞問題にも選ばれている。

その他、有名な微分方程式についてはCategory:微分方程式を参照

脚注

注釈

^ 英: order
^ 英: $n$ th order differential equation
^ 英: non-linear differential equation
^ 英: homogeneous linear differential equation
^ 英: inhomogeneous linear differential equation
^ 英: stochastic differential equation、SDE
^ この微分方程式の解として指数関数を定義する場合もある。その場合、 $y (0) = 1$ となる解 $y (x)$ を指数関数 $exp(x) (\equiv e x)$ とする。
^ この関係を示す際に、ラフな計算法として $d y, d x$ を微小な数として扱うことがある。つまり、
$\scriptstyle {\frac {\mathrm {d} y}{\mathrm {d} x}}=y$
の両辺に $d x / y$ を掛けて、
$\scriptstyle {\frac {\mathrm {d} y}{y}}=\mathrm {d} x$
とし、最後に積分記号 $\int$ を添える。
^ 対数関数が指数関数の逆関数であることを利用する。 $exp(ln y) = y .$
^ 解法： 一つの方法は次の自然対数の積分公式を利用する方法である。

$\scriptstyle \int {\frac {\mathrm {d} x'}{x'}}=\ln |x|+\mathrm {constant} .$

ある $x$ で $y$ が $0$ となるなら、

$\scriptstyle {\frac {\mathrm {d} y(x)}{\mathrm {d} x}}=0$

方程式を満たす解 $y$ は $0$ である。次に $y$ が $0$ とならない解を探すと、方程式は次のように変形できる。

$\scriptstyle {\frac {1}{y(x)}}{\frac {\mathrm {d} y(x)}{\mathrm {d} x}}=1.$

両辺を積分すれば、右辺は最初に示した積分と同じ形になる^{[注釈 8]}。

$\scriptstyle \int {\frac {1}{y'}}\,\mathrm {d} y'=\int 1\,\mathrm {d} x'.$

両辺の積分を計算すると方程式の解は指数関数になることが分かる^{[注釈 9]}。

$\scriptstyle y(x)=\mathrm {constant} \times \exp(x).$

その他の解法としては結局、指数関数か対数関数の定義に帰着させることになる。
^ 非自明な解を探しているので、任意の $λ$ に対して $f (x) = C exp(λx) \neq 0$ である。従って、
$\scriptstyle \left(\sum _{k=0}^{n}c_{k+1}\lambda ^{k}\right)C\exp(\lambda x)=0$
を満たす $λ$ はすべて
$\scriptstyle \sum _{k=0}^{n}c_{k+1}\lambda ^{k}=0$
を満たす。
^ 解の形として $f (x) = C (x)exp(λx)$ というものを仮定しても一般性は損なわれない。
^ $a \neq 0$ と $b \neq 0$ および $α$ と $β \neq 0$ は定数で、 $C 1, C 2$ は積分定数。

出典

^ ^a ^b ^c ^d ^e 長倉三郎ほか編、『岩波理化学辞典 Archived 2013年9月27日, at the Wayback Machine.』、岩波書店、1998年、項目「微分方程式」より。ISBN 4-00-080090-6
^ ^a ^b 長島隆廣『常微分方程式80余例とその厳密解』近代文芸社、2005年 ISBN 4-7733-7282-6. 国立国会図書館蔵書, 請求記号：MA117-H55（東京　本館書庫）
^ 長島隆廣［常微分方程式134例とその解］丸善出版サービスセンター，1982年5月発行，国立国会図書館・請求記号 MA117-111，全国書誌番号 82049441
^ 長島隆廣『常微分方程式80余例と求積法による解法』2018年12月 researchmap で公開，全編PDF： https://researchmap.jp/T_Nagashima または，https://researchmap.jp/multidatabases/multidatabase_contents/detail/263160/16f8fddfba5ab789f6475ac2962bfd31?frame_id=539358