§E13.24境界値問題

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微分方程式の解を選ぶための条件は、一つの点にまとめて与えられるとは限らない。区間の左端と右端でそれぞれ条件を課すとき、左端の条件を満たして出発した解が右端の条件も満たすか、さらに、そのような解が一つに定まるかが問題になる。

たとえば、L>0L>0とし、y′′+λy=0y''+\lambda y=0にy(0)=y(L)=0y(0)=y(L)=0を課すと、非零解が存在するのは特定のλ\lambdaに限られる。両端の条件により、解が選ばれるだけでなく、方程式に含まれるパラメータが選び出されることもある。

本記事では、二点境界値問題の解が一意に存在するための条件を斉次問題の解によって述べ、その条件の下で解を Green 関数による積分で表す。

1 初期値問題と二点境界値問題

定義 1.1.a<ba<bとし、P,Q,f:[a,b]→RP,Q,f:[a,b]\to\Rを連続関数とする。実数αa,βa,αb,βb\alpha_a,\beta_a,\alpha_b,\beta_bに対し、

y′′+P(x)y′+Q(x)y=f(x)y''+P(x)y'+Q(x)y=f(x)(1.1.1)\text{(1.1.1)}

に対して

Ba[y]=αay(a)+βay′(a)=0,Bb[y]=αby(b)+βby′(b)=0\begin{aligned} B_a[y]&=\alpha_a y(a)+\beta_a y'(a)=0,\\ B_b[y]&=\alpha_b y(b)+\beta_b y'(b)=0 \end{aligned}(1.1.2)\text{(1.1.2)}

を課す。ここで

(αa,βa)≠(0,0),(αb,βb)≠(0,0)(\alpha_a,\beta_a)\ne(0,0),\qquad (\alpha_b,\beta_b)\ne(0,0)

とする。式 (1.1.1)と式 (1.1.2)を満たすy∈C2([a,b];R)y\in C^2([a,b];\R)を求める問題を斉次分離型二点境界値問題 (two-point boundary value problem with homogeneous separated boundary conditions) という。端点の導関数は片側導関数とする。境界条件が斉次であるという語は式 (1.1.2)の右辺が零であることを指し、微分方程式の右辺ffは零でなくてもよい。

斉次方程式y′′+Py′+Qy=0y''+Py'+Qy=0の初期値問題ではy(a)y(a)とy′(a)y'(a)を指定するので、初期値写像の同型§E13.9 定理 5.2により、解がただ一つ存在する。一方、境界値問題では、Ba[y]=0B_a[y]=0を満たす初期値(y(a),y′(a))(y(a),y'(a))の全体はR2\R^2の一次元部分空間である。そのため、この部分空間に初期値をもつ解のうち、右端条件Bb[y]=0B_b[y]=0も満たすものがあるかを調べる必要がある。

命題 1.2.a<ba<b、P,Q,f∈C([a,b];R)P,Q,f\in C([a,b];\R)とし、実数の組(αa,βa)(\alpha_a,\beta_a)、(αb,βb)(\alpha_b,\beta_b)はいずれも(0,0)(0,0)でないとする。C2([a,b];R)C^2([a,b];\R)上の微分作用素を

L[y]=y′′+Py′+QyL[y]=y''+Py'+Qy

とし、斉次境界値問題

L[y]=0,Ba[y]=Bb[y]=0L[y]=0,\qquad B_a[y]=B_b[y]=0(1.2.1)\text{(1.2.1)}

を満たすy∈C2([a,b];R)y\in C^2([a,b];\R)の全体をNNとする。このとき、式 (1.1.1)、式 (1.1.2)が解ypy_pをもつならば、その解の全体は{yp+yh∣yh∈N}\{y_p+y_h\mid y_h\in N\}であり、各解yyに対してy=yp+yhy=y_p+y_hを満たすyh∈Ny_h\in Nはただ一つである。特に、N={0}N=\{0\}ならば解は高々一つである。NNが零でない元yhy_hをもち、解ypy_pが存在するならば、任意のC∈RC\in\Rに対してyp+Cyhy_p+Cy_hも解であり、解は一意でない。

証明.yyを解とすると、線形性によりL[y−yp]=0L[y-y_p]=0、Ba[y−yp]=Bb[y−yp]=0B_a[y-y_p]=B_b[y-y_p]=0であるから、y−yp∈Ny-y_p\in Nである。逆に、yh∈Ny_h\in Nならば、線形性により

L[yp+yh]=f,Ba[yp+yh]=Bb[yp+yh]=0L[y_p+y_h]=f,\qquad B_a[y_p+y_h]=B_b[y_p+y_h]=0

である。y=yp+yhy=y_p+y_hを満たすyhy_hはy−ypy-y_pに限る。N={0}N=\{0\}ならば、二つの解y,y~y,\tilde yについてy−y~∈Ny-\tilde y\in Nであるからy=y~y=\tilde yである。零でないyh∈Ny_h\in NとC∈RC\in\RについてCyh∈NCy_h\in Nであるから、yp+Cyhy_p+Cy_hは解であり、CCが異なれば解も異なる。▨

2 固有値問題

定義 2.1.a<ba<b、Λ⊆C\Lambda\subseteq\Cとする。各λ∈Λ\lambda\in\Lambdaに対して、Pλ,Qλ∈L1([a,b];C)P_\lambda,Q_\lambda\in L^1([a,b];\C)と、いずれも(0,0)(0,0)でない複素数の組(αa(λ),βa(λ))(\alpha_a(\lambda),\beta_a(\lambda))、(αb(λ),βb(λ))(\alpha_b(\lambda),\beta_b(\lambda))が与えられているとし、

Lλ[y]=y′′+Pλy′+Qλy,Ba,λ[y]=αa(λ)y(a)+βa(λ)y′(a),Bb,λ[y]=αb(λ)y(b)+βb(λ)y′(b)L_\lambda[y]=y''+P_\lambda y'+Q_\lambda y,\qquad B_{a,\lambda}[y]=\alpha_a(\lambda)y(a)+\beta_a(\lambda)y'(a),\qquad B_{b,\lambda}[y]=\alpha_b(\lambda)y(b)+\beta_b(\lambda)y'(b)

とおく。λ∈Λ\lambda\in\Lambdaについて、y∈C1([a,b];C)y\in C^1([a,b];\C)、y′∈AC([a,b];C)y'\in AC([a,b];\C)であって

Lλ[y]=0ほとんど至る所,Ba,λ[y]=Bb,λ[y]=0L_\lambda[y]=0\quad\text{ほとんど至る所},\qquad B_{a,\lambda}[y]=B_{b,\lambda}[y]=0

を満たす零でないyyが存在するとき、λ\lambdaをこの問題の固有値 (eigenvalue of a boundary value problem) といい、そのような零でないyyをλ\lambdaに属する固有関数 (eigenfunction of a boundary value problem) という。

例 2.2.L>0L>0とし、実数λ\lambdaをパラメータとする問題

y′′+λy=0,y(0)=y(L)=0y''+\lambda y=0,\qquad y(0)=y(L)=0

を考える。

μ>0\mu>0によってλ=μ2\lambda=\mu^2と書くとき、一般解は

y=Acos⁡(μx)+Bsin⁡(μx)y=A\cos(\mu x)+B\sin(\mu x)

である。y(0)=0y(0)=0からA=0A=0である。したがって、非零解が存在するための条件はsin⁡(μL)=0\sin(\mu L)=0である。μ>0\mu>0であるから、この条件はμL∈{nπ∣n=1,2,…}\mu L\in\{n\pi\mid n=1,2,\ldots\}と同値である。したがって、正の固有値は

λn=(nπL)2,n=1,2,…\lambda_n=\left(\frac{n\pi}{L}\right)^2,\qquad n=1,2,\ldots

であり、λn\lambda_nに属する固有関数は

yn(x)=sin⁡(nπxL)y_n(x)=\sin\left(\frac{n\pi x}{L}\right)

の零でない定数倍である。

λ=0\lambda=0ではy=A+Bxy=A+Bxであり、二つの境界条件からA=B=0A=B=0となる。μ>0\mu>0によってλ=−μ2\lambda=-\mu^2と書くとき、

y=Acosh⁡(μx)+Bsinh⁡(μx)y=A\cosh(\mu x)+B\sinh(\mu x)

である。y(0)=0y(0)=0からA=0A=0、y(L)=0y(L)=0とsinh⁡(μL)>0\sinh(\mu L)>0からB=0B=0となる。したがって、零または負の固有値は存在しない。

3 Green 関数の構成

定義 3.1.a<ba<b、P,Q∈L1([a,b];R)P,Q\in L^1([a,b];\R)、f∈L1([a,b];C)f\in L^1([a,b];\C)とし、実数の組(αa,βa)(\alpha_a,\beta_a)、(αb,βb)(\alpha_b,\beta_b)はいずれも(0,0)(0,0)でないとする。aaで右側微分可能な関数y:[a,b]→Cy:[a,b]\to\Cに対して

Ba[y]=αay(a)+βay′(a)B_a[y]=\alpha_a y(a)+\beta_a y'(a)

とおき、bbで左側微分可能な関数y:[a,b]→Cy:[a,b]\to\Cに対して

Bb[y]=αby(b)+βby′(b)B_b[y]=\alpha_b y(b)+\beta_b y'(b)

とおく。ここでy′(a)y'(a)は右側微分係数、y′(b)y'(b)は左側微分係数である。y∈C1([a,b];C)y\in C^1([a,b];\C)、y′∈AC([a,b];C)y'\in AC([a,b];\C)であって

y′′+Py′+Qy=fほとんど至る所,Ba[y]=Bb[y]=0y''+Py'+Qy=f\quad\text{ほとんど至る所},\qquad B_a[y]=B_b[y]=0

を満たすyyを求める問題を可積分係数の斉次分離型二点境界値問題 (two-point boundary value problem with integrable coefficients and homogeneous separated boundary conditions) といい、このようなyyをその解という。f=0f=0の場合の解の全体を、この問題の境界核 (boundary kernel) という。

補題 3.2.a<ba<b、P,Q∈L1([a,b];R)P,Q\in L^1([a,b];\R)とし、実数の組(αa,βa)(\alpha_a,\beta_a)、(αb,βb)(\alpha_b,\beta_b)はいずれも(0,0)(0,0)でないとする。このとき、w∈C1([a,b];R)w\in C^1([a,b];\R)、w′∈AC([a,b];R)w'\in AC([a,b];\R)であってほとんど至る所でw′′+Pw′+Qw=0w''+Pw'+Qw=0を満たすwwのうち、

u(a)=βa,u′(a)=−αa,v(b)=βb,v′(b)=−αbu(a)=\beta_a,\qquad u'(a)=-\alpha_a,\qquad v(b)=\beta_b,\qquad v'(b)=-\alpha_b

を満たすu,vu,vがそれぞれただ一つ存在する。u,vu,vは零関数でなく、Ba[u]=Bb[v]=0B_a[u]=B_b[v]=0を満たす。さらに、W=uv′−u′vW=uv'-u'vについて、次の三条件は同値である。

  1. この分離型二点境界値問題の境界核は自明である。
  2. あるx0∈[a,b]x_0\in[a,b]でW(x0)≠0W(x_0)\ne0である。
  3. 任意のx∈[a,b]x\in[a,b]でW(x)≠0W(x)\ne0である。

証明.§E13.9 命題 4.1をn=2n=2、K=R\mathbb K=\R、I=[a,b]I=[a,b]とし、基点aaとbbに適用すると、u,vu,vがそれぞれただ一つ存在する。初期値(βa,−αa)(\beta_a,-\alpha_a)、(βb,−αb)(\beta_b,-\alpha_b)は零でないので、u,vu,vは零関数でない。また、

Ba[u]=αaβa−βaαa=0,Bb[v]=αbβb−βbαb=0,W(a)=αav(a)+βav′(a)=Ba[v],W(b)=−αbu(b)−βbu′(b)=−Bb[u]\begin{aligned} B_a[u]&=\alpha_a\beta_a-\beta_a\alpha_a=0,& B_b[v]&=\alpha_b\beta_b-\beta_b\alpha_b=0,\\ W(a)&=\alpha_av(a)+\beta_av'(a)=B_a[v],& W(b)&=-\alpha_bu(b)-\beta_bu'(b)=-B_b[u] \end{aligned}

である。

(1)⇒\Rightarrow(2)を示す。境界核が自明であるとする。vvは零関数でないから、境界核に属さない。Bb[v]=0B_b[v]=0であるから、Ba[v]≠0B_a[v]\ne0である。したがってW(a)=Ba[v]≠0W(a)=B_a[v]\ne0である。

(2)⇒\Rightarrow(3)は、§E13.9 命題 5.5をu,vu,vとt0=x0t_0=x_0に適用すれば従う。

(3)⇒\Rightarrow(1)を示す。WWが全点で零でないとする。u,vu,vはK=C\mathbb K=\Cの斉次方程式の解でもあるので、§E13.9 命題 5.5により、その解空間の基本解系である。境界核の元yyを取ると、c1,c2∈Cc_1,c_2\in\Cが存在してy=c1u+c2vy=c_1u+c_2vである。Ba[u]=Bb[v]=0B_a[u]=B_b[v]=0から

0=Ba[y]=c2Ba[v]=c2W(a),0=Bb[y]=c1Bb[u]=−c1W(b)0=B_a[y]=c_2B_a[v]=c_2W(a),\qquad 0=B_b[y]=c_1B_b[u]=-c_1W(b)

であり、W(a)≠0W(a)\ne0、W(b)≠0W(b)\ne0であるからc1=c2=0c_1=c_2=0、すなわちy=0y=0である。▨

定義 3.3.a<ba<b、P,Q∈L1([a,b];R)P,Q\in L^1([a,b];\R)とし、実数の組(αa,βa)(\alpha_a,\beta_a)、(αb,βb)(\alpha_b,\beta_b)はいずれも(0,0)(0,0)でないとする。この分離型二点境界値問題の境界核が自明であるとし、u,vu,vを補題 3.2のu,vu,v、W=uv′−u′vW=uv'-u'vとする。同補題によりWWは[a,b][a,b]の全点で零でない。

G(x,s)={u(x)v(s)W(s),a≤x≤s≤b,u(s)v(x)W(s),a≤s≤x≤bG(x,s)= \begin{cases} \dfrac{u(x)v(s)}{W(s)},&a\le x\le s\le b,\\[3mm] \dfrac{u(s)v(x)}{W(s)},&a\le s\le x\le b \end{cases}(3.3.1)\text{(3.3.1)}

で定める関数G:[a,b]2→RG:[a,b]^2\to\Rを、この問題のGreen 関数 (Green's function) という。

定理 3.4.a<ba<b、P,Q∈L1([a,b];R)P,Q\in L^1([a,b];\R)とし、実数の組(αa,βa)(\alpha_a,\beta_a)、(αb,βb)(\alpha_b,\beta_b)はいずれも(0,0)(0,0)でないとする。この分離型二点境界値問題の境界核は自明であるとし、補題 3.2のu,vu,vとW=uv′−u′vW=uv'-u'vによる Green 関数をGGとする。このとき、GGは[a,b]2[a,b]^2上で連続である。x≠sx\ne sのとき、G( ⋅ ,s)G(\,\cdot\,,s)はxxで微分可能であり(x∈{a,b}x\in\{a,b\}では片側微分可能であり)、その微分係数は

∂xG(x,s)={u′(x)v(s)W(s),x<s,u(s)v′(x)W(s),s<x\partial_xG(x,s)= \begin{cases} \dfrac{u'(x)v(s)}{W(s)},&x<s,\\[3mm] \dfrac{u(s)v'(x)}{W(s)},&s<x \end{cases}

である。任意のs∈(a,b)s\in(a,b)に対して

∂xG(s+0,s)−∂xG(s−0,s)=1,Ba[G( ⋅ ,s)]=Bb[G( ⋅ ,s)]=0\partial_xG(s+0,s)-\partial_xG(s-0,s)=1,\qquad B_a[G(\,\cdot\,,s)]=B_b[G(\,\cdot\,,s)]=0

が成り立つ。ここで∂xG(s±0,s)\partial_xG(s\pm0,s)はx→s±0x\to s\pm0の極限であり、境界形式はGGの第一変数に作用する。

さらに、任意のf∈L1([a,b];C)f\in L^1([a,b];\C)に対して、この境界値問題の解yyがただ一つ存在し、すべてのx∈[a,b]x\in[a,b]で

y(x)=∫abG(x,s)f(s) ds,y′(x)=∫ab∂xG(x,s)f(s) dsy(x)=\int_a^bG(x,s)f(s)\,ds,\qquad y'(x)=\int_a^b\partial_xG(x,s)f(s)\,ds

が成り立つ。端点x∈{a,b}x\in\{a,b\}のy′(x)y'(x)は片側導関数である。ffをほとんど至る所で一致する関数に替えてもyyは変わらない。ffがほとんど至る所で実数値ならばyyは実数値である。P,Q,fP,Q,fが連続ならばy∈C2([a,b];C)y\in C^2([a,b];\C)であり、微分方程式は全点で成り立つ。

証明.補題 3.2によりWWは[a,b][a,b]の全点で零でない。u,v,Wu,v,Wは連続であるから、GGの二つの枝u(x)v(s)/W(s)u(x)v(s)/W(s)、u(s)v(x)/W(s)u(s)v(x)/W(s)は[a,b]2[a,b]^2上で連続であり、対角線x=sx=sの上で一致する。したがってGGは[a,b]2[a,b]^2上で連続である。s∈[a,b]s\in[a,b]を固定すると、G( ⋅ ,s)G(\,\cdot\,,s)は[a,s][a,s]の上でuuのv(s)/W(s)v(s)/W(s)倍であり、[s,b][s,b]の上でvvのu(s)/W(s)u(s)/W(s)倍であるから、∂xG\partial_xGの表示を得る。s∈(a,b)s\in(a,b)ならば

∂xG(s+0,s)−∂xG(s−0,s)=u(s)v′(s)−u′(s)v(s)W(s)=1\partial_xG(s+0,s)-\partial_xG(s-0,s)=\frac{u(s)v'(s)-u'(s)v(s)}{W(s)}=1

であり、G( ⋅ ,s)G(\,\cdot\,,s)はaaの近傍でuuの定数倍、bbの近傍でvvの定数倍であるから、

Ba[G( ⋅ ,s)]=v(s)W(s)Ba[u]=0,Bb[G( ⋅ ,s)]=u(s)W(s)Bb[v]=0B_a[G(\,\cdot\,,s)]=\frac{v(s)}{W(s)}B_a[u]=0,\qquad B_b[G(\,\cdot\,,s)]=\frac{u(s)}{W(s)}B_b[v]=0

である。

f∈L1([a,b];C)f\in L^1([a,b];\C)を取る。1/W1/Wは連続であるからuf/Wuf/W、vf/Wvf/Wは可積分であり、

I1(x)=∫axu(s)f(s)W(s) ds,I2(x)=∫xbv(s)f(s)W(s) ds,y=vI1+uI2I_1(x)=\int_a^x\frac{u(s)f(s)}{W(s)}\,ds,\qquad I_2(x)=\int_x^b\frac{v(s)f(s)}{W(s)}\,ds,\qquad y=vI_1+uI_2

とおくと、GGの定義により、すべてのx∈[a,b]x\in[a,b]でy(x)=∫abG(x,s)f(s) dsy(x)=\int_a^bG(x,s)f(s)\,dsである。u,vu,vはK=C\mathbb K=\Cの斉次方程式の解でもあり、§E13.9 命題 5.5により、その解空間の基本解系である。§E13.11 系 5.1をK=C\mathbb K=\C、I=[a,b]I=[a,b]、y1=uy_1=u、y2=vy_2=v、t0=at_0=a、R=fR=fとして適用すると、

yp(x)=−u(x)∫axv(s)f(s)W(s) ds+v(x)I1(x)=y(x)−I2(a)u(x)y_p(x)=-u(x)\int_a^x\frac{v(s)f(s)}{W(s)}\,ds+v(x)I_1(x)=y(x)-I_2(a)u(x)

はC1C^1級であり、yp′y_p'は絶対連続であり、ほとんど至る所でyp′′+Pyp′+Qyp=fy_p''+Py_p'+Qy_p=fを満たす。uuは斉次方程式の解であるから、y=yp+I2(a)uy=y_p+I_2(a)uもC1C^1級であり、y′y'は絶対連続であり、ほとんど至る所でy′′+Py′+Qy=fy''+Py'+Qy=fを満たす。

§E13.2 定理 2.5によりI1,I2I_1,I_2は絶対連続であり、§E13.2 系 2.7 (2)によりu,vu,vは絶対連続である。§E13.2 定理 3.1 (2)によりyyは絶対連続であり、ほとんど至る所で

y′=v′I1+vufW+u′I2−uvfW=v′I1+u′I2y'=v'I_1+v\frac{uf}{W}+u'I_2-u\frac{vf}{W}=v'I_1+u'I_2

である。右辺は連続であるから、§E13.2 系 2.7 (1)により、端点の片側導関数を含めて全点でy′=v′I1+u′I2y'=v'I_1+u'I_2が成り立つ。∂xG\partial_xGの表示により、右辺はすべてのx∈[a,b]x\in[a,b]で∫ab∂xG(x,s)f(s) ds\int_a^b\partial_xG(x,s)f(s)\,dsに等しい。

I1(a)=I2(b)=0I_1(a)=I_2(b)=0であるから

y(a)=I2(a)u(a),y′(a)=I2(a)u′(a),y(b)=I1(b)v(b),y′(b)=I1(b)v′(b)\begin{aligned} y(a)&=I_2(a)u(a),&y'(a)&=I_2(a)u'(a),\\ y(b)&=I_1(b)v(b),&y'(b)&=I_1(b)v'(b) \end{aligned}

であり、Ba[y]=I2(a)Ba[u]=0B_a[y]=I_2(a)B_a[u]=0、Bb[y]=I1(b)Bb[v]=0B_b[y]=I_1(b)B_b[v]=0である。したがってyyは解である。二つの解の差は境界核に属するので零であり、解は一意である。

ffをほとんど至る所で一致する関数に替えてもI1,I2I_1,I_2は変わらないので、yyは変わらない。u,v,Wu,v,Wは実数値であるから、ffがほとんど至る所で実数値ならばI1,I2I_1,I_2は実数値であり、yyは実数値である。P,Q,fP,Q,fが連続ならば、§E13.9 系 4.3をn=2n=2、K=C\mathbb K=\C、I=[a,b]I=[a,b]、p1=Pp_1=P、p0=Qp_0=Q、r=fr=fとして適用すると、y∈C2([a,b];C)y\in C^2([a,b];\C)であり、y′′+Py′+Qy=fy''+Py'+Qy=fは全点で成り立つ。▨

例 3.5.[0,1][0,1]上でf(x)=1f(x)=1(1/2<x≤11/2<x\le1)、f(x)=0f(x)=0(0≤x≤1/20\le x\le1/2)とし、y′′=fy''=f、y(0)=y(1)=0y(0)=y(1)=0を考える。この問題はP=Q=0P=Q=0、(α0,β0)=(α1,β1)=(1,0)(\alpha_0,\beta_0)=(\alpha_1,\beta_1)=(1,0)の場合であり、補題 3.2のu,vu,vはu(x)=−xu(x)=-x、v(x)=1−xv(x)=1-xであり、W=1W=1である。WWは零でないので、同補題により境界核は自明である。定理 3.4により、一意解は

y(x)=∫1/21G(x,s) ds={−x/8,0≤x≤1/2,−x/8+(x−1/2)2/2,1/2≤x≤1y(x)=\int_{1/2}^1G(x,s)\,ds =\begin{cases} -x/8,&0\leq x\leq1/2,\\[1mm] -x/8+(x-1/2)^2/2,&1/2\leq x\leq1 \end{cases}

である。実際、x≤1/2x\leq1/2では積分は−x∫1/21(1−s) ds=−x/8-x\int_{1/2}^1(1-s)\,ds=-x/8であり、x≥1/2x\geq1/2では−(1−x)∫1/2xs ds−x∫x1(1−s) ds=−x/8+(x−1/2)2/2-(1-x)\int_{1/2}^x s\,ds-x\int_x^1(1-s)\,ds=-x/8+(x-1/2)^2/2となる。導関数は左側で−1/8-1/8、右側で−1/8+x−1/2-1/8+x-1/2であるから、y∈C1y\in C^1かつy′∈ACy'\in ACである。一方、y′y'の左右の微分係数はx=1/2x=1/2でそれぞれ00と11であるから、yyはその点で二回微分可能でない。

4 連続係数の場合

補題 4.1.a<ba<b、P,Q∈C([a,b];R)P,Q\in C([a,b];\R)とする。このとき、次が成り立つ。

  1. f∈C([a,b];C)f\in C([a,b];\C)とし、y∈C1([a,b];C)y\in C^1([a,b];\C)、y′∈AC([a,b];C)y'\in AC([a,b];\C)がほとんど至る所でy′′+Py′+Qy=fy''+Py'+Qy=fを満たすとする。このとき、y∈C2([a,b];C)y\in C^2([a,b];\C)であり、y′′+Py′+Qy=fy''+Py'+Qy=fは[a,b][a,b]の全点で成り立つ。
  2. 実数の組(αa,βa)(\alpha_a,\beta_a)、(αb,βb)(\alpha_b,\beta_b)はいずれも(0,0)(0,0)でないとする。このとき、この分離型二点境界値問題の境界核は、式 (1.2.1)を満たすy1,y2∈C2([a,b];R)y_1,y_2\in C^2([a,b];\R)によるy1+iy2y_1+iy_2の全体である。特に、境界核が自明であることと、式 (1.2.1)を満たすy∈C2([a,b];R)y\in C^2([a,b];\R)が零関数だけであることは同値である。

証明.主張 (1)を示す。§E13.9 系 4.3をn=2n=2、K=C\mathbb K=\C、I=[a,b]I=[a,b]、p1=Pp_1=P、p0=Qp_0=Q、r=fr=fとして適用すると、y∈C2([a,b];C)y\in C^2([a,b];\C)であり、y′′+Py′+Qy=fy''+Py'+Qy=fは全点で成り立つ。

主張 (2)を示す。yyを境界核の元とする。ℜy\Re y、ℑy\Im yはC1([a,b];R)C^1([a,b];\R)に属し、その導関数は絶対連続である。P,QP,Qと境界係数は実数であるから、ℜy\Re y、ℑy\Im yはほとんど至る所で斉次方程式を満たし、Ba[ℜy]=Bb[ℜy]=0B_a[\Re y]=B_b[\Re y]=0、Ba[ℑy]=Bb[ℑy]=0B_a[\Im y]=B_b[\Im y]=0を満たす。主張 (1)をf=0f=0として適用すると、両者は式 (1.2.1)を満たすC2([a,b];R)C^2([a,b];\R)の関数である。逆に、式 (1.2.1)を満たすy1,y2∈C2([a,b];R)y_1,y_2\in C^2([a,b];\R)について、§E13.9 系 4.3をn=2n=2、K=R\mathbb K=\R、I=[a,b]I=[a,b]、p1=Pp_1=P、p0=Qp_0=Q、r=0r=0として適用すると、y1′,y2′y_1',y_2'は絶対連続であり、y1,y2y_1,y_2はほとんど至る所で斉次方程式を満たす。したがってy1+iy2y_1+iy_2は境界核に属する。▨

補題 4.2.a<ba<b、P,Q∈C([a,b];R)P,Q\in C([a,b];\R)とし、実数の組(αa,βa)(\alpha_a,\beta_a)、(αb,βb)(\alpha_b,\beta_b)はいずれも(0,0)(0,0)でないとする。L[w]=w′′+Pw′+QwL[w]=w''+Pw'+Qwとおく。このとき、[a,b][a,b]の全点で

L[u]=0,u(a)=βa,u′(a)=−αaL[u]=0,\qquad u(a)=\beta_a,\qquad u'(a)=-\alpha_a

を満たすu∈C2([a,b];R)u\in C^2([a,b];\R)と、[a,b][a,b]の全点で

L[v]=0,v(b)=βb,v′(b)=−αbL[v]=0,\qquad v(b)=\beta_b,\qquad v'(b)=-\alpha_b

を満たすv∈C2([a,b];R)v\in C^2([a,b];\R)は、それぞれただ一つ存在する。u,vu,vは補題 3.2のu,vu,vに一致し、零関数でなく、Ba[u]=Bb[v]=0B_a[u]=B_b[v]=0を満たす。さらに、斉次境界値問題式 (1.2.1)が自明解だけをもつならば、

W(x)=u(x)v′(x)−u′(x)v(x)W(x)=u(x)v'(x)-u'(x)v(x)

は[a,b][a,b]のどの点でも零にならない。

証明.§E13.9 系 4.3をn=2n=2、K=R\mathbb K=\R、I=[a,b]I=[a,b]、p1=Pp_1=P、p0=Qp_0=Q、r=0r=0として適用すると、全点でL[w]=0L[w]=0を満たすw∈C2([a,b];R)w\in C^2([a,b];\R)の全体は、w∈C1([a,b];R)w\in C^1([a,b];\R)、w′∈AC([a,b];R)w'\in AC([a,b];\R)であってほとんど至る所でL[w]=0L[w]=0を満たすwwの全体に一致する。したがって、補題 3.2により、この補題のu,vu,vはそれぞれただ一つ存在して同補題のu,vu,vに一致し、零関数でなく、Ba[u]=Bb[v]=0B_a[u]=B_b[v]=0を満たす。式 (1.2.1)が自明解だけをもつならば、補題 4.1 (2)により境界核は自明であり、補題 3.2によりWWは全点で零でない。▨

系 4.3.a<ba<b、P,Q∈C([a,b];R)P,Q\in C([a,b];\R)とし、実数の組(αa,βa)(\alpha_a,\beta_a)、(αb,βb)(\alpha_b,\beta_b)はいずれも(0,0)(0,0)でないとする。このとき、斉次境界値問題式 (1.2.1)が自明解だけをもつならば、この分離型二点境界値問題の境界核は自明であり、任意の連続関数f:[a,b]→Rf:[a,b]\to\Rに対して、式 (1.1.1)、式 (1.1.2)は一意なC2([a,b];R)C^2([a,b];\R)解をもち、その解は式 (3.3.1)の Green 関数を用いて

y(x)=∫abG(x,s)f(s) dsy(x)=\int_a^bG(x,s)f(s)\,ds

で与えられる。

証明.補題 4.1 (2)により境界核は自明である。連続関数ffは可積分であるから、定理 3.4により、y(x)=∫abG(x,s)f(s) dsy(x)=\int_a^bG(x,s)f(s)\,dsは可積分係数の境界値問題の解であり、実数値であり、C2C^2級であり、方程式を全点で満たす。式 (1.1.1)、式 (1.1.2)を満たすz∈C2([a,b];R)z\in C^2([a,b];\R)について、§E13.9 系 4.3をn=2n=2、K=R\mathbb K=\R、I=[a,b]I=[a,b]、p1=Pp_1=P、p0=Qp_0=Q、r=fr=fとして適用すると、z′z'は絶対連続であり、zzはほとんど至る所で方程式を満たす。したがってzzは同定理の意味の解であり、一意性によりz=yz=yである。▨

5 演習

問題 5.1 (Green 関数の構成と検算). 境界値問題

y′′=1,y(0)=y(1)=0y''=1,\qquad y(0)=y(1)=0

について、Green 関数を構成し、積分表示から解を求めよ。また、境界条件と微分方程式を直接に確かめよ。

解答.

左端境界条件を満たす斉次方程式の解としてu(x)=−xu(x)=-xを、右端境界条件を満たす解としてv(x)=1−xv(x)=1-xを取る。このとき

W(u,v)=uv′−u′v=1W(u,v)=uv'-u'v=1

であるから、Green 関数は

G(x,s)={−x(1−s),x≤s,−s(1−x),s≤xG(x,s)= \begin{cases} -x(1-s),&x\leq s,\\ -s(1-x),&s\leq x \end{cases}

となる。したがって、

y(x)=∫01G(x,s) ds=−∫0xs(1−x) ds−∫x1x(1−s) ds=x(x−1)2.\begin{aligned} y(x) &=\int_0^1G(x,s)\,ds\\ &=-\int_0^x s(1-x)\,ds-\int_x^1x(1-s)\,ds =\frac{x(x-1)}2. \end{aligned}

実際にy(0)=y(1)=0y(0)=y(1)=0であり、y′′=1y''=1である。斉次方程式の解A+BxA+Bxが両端で00となるのはA=B=0A=B=0の場合だけであるから、この解は一意である。▨

問題 5.2.Q:[0,2]→RQ:[0,2]\to\Rを、0≤x≤10\le x\le1でQ(x)=0Q(x)=0、1<x≤21<x\le2でQ(x)=−1Q(x)=-1と定める。f∈L1([0,2];C)f\in L^1([0,2];\C)に対する境界値問題

y′′+Qy=fほとんど至る所,y(0)=y(2)=0y''+Qy=f\quad\text{ほとんど至る所},\qquad y(0)=y(2)=0

について、補題 3.2のu,v,Wu,v,Wと Green 関数GGを求め、[0,2]2[0,2]^2の上でG≤0G\le0であることを示せ。また、uuとvvはいずれもx=1x=1で二回微分可能でないことを示せ。

解答.

この問題はP=0P=0、(α0,β0)=(α2,β2)=(1,0)(\alpha_0,\beta_0)=(\alpha_2,\beta_2)=(1,0)の場合である。

u(x)={−x,0≤x≤1,−ex−1,1≤x≤2,v(x)={sinh⁡1+(1−x)cosh⁡1,0≤x≤1,sinh⁡(2−x),1≤x≤2u(x)= \begin{cases} -x,&0\le x\le1,\\ -e^{x-1},&1\le x\le2, \end{cases} \qquad v(x)= \begin{cases} \sinh1+(1-x)\cosh1,&0\le x\le1,\\ \sinh(2-x),&1\le x\le2 \end{cases}

とおく。x=1x=1で二つの枝の値と微分係数は一致し、u(1)=u′(1)=−1u(1)=u'(1)=-1、v(1)=sinh⁡1v(1)=\sinh1、v′(1)=−cosh⁡1v'(1)=-\cosh1である。したがってu,v∈C1([0,2];R)u,v\in C^1([0,2];\R)である。g,h:[0,2]→Rg,h:[0,2]\to\Rを、0≤x≤10\le x\le1でg(x)=h(x)=0g(x)=h(x)=0、1<x≤21<x\le2でg(x)=−ex−1g(x)=-e^{x-1}、h(x)=sinh⁡(2−x)h(x)=\sinh(2-x)と定める。u′,v′u',v'は[0,1][0,1]と[1,2][1,2]の上でそれぞれ連続微分可能であるから、§E13.2 系 2.7 (2)を各区間に適用すると、すべてのx∈[0,2]x\in[0,2]で

u′(x)=u′(0)+∫0xg(s) ds,v′(x)=v′(0)+∫0xh(s) dsu'(x)=u'(0)+\int_0^xg(s)\,ds,\qquad v'(x)=v'(0)+\int_0^xh(s)\,ds

が成り立つ。§E13.2 定理 2.5によりu′,v′u',v'は絶対連続である。0<x<10<x<1ではu′′+Qu=0u''+Qu=0、v′′+Qv=0v''+Qv=0であり、1<x<21<x<2ではu′′+Qu=−ex−1+ex−1=0u''+Qu=-e^{x-1}+e^{x-1}=0、v′′+Qv=sinh⁡(2−x)−sinh⁡(2−x)=0v''+Qv=\sinh(2-x)-\sinh(2-x)=0である。またu(0)=0u(0)=0、u′(0)=−1u'(0)=-1、v(2)=0v(2)=0、v′(2)=−1v'(2)=-1である。補題 3.2の一意性により、u,vu,vは同補題のu,vu,vである。

0≤x≤10\le x\le1では

W=uv′−u′v=xcosh⁡1+sinh⁡1+(1−x)cosh⁡1=sinh⁡1+cosh⁡1=eW=uv'-u'v=x\cosh1+\sinh1+(1-x)\cosh1=\sinh1+\cosh1=e

であり、1≤x≤21\le x\le2では

W=ex−1cosh⁡(2−x)+ex−1sinh⁡(2−x)=ex−1e2−x=eW=e^{x-1}\cosh(2-x)+e^{x-1}\sinh(2-x)=e^{x-1}e^{2-x}=e

である。WWは零でないので、補題 3.2により境界核は自明であり、Green 関数は

G(x,s)={u(x)v(s)/e,0≤x≤s≤2,u(s)v(x)/e,0≤s≤x≤2G(x,s)= \begin{cases} u(x)v(s)/e,&0\le x\le s\le2,\\ u(s)v(x)/e,&0\le s\le x\le2 \end{cases}

である。[0,2][0,2]の上でu≤0u\le0であり、0≤x≤10\le x\le1ではv(x)≥sinh⁡1>0v(x)\ge\sinh1>0、1≤x≤21\le x\le2ではv(x)=sinh⁡(2−x)≥0v(x)=\sinh(2-x)\ge0であるから、v≥0v\ge0である。したがって、[0,2]2[0,2]^2の上でG≤0G\le0である。

x=1x=1でu′u'の左側微分係数は00、右側微分係数は−e0=−1-e^0=-1であり、v′v'の左側微分係数は00、右側微分係数はsinh⁡1≠0\sinh1\ne0である。したがって、u′u'とv′v'はいずれもx=1x=1で微分可能でなく、uuとvvはいずれもx=1x=1で二回微分可能でない。▨

問題 5.3 (固有値における可解性). 区間[0,π][0,\pi]上の境界値問題

y′′+y=sin⁡x,y(0)=y(π)=0y''+y=\sin x,\qquad y(0)=y(\pi)=0

が解をもたないことを示せ。また、右辺を零に置き換えた斉次境界値問題のすべての解を求めよ。

解答.

非同次方程式の一般解は

y(x)=Acos⁡x+Bsin⁡x−xcos⁡x2y(x)=A\cos x+B\sin x-\frac{x\cos x}{2}

である。実際、−xcos⁡x/2-x\cos x/2を二回微分して元の式へ代入すると、右辺としてsin⁡x\sin xを得る。左端条件からA=0A=0となるが、このとき

y(π)=π2≠0y(\pi)=\frac{\pi}{2}\ne0

である。したがって、二つの境界条件を同時に満たす解は存在しない。

斉次方程式y′′+y=0y''+y=0の一般解はy=Acos⁡x+Bsin⁡xy=A\cos x+B\sin xである。左端条件からA=0A=0となり、Bsin⁡π=0B\sin\pi=0であるため右端条件は任意のB∈RB\in\Rに対して成り立つ。ゆえに斉次境界値問題のすべての解は

y(x)=Bsin⁡x,B∈Ry(x)=B\sin x,\qquad B\in\R

である。特に、境界核は自明でない。▨

問題 5.4 (Green 関数の符号による比較).[0,1][0,1]上の境界値問題y′′−y=fy''-y=f、y(0)=y(1)=0y(0)=y(1)=0(f∈C([0,1];R)f\in C([0,1];\R))について、補題 4.2のu,v,Wu,v,Wを求め、式 (3.3.1)の Green 関数GGを書き下せ。[0,1]2[0,1]^{2}の上でG≤0G\le0であることを示し、これを用いて、[0,1][0,1]の上でf≥0f\ge0ならば解がy≤0y\le0を満たすことを示せ。さらにf≡1f\equiv1の解を求めよ。

解答.

Dirichlet 条件は境界係数(α0,β0)=(α1,β1)=(1,0)(\alpha_{0},\beta_{0})=(\alpha_{1},\beta_{1})=(1,0)にあたる。uuはu′′−u=0u''-u=0、u(0)=0u(0)=0、u′(0)=−1u'(0)=-1の解であるからu(x)=−sinh⁡xu(x)=-\sinh xであり、vvはv′′−v=0v''-v=0、v(1)=0v(1)=0、v′(1)=−1v'(1)=-1の解であるからv(x)=sinh⁡(1−x)v(x)=\sinh(1-x)である。加法定理により

W=uv′−u′v=sinh⁡xcosh⁡(1−x)+cosh⁡xsinh⁡(1−x)=sinh⁡1W=uv'-u'v=\sinh x\cosh(1-x)+\cosh x\sinh(1-x)=\sinh1

である。斉次問題の解Acosh⁡x+Bsinh⁡xA\cosh x+B\sinh xについて、y(0)=0y(0)=0からA=0A=0であり、y(1)=0y(1)=0からBsinh⁡1=0B\sinh1=0、すなわちB=0B=0である。したがって、境界核は自明であり、

G(x,s)={−sinh⁡x sinh⁡(1−s)sinh⁡1,0≤x≤s≤1,−sinh⁡s sinh⁡(1−x)sinh⁡1,0≤s≤x≤1G(x,s)= \begin{cases} -\dfrac{\sinh x\,\sinh(1-s)}{\sinh1},&0\le x\le s\le1,\\[3mm] -\dfrac{\sinh s\,\sinh(1-x)}{\sinh1},&0\le s\le x\le1 \end{cases}

である。sinh⁡\sinhは[0,1][0,1]の上で00以上であるからG≤0G\le0である。

系 4.3により解はただ一つ存在してy(x)=∫01G(x,s)f(s) dsy(x)=\int_{0}^{1}G(x,s)f(s)\,dsである。f≥0f\ge0ならば被積分関数は00以下であるから、y(x)≤0y(x)\le0である。

f≡1f\equiv1のとき、∫0xsinh⁡s ds=cosh⁡x−1\int_{0}^{x}\sinh s\,ds=\cosh x-1、∫x1sinh⁡(1−s) ds=cosh⁡(1−x)−1\int_{x}^{1}\sinh(1-s)\,ds=\cosh(1-x)-1であるから

y(x)=−sinh⁡(1−x)(cosh⁡x−1)+sinh⁡x(cosh⁡(1−x)−1)sinh⁡1=−1+sinh⁡x+sinh⁡(1−x)sinh⁡1y(x)=-\frac{\sinh(1-x)(\cosh x-1)+\sinh x(\cosh(1-x)-1)}{\sinh1}=-1+\frac{\sinh x+\sinh(1-x)}{\sinh1}

である。ここで加法定理sinh⁡(1−x)cosh⁡x+sinh⁡xcosh⁡(1−x)=sinh⁡1\sinh(1-x)\cosh x+\sinh x\cosh(1-x)=\sinh1を用いた。実際、y′′−y=1y''-y=1、y(0)=y(1)=0y(0)=y(1)=0が直接に確かめられる。▨

問題 5.5.f∈L1([0,1];C)f\in L^1([0,1];\C)とし、∥f∥1=∫01∣f(s)∣ ds\|f\|_1=\int_0^1|f(s)|\,dsとおく。境界値問題

y′′=fほとんど至る所,y(0)=0,y′(1)+y(1)=0y''=f\quad\text{ほとんど至る所},\qquad y(0)=0,\qquad y'(1)+y(1)=0

について、補題 3.2のu,v,Wu,v,Wと Green 関数GGを求めよ。また、解yyがただ一つ存在して、すべてのx∈[0,1]x\in[0,1]で

∣y(x)∣≤12∥f∥1,∣y′(x)∣≤∥f∥1|y(x)|\le\frac12\|f\|_1,\qquad |y'(x)|\le\|f\|_1

を満たすことを示せ。

解答.

この問題はP=Q=0P=Q=0、(α0,β0)=(1,0)(\alpha_0,\beta_0)=(1,0)、(α1,β1)=(1,1)(\alpha_1,\beta_1)=(1,1)の場合である。uuはu′′=0u''=0、u(0)=0u(0)=0、u′(0)=−1u'(0)=-1の解であるからu(x)=−xu(x)=-xであり、vvはv′′=0v''=0、v(1)=1v(1)=1、v′(1)=−1v'(1)=-1の解であるからv(x)=2−xv(x)=2-xである。

W=uv′−u′v=x+(2−x)=2W=uv'-u'v=x+(2-x)=2

は零でないので、補題 3.2により境界核は自明であり、Green 関数は

G(x,s)={−x(2−s)2,0≤x≤s≤1,−s(2−x)2,0≤s≤x≤1G(x,s)= \begin{cases} -\dfrac{x(2-s)}2,&0\le x\le s\le1,\\[3mm] -\dfrac{s(2-x)}2,&0\le s\le x\le1 \end{cases}

である。定理 3.4により解yyはただ一つ存在し、すべてのx∈[0,1]x\in[0,1]で

y(x)=∫01G(x,s)f(s) ds,y′(x)=∫01∂xG(x,s)f(s) ds,∂xG(x,s)={−2−s2,x<s,s2,s<xy(x)=\int_0^1G(x,s)f(s)\,ds,\qquad y'(x)=\int_0^1\partial_xG(x,s)f(s)\,ds,\qquad \partial_xG(x,s)= \begin{cases} -\dfrac{2-s}2,&x<s,\\[3mm] \dfrac s2,&s<x \end{cases}

が成り立つ。0≤x≤s≤10\le x\le s\le1では0≤x(2−s)≤s(2−s)≤10\le x(2-s)\le s(2-s)\le1であり、0≤s≤x≤10\le s\le x\le1では0≤s(2−x)≤x(2−x)≤10\le s(2-x)\le x(2-x)\le1であるから、∣G∣≤1/2|G|\le1/2である。また、s∈[0,1]s\in[0,1]について1/2≤(2−s)/2≤11/2\le(2-s)/2\le1、0≤s/2≤1/20\le s/2\le1/2であるから、s≠xs\ne xで∣∂xG(x,s)∣≤1|\partial_xG(x,s)|\le1である。したがって

∣y(x)∣≤∫01∣G(x,s)∣∣f(s)∣ ds≤12∥f∥1,∣y′(x)∣≤∫01∣∂xG(x,s)∣∣f(s)∣ ds≤∥f∥1|y(x)|\le\int_0^1|G(x,s)||f(s)|\,ds\le\frac12\|f\|_1,\qquad |y'(x)|\le\int_0^1|\partial_xG(x,s)||f(s)|\,ds\le\|f\|_1

である。▨

問題 5.6.f∈L1([0,1];C)f\in L^1([0,1];\C)とする。境界値問題

y′′=fほとんど至る所,y′(0)=y′(1)=0y''=f\quad\text{ほとんど至る所},\qquad y'(0)=y'(1)=0

について、補題 3.2のu,vu,vの WronskianWWが恒等的に零であることを確かめよ。また、解が存在するための必要十分条件は∫01f(s) ds=0\int_0^1f(s)\,ds=0であることを示し、解が存在するときの解の全体を求めよ。

解答.

この問題はP=Q=0P=Q=0、(α0,β0)=(α1,β1)=(0,1)(\alpha_0,\beta_0)=(\alpha_1,\beta_1)=(0,1)の場合である。uuはu′′=0u''=0、u(0)=1u(0)=1、u′(0)=0u'(0)=0の解、vvはv′′=0v''=0、v(1)=1v(1)=1、v′(1)=0v'(1)=0の解であるから、u=v=1u=v=1であり、W=uv′−u′v=0W=uv'-u'v=0である。補題 3.2により境界核は自明でなく、実際に定数関数11は境界核に属する。

yyを解とすると、y′y'は絶対連続であり、ほとんど至る所でy′′=fy''=fであるから、§E13.2 定理 2.5により

0=y′(1)−y′(0)=∫01f(s) ds0=y'(1)-y'(0)=\int_0^1f(s)\,ds

である。逆に∫01f(s) ds=0\int_0^1f(s)\,ds=0とする。§E13.9 命題 4.1により、y0′′=fy_0''=fをほとんど至る所で満たし、y0(0)=y0′(0)=0y_0(0)=y_0'(0)=0を満たすy0∈C1([0,1];C)y_0\in C^1([0,1];\C)(y0′y_0'は絶対連続)が存在する。§E13.2 定理 2.5によりy0′(1)=y0′(0)+∫01f(s) ds=0y_0'(1)=y_0'(0)+\int_0^1f(s)\,ds=0であるから、y0y_0は解である。

解yyについて、w=y−y0w=y-y_0は境界核に属する。w′w'は絶対連続であり、ほとんど至る所でw′′=0w''=0であるから、§E13.2 定理 2.5によりw′w'は定数w′(0)=0w'(0)=0に等しい。§E13.2 系 2.7 (2)によりw(x)=w(0)+∫0xw′(s) ds=w(0)w(x)=w(0)+\int_0^xw'(s)\,ds=w(0)である。逆に、定数関数は境界核に属する。したがって、解の全体は{y0+c∣c∈C}\{y_0+c\mid c\in\C\}である。▨

参考文献

  1. Earl A. Coddington, An Introduction to Ordinary Differential Equations, Dover Publications, 1989, originally published 1961.二点境界値問題、固有値問題、基本解を用いる Green 関数の構成を参考にした。
  2. William E. Boyce, Richard C. DiPrima, and Douglas B. Meade, Elementary Differential Equations and Boundary Value Problems, 12th ed., Wiley, 2021.Dirichlet 固有値問題と二階境界値問題の解の存在一意性を参考にした。

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