§E13.13Floquet 理論

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周期係数をもつ線形微分方程式では、係数が一周期後に元の値へ戻っても、解が元の値へ戻るとは限らない。たとえば実数aaに対するx′=(a+cos⁡t)xx'=(a+\cos t)xでは、周期的な係数の下で、aaの値に応じて解の増大や減衰が生じる。Floquet 理論は、一周期後の解の値を与える線形写像に着目し、周期係数の系の長時間の挙動を調べる理論である。解を個別に求めることなく安定性を捉えるために、この理論は重要である。本記事では、周期係数の線形系の構造と、安定性および周期解をめぐる基本的な問題を扱う。

1 周期線形系とモノドロミー行列

定義 1.1.K∈{R,C}\mathbb K\in\{\R,\C\}、d∈N≥1d\in\NN、T>0T>0とし、A∈Lloc1(R;Kd×d)A\in L^1_{\mathrm{loc}}(\R;\mathbb K^{d\times d})がほとんどすべてのt∈Rt\in\RでA(t+T)=A(t)A(t+T)=A(t)を満たすとする。このとき同次系x′=A(t)x\boldsymbol x'=A(t)\boldsymbol xをTT周期線形系 (T-periodic linear system) という。

補題 1.2.K∈{R,C}\mathbb K\in\{\R,\C\}、d∈N≥1d\in\NN、T>0T>0とし、x′=A(t)x\boldsymbol x'=A(t)\boldsymbol xをTT周期線形系とする。Φ0\Phi_0をΦ0(0)=I\Phi_0(0)=Iを満たすR\R上の基本行列とし、M=Φ0(T)M=\Phi_0(T)とおく。このとき、次が成り立つ。

  1. 任意の基本行列Φ\Phiについて、t↦Φ(t+T)t\mapsto\Phi(t+T)も基本行列であり、すべてのt∈Rt\in\RでΦ(t+T)=Φ(t)CΦ\Phi(t+T)=\Phi(t)C_\Phiを満たす可逆行列CΦ∈Kd×dC_\Phi\in\mathbb K^{d\times d}がただ一つ存在する。さらにCΦ=Φ(0)−1MΦ(0)C_\Phi=\Phi(0)^{-1}M\Phi(0)である。
  2. 任意のs∈Rs\in\Rと、x′=A(t)x\boldsymbol x'=A(t)\boldsymbol xの任意の局所絶対連続解x ⁣:R→Kd\boldsymbol x\colon\R\to\mathbb K^dについて、x(s+T)=Φ0(s)MΦ0(s)−1x(s)\boldsymbol x(s+T)=\Phi_0(s)M\Phi_0(s)^{-1}\boldsymbol x(s)である。
  3. すべてのt∈Rt\in\Rとn∈Zn\in\ZについてΦ0(t+nT)=Φ0(t)Mn\Phi_0(t+nT)=\Phi_0(t)M^nである。

証明.Φ\Phiを基本行列とし、Ψ(t)=Φ(t+T)\Psi(t)=\Phi(t+T)とおく。Ψ\Psiは局所絶対連続である。Φ′(s)=A(s)Φ(s)\Phi'(s)=A(s)\Phi(s)が成り立たないssの集合をN1N_1、A(t+T)≠A(t)A(t+T)\ne A(t)となるttの集合をN2N_2とすると、どちらも零集合であり、t∉(N1−T)∪N2t\notin(N_1-T)\cup N_2ならば

Ψ′(t)=Φ′(t+T)=A(t+T)Φ(t+T)=A(t)Ψ(t)\Psi'(t)=\Phi'(t+T)=A(t+T)\Phi(t+T)=A(t)\Psi(t)

である。det⁡Ψ(t)=det⁡Φ(t+T)≠0\det\Psi(t)=\det\Phi(t+T)\ne0であるから、Ψ\Psiは基本行列である。§E13.9 定理 2.2によりΦ\Phiの列は解空間SA(R)\mathcal S_A(\R)の基底であり、Ψ\Psiの各列はSA(R)\mathcal S_A(\R)に属するから、Ψ=ΦCΦ\Psi=\Phi C_\Phiを満たすCΦ∈Kd×dC_\Phi\in\mathbb K^{d\times d}が存在する。Φ(t)\Phi(t)は可逆であるからCΦ=Φ(t)−1Ψ(t)C_\Phi=\Phi(t)^{-1}\Psi(t)は一意に定まり、det⁡CΦ=det⁡Φ(t)−1det⁡Ψ(t)≠0\det C_\Phi=\det\Phi(t)^{-1}\det\Psi(t)\ne0である。

Φ0\Phi_0についてt=0t=0とおくとCΦ0=Φ0(T)=MC_{\Phi_0}=\Phi_0(T)=Mであり、すべてのttでΦ0(t+T)=Φ0(t)M\Phi_0(t+T)=\Phi_0(t)Mが成り立つ。t↦Φ0(t)Φ(0)t\mapsto\Phi_0(t)\Phi(0)の各列は解であり、t=0t=0での値はΦ\Phiの列と一致するから、§E13.9 定理 2.2の評価写像の単射性によりΦ(t)=Φ0(t)Φ(0)\Phi(t)=\Phi_0(t)\Phi(0)である。従って

Φ(t+T)=Φ0(t)MΦ(0)=Φ(t)Φ(0)−1MΦ(0)\Phi(t+T)=\Phi_0(t)M\Phi(0)=\Phi(t)\Phi(0)^{-1}M\Phi(0)

であり、CΦ=Φ(0)−1MΦ(0)C_\Phi=\Phi(0)^{-1}M\Phi(0)である。これで主張 (1)は示された。

主張 (2)を示す。x(t)\boldsymbol x(t)とΦ0(t)x(0)\Phi_0(t)\boldsymbol x(0)はともに解でt=0t=0の値が等しいから、§E13.9 定理 2.2によりx(t)=Φ0(t)x(0)\boldsymbol x(t)=\Phi_0(t)\boldsymbol x(0)である。Φ0(s+T)=Φ0(s)M\Phi_0(s+T)=\Phi_0(s)Mによりx(s+T)=Φ0(s)Mx(0)=Φ0(s)MΦ0(s)−1x(s)\boldsymbol x(s+T)=\Phi_0(s)M\boldsymbol x(0)=\Phi_0(s)M\Phi_0(s)^{-1}\boldsymbol x(s)である。

主張 (3)を示す。n≥0n\ge0についてΦ0(t+nT)=Φ0(t)Mn\Phi_0(t+nT)=\Phi_0(t)M^nが成り立つとすると、Φ0(t+(n+1)T)=Φ0(t+nT)M=Φ0(t)Mn+1\Phi_0(t+(n+1)T)=\Phi_0(t+nT)M=\Phi_0(t)M^{n+1}である。t−Tt-TにΦ0(s+T)=Φ0(s)M\Phi_0(s+T)=\Phi_0(s)Mを適用するとΦ0(t−T)=Φ0(t)M−1\Phi_0(t-T)=\Phi_0(t)M^{-1}であり、同じ帰納法によりn≤0n\le0でも等式が成り立つ。▨

定義 1.3.K∈{R,C}\mathbb K\in\{\R,\C\}、d∈N≥1d\in\NN、T>0T>0とし、x′=A(t)x\boldsymbol x'=A(t)\boldsymbol xをTT周期線形系、Φ0\Phi_0をΦ0(0)=I\Phi_0(0)=Iを満たす基本行列とする。M=Φ0(T)M=\Phi_0(T)をこの系のモノドロミー行列 (monodromy matrix) という。MMの固有値をC\Cの中で考え、特性多項式の根としての重複度を込めて数えたものをFloquet 乗数 (Floquet multiplier) という。Floquet 乗数ρ\rhoについてeμT=ρe^{\mu T}=\rhoを満たすμ∈C\mu\in\CをFloquet 指数 (Floquet exponent) という。

注意 1.4.MMは可逆であるから Floquet 乗数は零でない。K=R\mathbb K=\RならばMMは実行列であり、その特性多項式は実係数であるから、非実の Floquet 乗数ρ\rhoについてρ‾\overline\rhoも同じ重複度の Floquet 乗数である。§E5.3 命題 2.3により、Floquet 乗数ρ\rhoの Floquet 指数の全体はT−1log⁡ρT^{-1}\log\rhoであって、2πiZ/T2\pi i\Z/Tを法として一つに定まる。虚部を(−π/T,π/T](-\pi/T,\pi/T]に制限して Floquet 指数を一つに定める文献がある。Floquet 乗数を特性乗数、Floquet 指数を特性指数と呼ぶ文献もある。Floquet 指数の実部T−1ln⁡∣ρ∣T^{-1}\ln\lvert\rho\rvertは Floquet 指数の選び方によらない。補題 1.2 (1)と補題 1.2 (2)により、任意の基本行列Φ\PhiのCΦC_\Phiと、任意の基点ssでの行列Φ0(s)MΦ0(s)−1\Phi_0(s)M\Phi_0(s)^{-1}はMMと相似であるから、Floquet 乗数は基本行列と基点の取り方によらない。

定義 1.5.K∈{R,C}\mathbb K\in\{\R,\C\}、d∈N≥1d\in\NN、T>0T>0とし、x′=A(t)x\boldsymbol x'=A(t)\boldsymbol xをTT周期線形系とする。ρ∈C\rho\in\Cについて、x′=A(t)x\boldsymbol x'=A(t)\boldsymbol xの局所絶対連続解x ⁣:R→Cd\boldsymbol x\colon\R\to\C^dで、零でなく、すべてのt∈Rt\in\Rについてx(t+T)=ρx(t)\boldsymbol x(t+T)=\rho\boldsymbol x(t)を満たすものを、乗数ρ\rhoのFloquet 解 (Floquet solution) という。

命題 1.6.K∈{R,C}\mathbb K\in\{\R,\C\}、d∈N≥1d\in\NN、T>0T>0とし、x′=A(t)x\boldsymbol x'=A(t)\boldsymbol xをTT周期線形系、MMをそのモノドロミー行列とする。ρ∈C\rho\in\Cについて、x′=A(t)x\boldsymbol x'=A(t)\boldsymbol xの局所絶対連続解x ⁣:R→Cd\boldsymbol x\colon\R\to\C^dですべてのt∈Rt\in\Rについてx(t+T)=ρx(t)\boldsymbol x(t+T)=\rho\boldsymbol x(t)を満たすもの全体をFρ\mathcal F_\rhoと書く。このとき、次が成り立つ。

  1. Fρ\mathcal F_\rhoはC\Cベクトル空間であり、x↦x(0)\boldsymbol x\mapsto\boldsymbol x(0)はFρ\mathcal F_\rhoからker⁡(M−ρI)⊆Cd\ker(M-\rho I)\subseteq\C^dへの線形同型である。特に、乗数ρ\rhoの Floquet 解が存在することは、ρ\rhoが Floquet 乗数であるための必要十分条件である。
  2. 零でないTT周期解が存在することは、11が Floquet 乗数であるための必要十分条件である。すべてのttでx(t+T)=−x(t)\boldsymbol x(t+T)=-\boldsymbol x(t)を満たす零でない解が存在することは、−1-1が Floquet 乗数であるための必要十分条件であり、そのような解は2T2T周期である。
  3. K=R\mathbb K=\Rかつρ∈R\rho\in\Rならば、Fρ\mathcal F_\rhoに属する実数値の解の全体はR\Rベクトル空間であり、x↦x(0)\boldsymbol x\mapsto\boldsymbol x(0)は、Fρ\mathcal F_\rhoに属する実数値の解の全体からker⁡(M−ρI)∩Rd\ker(M-\rho I)\cap\R^dへの線形同型である。Fρ\mathcal F_\rhoに属する実数値の解の空間のR\R上の次元は、dim⁡CFρ\dim_{\C}\mathcal F_\rhoに等しい。

証明.Φ0\Phi_0をΦ0(0)=I\Phi_0(0)=Iを満たす基本行列とする。K=R\mathbb K=\Rの場合もAAをLloc1(R;Cd×d)L^1_{\mathrm{loc}}(\R;\C^{d\times d})の元とみなすと、Φ0\Phi_0は複素数値の解の空間の基本行列でもある。x ⁣:R→Cd\boldsymbol x\colon\R\to\C^dを解とすると、§E13.9 定理 2.2によりx(t)=Φ0(t)x(0)\boldsymbol x(t)=\Phi_0(t)\boldsymbol x(0)であり、補題 1.2 (1)により

x(t+T)−ρx(t)=Φ0(t)(M−ρI)x(0)\boldsymbol x(t+T)-\rho\boldsymbol x(t)=\Phi_0(t)\bigl(M-\rho I\bigr)\boldsymbol x(0)

である。Φ0(t)\Phi_0(t)は可逆であるから、x∈Fρ\boldsymbol x\in\mathcal F_\rhoであることは、x(0)∈ker⁡(M−ρI)\boldsymbol x(0)\in\ker(M-\rho I)であるための必要十分条件である。従ってFρ\mathcal F_\rhoは評価写像x↦x(0)\boldsymbol x\mapsto\boldsymbol x(0)によるker⁡(M−ρI)\ker(M-\rho I)の逆像であり、§E13.9 定理 2.2の評価写像の同型を制限して主張 (1)を得る。

主張 (2)は主張 (1)のρ=1\rho=1とρ=−1\rho=-1の場合である。x(t+T)=−x(t)\boldsymbol x(t+T)=-\boldsymbol x(t)ならばx(t+2T)=−x(t+T)=x(t)\boldsymbol x(t+2T)=-\boldsymbol x(t+T)=\boldsymbol x(t)である。

主張 (3)を示す。Φ0\Phi_0は実行列値であるから、解x=Φ0x(0)\boldsymbol x=\Phi_0\boldsymbol x(0)が実数値であることは、x(0)∈Rd\boldsymbol x(0)\in\R^dであるための必要十分条件である。M−ρIM-\rho Iは実行列であり、その階数は零でない小行列式の最大の大きさであるからR\R上で考えてもC\C上で考えても等しい。従ってdim⁡R(ker⁡(M−ρI)∩Rd)=d−rank⁡(M−ρI)=dim⁡Cker⁡(M−ρI)\dim_{\R}\bigl(\ker(M-\rho I)\cap\R^d\bigr)=d-\operatorname{rank}(M-\rho I)=\dim_{\C}\ker(M-\rho I)である。▨

命題 1.7.K∈{R,C}\mathbb K\in\{\R,\C\}、d∈N≥1d\in\NN、T>0T>0とし、x′=A(t)x\boldsymbol x'=A(t)\boldsymbol xをTT周期線形系、MMをそのモノドロミー行列、ρ1,…,ρd\rho_1,\ldots,\rho_dを Floquet 乗数とする。このとき

ρ1⋯ρd=det⁡M=exp⁡(∫0Ttr⁡A(s) ds)\rho_1\cdots\rho_d=\det M=\exp\left(\int_0^T\operatorname{tr}A(s)\,ds\right)

である。

証明.MMの特性多項式は∏j=1d(t−ρj)\prod_{j=1}^d(t-\rho_j)であり、t=0t=0での値を比べるとdet⁡M=ρ1⋯ρd\det M=\rho_1\cdots\rho_dである。Φ0\Phi_0をΦ0(0)=I\Phi_0(0)=Iを満たす基本行列とするとM=Φ0(T)M=\Phi_0(T)であり、§E13.9 注意 3.2の等式によりdet⁡M=exp⁡∫0Ttr⁡A(s) ds\det M=\exp\int_0^T\operatorname{tr}A(s)\,dsである。▨

2 Floquet の標準形

定義 2.1.d∈N≥1d\in\NN、C∈Cd×dC\in\C^{d\times d}とし、ρ∈C\rho\in\CをCCの固有値とする。CCのρ\rhoに対応する一般固有空間Gρ(C)=ker⁡(C−ρI)dG_\rho(C)=\ker(C-\rho I)^dについてGρ(C)=ker⁡(C−ρI)G_\rho(C)=\ker(C-\rho I)が成り立つとき、ρ\rhoをCCの半単純固有値 (semisimple eigenvalue) という。

系 2.2.d∈N≥1d\in\NN、B∈Cd×dB\in\C^{d\times d}、ρ∈C∖{0}\rho\in\C\setminus\{0\}とする。BBの相異なる固有値のうちeβ=ρe^\beta=\rhoを満たすもの全体をEρE_\rhoと書く。Eρ=∅E_\rho=\emptysetのとき、EρE_\rhoを添字とする直和は{0}\{\boldsymbol 0\}とする。このとき、次が成り立つ。

  1. Gρ(eB)=⨁β∈EρGβ(B)G_\rho(e^B)=\bigoplus_{\beta\in E_\rho}G_\beta(B)である。
  2. ker⁡(eB−ρI)=⨁β∈Eρker⁡(B−βI)\ker(e^B-\rho I)=\bigoplus_{\beta\in E_\rho}\ker(B-\beta I)である。
  3. BBの固有値を重複度込みでβ1,…,βd\beta_1,\ldots,\beta_dとすると、eBe^Bの固有値は重複度込みでeβ1,…,eβde^{\beta_1},\ldots,e^{\beta_d}である。
  4. ρ\rhoがeBe^Bの固有値であるとき、ρ\rhoがeBe^Bの半単純固有値であることは、すべてのβ∈Eρ\beta\in E_\rhoがBBの半単純固有値であるための必要十分条件である。

証明.EρE_\rhoは§E13.12 補題 6.3のEρE_\rhoと同じ集合である。主張 (1)、主張 (2)、主張 (3)は、それぞれ§E13.12 補題 6.3 (1)、§E13.12 補題 6.3 (2)、§E13.12 補題 6.3 (3)である。

主張 (4)を示す。ρ\rhoはeBe^Bの固有値であるから、定義 2.1により、ρ\rhoがeBe^Bの半単純固有値であることは、Gρ(eB)=ker⁡(eB−ρI)G_\rho(e^B)=\ker(e^B-\rho I)であるための必要十分条件である。各β∈Eρ\beta\in E_\rhoはBBの固有値であるから、β\betaがBBの半単純固有値であることは、Gβ(B)=ker⁡(B−βI)G_\beta(B)=\ker(B-\beta I)であるための必要十分条件である。従って§E13.12 補題 6.3 (4)により結論を得る。▨

定理 2.3 (Floquet の標準形).K∈{R,C}\mathbb K\in\{\R,\C\}、d∈N≥1d\in\NN、T>0T>0とし、x′=A(t)x\boldsymbol x'=A(t)\boldsymbol xをTT周期線形系、Φ0\Phi_0をΦ0(0)=I\Phi_0(0)=Iを満たす基本行列、M=Φ0(T)M=\Phi_0(T)をモノドロミー行列とする。このとき、次が成り立つ。

  1. eTB=Me^{TB}=Mを満たすB∈Cd×dB\in\C^{d\times d}と、P(0)=IP(0)=Iを満たし、すべてのttでP(t+T)=P(t)P(t+T)=P(t)かつP(t)P(t)が可逆であるP∈ACloc(R;Cd×d)P\in AC_{\mathrm{loc}}(\R;\C^{d\times d})が存在して、すべてのt∈Rt\in\RでΦ0(t)=P(t)etB\Phi_0(t)=P(t)e^{tB}が成り立つ。eTB=Me^{TB}=Mを満たす任意のBBについて、BBの固有値を重複度込みでβ1,…,βd\beta_1,\ldots,\beta_dとすると、Floquet 乗数は重複度込みでeTβ1,…,eTβde^{T\beta_1},\ldots,e^{T\beta_d}であり、各βj\beta_jは Floquet 指数である。
  2. K=R\mathbb K=\Rならば、e2TB=M2e^{2TB}=M^2を満たすB∈Rd×dB\in\R^{d\times d}と、P(0)=IP(0)=Iを満たし、すべてのttでP(t+2T)=P(t)P(t+2T)=P(t)かつP(t)P(t)が可逆であるP∈ACloc(R;Rd×d)P\in AC_{\mathrm{loc}}(\R;\R^{d\times d})が存在して、すべてのt∈Rt\in\RでΦ0(t)=P(t)etB\Phi_0(t)=P(t)e^{tB}が成り立つ。
  3. B∈Cd×dB\in\C^{d\times d}と、すべてのttで可逆なP ⁣:R→Cd×dP\colon\R\to\C^{d\times d}が、すべてのt∈Rt\in\RでΦ0(t)=P(t)etB\Phi_0(t)=P(t)e^{tB}を満たすとする。このときPPとP−1P^{-1}は局所絶対連続であり、ほとんど至る所でP′=AP−PBP'=AP-PBが成り立つ。さらに、x∈ACloc(R;Cd)\boldsymbol x\in AC_{\mathrm{loc}}(\R;\C^d)がx′=A(t)x\boldsymbol x'=A(t)\boldsymbol xの解であることは、z=P−1x\boldsymbol z=P^{-1}\boldsymbol xがz′=Bz\boldsymbol z'=B\boldsymbol zの解であるための必要十分条件である。

証明.主張 (1)を示す。MMは可逆であるから、§E3.31 定理 4.2によりeL=Me^L=Mを満たすL∈Cd×dL\in\C^{d\times d}が存在する。B=T−1LB=T^{-1}LとおくとeTB=Me^{TB}=Mである。P(t)=Φ0(t)e−tBP(t)=\Phi_0(t)e^{-tB}とおく。§E13.12 定理 2.2 (3)を−B-BとI=RI=\Rに適用するとt↦e−tBt\mapsto e^{-tB}は局所絶対連続であり、§E13.12 定理 2.1によりe−tBe^{-tB}は可逆であるから、§E13.2 定理 3.1 (2)によりPPは局所絶対連続であり、P(t)P(t)は可逆でP(0)=IP(0)=Iである。補題 1.2 (1)と§E13.12 定理 2.1により

P(t+T)=Φ0(t)Me−TBe−tB=Φ0(t)eTBe−TBe−tB=P(t)P(t+T)=\Phi_0(t)Me^{-TB}e^{-tB}=\Phi_0(t)e^{TB}e^{-TB}e^{-tB}=P(t)

である。TBTBの固有値はTβ1,…,TβdT\beta_1,\ldots,T\beta_dであるから、系 2.2 (3)をTBTBに適用するとM=eTBM=e^{TB}の固有値は重複度込みでeTβ1,…,eTβde^{T\beta_1},\ldots,e^{T\beta_d}である。従って各eTβje^{T\beta_j}は Floquet 乗数であり、βj\beta_jは Floquet 指数である。

主張 (2)を示す。K=R\mathbb K=\RであるからΦ0\Phi_0は実行列値であり、MMは実可逆行列である。§E3.31 補題 4.1 (2)によりeB2=M2e^{B_2}=M^2を満たすB2∈Rd×dB_2\in\R^{d\times d}が存在する。B=(2T)−1B2B=(2T)^{-1}B_2、P(t)=Φ0(t)e−tBP(t)=\Phi_0(t)e^{-tB}とおく。指数関数の級数の部分和は実行列であるからe−tBe^{-tB}は実行列であり、PPは実行列値である。局所絶対連続性、可逆性、P(0)=IP(0)=Iは前段と同じであり、補題 1.2 (3)のn=2n=2により

P(t+2T)=Φ0(t)M2e−2TBe−tB=P(t)P(t+2T)=\Phi_0(t)M^2e^{-2TB}e^{-tB}=P(t)

である。

主張 (3)を示す。P(t)=Φ0(t)e−tBP(t)=\Phi_0(t)e^{-tB}である。§E13.12 定理 2.2 (3)を−B-BとI=RI=\Rに適用するとt↦e−tBt\mapsto e^{-tB}は局所絶対連続であり、§E13.12 定理 2.1によりすべての点でddte−tB=−e−tBB\frac{d}{dt}e^{-tB}=-e^{-tB}Bであるから、§E13.2 定理 3.1 (2)によりPPは局所絶対連続であり、ほとんど至る所で

P′=AΦ0e−tB−Φ0e−tBB=AP−PBP'=A\Phi_0e^{-tB}-\Phi_0e^{-tB}B=AP-PB

である。§E13.2 系 3.2 (2)によりP−1P^{-1}は局所絶対連続である。x∈ACloc(R;Cd)\boldsymbol x\in AC_{\mathrm{loc}}(\R;\C^d)についてz=P−1x\boldsymbol z=P^{-1}\boldsymbol xは局所絶対連続であり、x=Pz\boldsymbol x=P\boldsymbol zに§E13.2 定理 3.1 (2)を適用すると、ほとんど至る所で

x′=P′z+Pz′=APz−PBz+Pz′=Ax+P(z′−Bz)\boldsymbol x'=P'\boldsymbol z+P\boldsymbol z'=AP\boldsymbol z-PB\boldsymbol z+P\boldsymbol z'=A\boldsymbol x+P\bigl(\boldsymbol z'-B\boldsymbol z\bigr)

である。P(t)P(t)は可逆であるから、ほとんど至る所でx′=Ax\boldsymbol x'=A\boldsymbol xとなることは、ほとんど至る所でz′=Bz\boldsymbol z'=B\boldsymbol zとなるための必要十分条件である。▨

例 2.4.T>0T>0、c∈R∖{0}c\in\R\setminus\{0\}とし、ϑ∈R\vartheta\in\Rについて

R(ϑ)=(cos⁡ϑ−sin⁡ϑsin⁡ϑcos⁡ϑ),J=(0−110),D(t)=(100ect)R(\vartheta)=\begin{pmatrix}\cos\vartheta&-\sin\vartheta\\\sin\vartheta&\cos\vartheta\end{pmatrix},\qquad J=\begin{pmatrix}0&-1\\1&0\end{pmatrix},\qquad D(t)=\begin{pmatrix}1&0\\0&e^{ct}\end{pmatrix}

とおく。Φ(t)=R(πt/T)D(t)\Phi(t)=R(\pi t/T)D(t)とし、

A(t)=πTJ+R(πt/T)(000c)R(πt/T)−1A(t)=\frac{\pi}{T}J+R(\pi t/T)\begin{pmatrix}0&0\\0&c\end{pmatrix}R(\pi t/T)^{-1}

とおく。このとき、AAは連続な実行列値関数であり、R(ϑ+π)=−R(ϑ)R(\vartheta+\pi)=-R(\vartheta)であるからA(t+T)=A(t)A(t+T)=A(t)である。ddϑR(ϑ)=JR(ϑ)\frac{d}{d\vartheta}R(\vartheta)=JR(\vartheta)により

Φ′(t)=πTJR(πt/T)D(t)+R(πt/T)(000c)D(t)=A(t)Φ(t)\Phi'(t)=\frac{\pi}{T}JR(\pi t/T)D(t)+R(\pi t/T)\begin{pmatrix}0&0\\0&c\end{pmatrix}D(t)=A(t)\Phi(t)

であり、det⁡Φ(t)=ect≠0\det\Phi(t)=e^{ct}\ne0、Φ(0)=I\Phi(0)=Iであるから、Φ\PhiはこのTT周期線形系のΦ0\Phi_0である。モノドロミー行列は

M=Φ(T)=R(π)D(T)=(−100−ecT)M=\Phi(T)=R(\pi)D(T)=\begin{pmatrix}-1&0\\0&-e^{cT}\end{pmatrix}

であり、Floquet 乗数−1-1と−ecT-e^{cT}は相異なる負の実数である。

eTB=Me^{TB}=Mを満たすB∈R2×2B\in\R^{2\times2}は存在しない。実際、そのようなBBの固有値をβ1,β2\beta_1,\beta_2とすると、系 2.2 (3)により{eTβ1,eTβ2}={−1,−ecT}\{e^{T\beta_1},e^{T\beta_2}\}=\{-1,-e^{cT}\}である。eTβ1<0e^{T\beta_1}<0であるからβ1∉R\beta_1\notin\Rであり、BBは実行列であるからβ2=β1‾\beta_2=\overline{\beta_1}である。するとeTβ2=eTβ1‾=eTβ1e^{T\beta_2}=\overline{e^{T\beta_1}}=e^{T\beta_1}となり、二つの乗数が相異なることに反する。従って、実のTT周期のPPとB∈R2×2B\in\R^{2\times2}でΦ0=PetB\Phi_0=Pe^{tB}となるものは存在しない。そのようなP,BP,BがあればP(0)=Φ0(0)=IP(0)=\Phi_0(0)=Iであり、M=Φ0(T)=P(T)eTB=eTBM=\Phi_0(T)=P(T)e^{TB}=e^{TB}となるからである。定理 2.3 (2)の周期2T2TをTTへ替えることはできない。

この系では、B=diag⁡(0,c)B=\operatorname{diag}(0,c)とP(t)=R(πt/T)P(t)=R(\pi t/T)が定理 2.3 (2)の結論を満たす。実際、e2TB=diag⁡(1,e2cT)=M2e^{2TB}=\operatorname{diag}(1,e^{2cT})=M^2であり、PPは実の2T2T周期関数でP(0)=IP(0)=I、Φ0(t)=P(t)etB\Phi_0(t)=P(t)e^{tB}である。

3 乗数による安定性の判定

系 3.1.d∈N≥1d\in\NNとし、Cd\C^dにノルム∥⋅∥\lVert\cdot\rVertを固定し、行列には作用素ノルムを用いる。B∈Cd×dB\in\C^{d\times d}とし、α\alphaをBBの固有値の実部の最大値とする。このとき、次が成り立つ。

  1. 任意のγ>α\gamma>\alphaについて、あるC≥1C\ge1が存在して、すべてのt≥0t\ge0で∥etB∥≤Ceγt\lVert e^{tB}\rVert\le Ce^{\gamma t}が成り立つ。
  2. sup⁡t≥0∥etB∥<∞\sup_{t\ge0}\lVert e^{tB}\rVert<\inftyであることは、BBのすべての固有値β\betaがℜβ≤0\Re\beta\le0を満たし、ℜβ=0\Re\beta=0を満たす固有値がすべてBBの半単純固有値であるための必要十分条件である。
  3. β\betaをBBの固有値、v\boldsymbol vをその固有ベクトルとすると、すべてのt∈Rt\in\RでetBv=etβve^{tB}\boldsymbol v=e^{t\beta}\boldsymbol vであり、∥etBv∥=etℜβ∥v∥\lVert e^{tB}\boldsymbol v\rVert=e^{t\Re\beta}\lVert\boldsymbol v\rVertである。

証明.§E13.12 補題 6.4 (1)の後半と§E13.12 補題 6.4 (2)をK=C\mathbb K=\Cと作用素ノルムに適用し、§E13.12 補題 6.2 (3)をz=t∈Rz=t\in\Rに適用すればよい。定義 2.1により、BBの固有値β\betaが半単純固有値であることは、Gβ(B)=ker⁡(B−βI)G_\beta(B)=\ker(B-\beta I)であるための必要十分条件である。▨

定理 3.2.K∈{R,C}\mathbb K\in\{\R,\C\}、d∈N≥1d\in\NN、T>0T>0とし、Cd\C^dにノルム∥⋅∥\lVert\cdot\rVertを固定する。x′=A(t)x\boldsymbol x'=A(t)\boldsymbol xをTT周期線形系、MMをそのモノドロミー行列、ρ1,…,ρd\rho_1,\ldots,\rho_dを Floquet 乗数とし、この系の局所絶対連続解x ⁣:R→Cd\boldsymbol x\colon\R\to\C^dを考える。このとき、次が成り立つ。

  1. すべての解がt→∞t\to\inftyで0\boldsymbol 0に収束することは、すべてのjjで∣ρj∣<1\lvert\rho_j\rvert<1となるための必要十分条件である。このとき、あるC≥1C\ge1とγ>0\gamma>0が存在して、すべての解x\boldsymbol xとs≤ts\le tを満たすすべてのs,t∈Rs,t\in\Rについて∥x(t)∥≤Ce−γ(t−s)∥x(s)∥\lVert\boldsymbol x(t)\rVert\le Ce^{-\gamma(t-s)}\lVert\boldsymbol x(s)\rVertが成り立つ。
  2. すべての解が[0,∞)[0,\infty)上で有界であることは、すべてのjjで∣ρj∣≤1\lvert\rho_j\rvert\le1であり、絶対値が11の Floquet 乗数がすべてMMの半単純固有値であるための必要十分条件である。
  3. ∣ρ∣>1\lvert\rho\rvert>1を満たす Floquet 乗数ρ\rhoが存在すれば、すべてのt∈Rt\in\Rとn∈Zn\in\Zについて∥x(t+nT)∥=∣ρ∣n∥x(t)∥\lVert\boldsymbol x(t+nT)\rVert=\lvert\rho\rvert^n\lVert\boldsymbol x(t)\rVertを満たす解x≠0\boldsymbol x\ne\boldsymbol 0が存在する。この解は[0,∞)[0,\infty)上で有界でない。
  4. K=R\mathbb K=\Rならば、主張 (1)と主張 (2)の同値は、解を実数値の解に限っても成り立つ。

証明.定理 2.3 (1)によりeTB=Me^{TB}=Mを満たすBBとTT周期のPPでΦ0(t)=P(t)etB\Phi_0(t)=P(t)e^{tB}となるものを取る。PPとP−1P^{-1}は連続なTT周期関数であるからKP=sup⁡t∥P(t)∥⋅sup⁡t∥P(t)−1∥<∞K_P=\sup_t\lVert P(t)\rVert\cdot\sup_t\lVert P(t)^{-1}\rVert<\inftyである。§E13.9 定理 2.2により各解はx(t)=Φ0(t)x(0)\boldsymbol x(t)=\Phi_0(t)\boldsymbol x(0)と書かれるから、§E13.12 定理 2.1により

x(t)=Φ0(t)Φ0(s)−1x(s)=P(t)e(t−s)BP(s)−1x(s),∥x(t)∥≤KP∥e(t−s)B∥∥x(s)∥\boldsymbol x(t)=\Phi_0(t)\Phi_0(s)^{-1}\boldsymbol x(s)=P(t)e^{(t-s)B}P(s)^{-1}\boldsymbol x(s),\qquad \lVert\boldsymbol x(t)\rVert\le K_P\bigl\lVert e^{(t-s)B}\bigr\rVert\lVert\boldsymbol x(s)\rVert

が成り立ち、etB=P(t)−1Φ0(t)e^{tB}=P(t)^{-1}\Phi_0(t)である。定理 2.3 (1)により、BBの固有値β\betaと Floquet 乗数はρ=eTβ\rho=e^{T\beta}、∣ρ∣=eTℜβ\lvert\rho\rvert=e^{T\Re\beta}で重複度込みで対応する。

主張 (1)を示す。すべての∣ρj∣<1\lvert\rho_j\rvert<1ならばBBの固有値の実部の最大値α\alphaは負である。γ=−α/2\gamma=-\alpha/2とおくと−γ>α-\gamma>\alphaであるから、系 3.1 (1)により∥etB∥≤C′e−γt\lVert e^{tB}\rVert\le C'e^{-\gamma t}(t≥0t\ge0)を満たすC′≥1C'\ge1があり、C=KPC′C=K_PC'として主張の評価を得る。s=0s=0とすると、すべての解は0\boldsymbol 0に収束する。逆に∣ρ∣≥1\lvert\rho\rvert\ge1の Floquet 乗数ρ\rhoがあれば、命題 1.6 (1)により乗数ρ\rhoの Floquet 解x\boldsymbol xがあり、∥x(nT)∥=∣ρ∣n∥x(0)∥≥∥x(0)∥>0\lVert\boldsymbol x(nT)\rVert=\lvert\rho\rvert^n\lVert\boldsymbol x(0)\rVert\ge\lVert\boldsymbol x(0)\rVert>0であるから、x\boldsymbol xは0\boldsymbol 0に収束しない。

主張 (2)を示す。∣ρ∣=1\lvert\rho\rvert=1の Floquet 乗数ρ\rhoについて、eTβ=ρe^{T\beta}=\rhoを満たすBBの固有値β\betaはℜβ=0\Re\beta=0を満たし、ℜβ=0\Re\beta=0を満たすBBの各固有値β\betaは絶対値が11の Floquet 乗数eTβe^{T\beta}に対応する。またGTβ(TB)=Gβ(B)G_{T\beta}(TB)=G_\beta(B)、ker⁡(TB−TβI)=ker⁡(B−βI)\ker(TB-T\beta I)=\ker(B-\beta I)であるから、系 2.2 (4)をTBTBに適用すると、ρ\rhoがMMの半単純固有値であることは、eTβ=ρe^{T\beta}=\rhoを満たすBBの固有値β\betaがすべてBBの半単純固有値であるための必要十分条件である。従って乗数についての条件が成り立つことは、系 3.1 (2)のBBの固有値についての条件が成り立つための必要十分条件である。その条件の下ではsup⁡t≥0∥etB∥<∞\sup_{t\ge0}\lVert e^{tB}\rVert<\inftyであり、s=0s=0とした評価からすべての解は[0,∞)[0,\infty)上で有界である。逆にすべての解が[0,∞)[0,\infty)上で有界ならば、Φ0\Phi_0の各列が有界であるからetB=P(t)−1Φ0(t)e^{tB}=P(t)^{-1}\Phi_0(t)は[0,∞)[0,\infty)上で有界であり、系 3.1 (2)によりBBの固有値についての条件が成り立つ。

主張 (3)を示す。命題 1.6 (1)により乗数ρ\rhoの Floquet 解x\boldsymbol xがある。x(t+T)=ρx(t)\boldsymbol x(t+T)=\rho\boldsymbol x(t)をnn回および逆向きに用いるとx(t+nT)=ρnx(t)\boldsymbol x(t+nT)=\rho^n\boldsymbol x(t)(n∈Zn\in\Z)であり、x(0)≠0\boldsymbol x(0)\ne\boldsymbol 0であるから∥x(nT)∥=∣ρ∣n∥x(0)∥→∞\lVert\boldsymbol x(nT)\rVert=\lvert\rho\rvert^n\lVert\boldsymbol x(0)\rVert\to\infty(n→∞n\to\infty)である。

主張 (4)を示す。AAが実行列値ならば、解x\boldsymbol xの積分表示の複素共役をとるとx‾\overline{\boldsymbol x}も解であるから、ℜx=(x+x‾)/2\Re\boldsymbol x=(\boldsymbol x+\overline{\boldsymbol x})/2とℑx\Im\boldsymbol xは実数値の解である。すべての実数値の解が0\boldsymbol 0に収束する([0,∞)[0,\infty)上で有界である)ならば、x=ℜx+iℑx\boldsymbol x=\Re\boldsymbol x+i\Im\boldsymbol xにより、すべての解が同じ性質をもつ。実数値の解は解であるから、逆向きも成り立つ。▨

4 随伴系と周期系の Fredholm の交代定理

定義 4.1.K∈{R,C}\mathbb K\in\{\R,\C\}、d∈N≥1d\in\NN、J⊆RJ\subseteq\Rを内部が空でない区間とし、A∈Lloc1(J;Kd×d)A\in L^1_{\mathrm{loc}}(J;\mathbb K^{d\times d})とする。行列とベクトルの共役転置をX∗X^*と書く(K=R\mathbb K=\Rの実行列では転置である)。同次系ψ′=−A(t)∗ψ\boldsymbol\psi'=-A(t)^*\boldsymbol\psiを、x′=A(t)x\boldsymbol x'=A(t)\boldsymbol xの随伴系 (adjoint system) という。

補題 4.2.K∈{R,C}\mathbb K\in\{\R,\C\}、d∈N≥1d\in\NN、J⊆RJ\subseteq\Rを内部が空でない区間とし、A∈Lloc1(J;Kd×d)A\in L^1_{\mathrm{loc}}(J;\mathbb K^{d\times d})、b∈Lloc1(J;Kd)\boldsymbol b\in L^1_{\mathrm{loc}}(J;\mathbb K^d)とする。このとき、次が成り立つ。

  1. x\boldsymbol xがx′=A(t)x+b(t)\boldsymbol x'=A(t)\boldsymbol x+\boldsymbol b(t)のJJ上の局所絶対連続解、ψ\boldsymbol\psiが随伴系ψ′=−A(t)∗ψ\boldsymbol\psi'=-A(t)^*\boldsymbol\psiのJJ上の局所絶対連続解ならば、ψ∗x\boldsymbol\psi^*\boldsymbol xはJJ上で局所絶対連続であり、ほとんど至る所で(ψ∗x)′=ψ∗b(\boldsymbol\psi^*\boldsymbol x)'=\boldsymbol\psi^*\boldsymbol bが成り立つ。
  2. Φ\Phiがx′=A(t)x\boldsymbol x'=A(t)\boldsymbol xの基本行列ならば、(Φ∗)−1(\Phi^*)^{-1}は随伴系の基本行列である。

証明.主張 (1)を示す。複素共役はKd\mathbb K^dの実線形な等長写像であるから、ψ‾\overline{\boldsymbol\psi}は局所絶対連続であり、ほとんど至る所でψ‾ ′=ψ′‾\overline{\boldsymbol\psi}\,'=\overline{\boldsymbol\psi'}である。ψ∗x=ψ‾Tx\boldsymbol\psi^*\boldsymbol x=\overline{\boldsymbol\psi}^{\mathsf T}\boldsymbol xに双線形写像(u,v)↦uTv(\boldsymbol u,\boldsymbol v)\mapsto\boldsymbol u^{\mathsf T}\boldsymbol vの積の微分§E13.2 定理 3.1 (2)を適用すると、ψ∗x\boldsymbol\psi^*\boldsymbol xは局所絶対連続であり、ほとんど至る所で

(ψ∗x)′=(ψ′)∗x+ψ∗x′=−ψ∗Ax+ψ∗(Ax+b)=ψ∗b(\boldsymbol\psi^*\boldsymbol x)'=(\boldsymbol\psi')^*\boldsymbol x+\boldsymbol\psi^*\boldsymbol x'=-\boldsymbol\psi^*A\boldsymbol x+\boldsymbol\psi^*(A\boldsymbol x+\boldsymbol b)=\boldsymbol\psi^*\boldsymbol b

である。

主張 (2)を示す。§E13.2 系 3.2 (2)によりΦ−1\Phi^{-1}は局所絶対連続であり、ほとんど至る所で(Φ−1)′=−Φ−1Φ′Φ−1=−Φ−1A(\Phi^{-1})'=-\Phi^{-1}\Phi'\Phi^{-1}=-\Phi^{-1}Aである。Ψ=(Φ∗)−1=(Φ−1)∗\Psi=(\Phi^*)^{-1}=(\Phi^{-1})^*は局所絶対連続であり、ほとんど至る所でΨ′=((Φ−1)′)∗=−A∗Ψ\Psi'=\bigl((\Phi^{-1})'\bigr)^*=-A^*\Psiである。det⁡Ψ=det⁡Φ‾−1≠0\det\Psi=\overline{\det\Phi}^{-1}\ne0であるから、Ψ\Psiは随伴系の基本行列である。▨

補題 4.3.K∈{R,C}\mathbb K\in\{\R,\C\}、d∈N≥1d\in\NN、T>0T>0とし、A∈L1([0,T];Kd×d)A\in L^1([0,T];\mathbb K^{d\times d})、b∈L1([0,T];Kd)\boldsymbol b\in L^1([0,T];\mathbb K^d)、ρ∈K\rho\in\mathbb Kとする。Φ0\Phi_0をx′=A(t)x\boldsymbol x'=A(t)\boldsymbol xの[0,T][0,T]上の基本行列でΦ0(0)=I\Phi_0(0)=Iを満たすものとし、M=Φ0(T)M=\Phi_0(T)、c=∫0TΦ0(s)−1b(s) ds\boldsymbol c=\int_0^T\Phi_0(s)^{-1}\boldsymbol b(s)\,dsとおく。ξ∈Kd\boldsymbol\xi\in\mathbb K^dについて

xξ(t)=Φ0(t)[ξ+∫0tΦ0(s)−1b(s) ds](t∈[0,T])\boldsymbol x_{\boldsymbol\xi}(t)=\Phi_0(t)\left[\boldsymbol\xi+\int_0^t\Phi_0(s)^{-1}\boldsymbol b(s)\,ds\right]\qquad(t\in[0,T])

とおく。このとき、ξ↦xξ\boldsymbol\xi\mapsto\boldsymbol x_{\boldsymbol\xi}は、Kd\mathbb K^dから、ほとんど至る所でx′=A(t)x+b(t)\boldsymbol x'=A(t)\boldsymbol x+\boldsymbol b(t)を満たすx∈AC([0,T];Kd)\boldsymbol x\in AC([0,T];\mathbb K^d)の全体への全単射であり、その逆写像はx↦x(0)\boldsymbol x\mapsto\boldsymbol x(0)である。さらに、(ρI−M)ξ=Mc(\rho I-M)\boldsymbol\xi=M\boldsymbol cであることは、xξ(T)=ρ xξ(0)\boldsymbol x_{\boldsymbol\xi}(T)=\rho\,\boldsymbol x_{\boldsymbol\xi}(0)であるための必要十分条件である。

証明.§E13.11 定理 2.1をI=[0,T]I=[0,T]、t0=0t_0=0、η=ξ\boldsymbol\eta=\boldsymbol\xiとして適用すると、xξ\boldsymbol x_{\boldsymbol\xi}はx(0)=ξ\boldsymbol x(0)=\boldsymbol\xiを満たす方程式の一意な絶対連続解である。従ってξ↦xξ\boldsymbol\xi\mapsto\boldsymbol x_{\boldsymbol\xi}は全単射であり、逆写像はx↦x(0)\boldsymbol x\mapsto\boldsymbol x(0)である。xξ(T)=Mξ+Mc\boldsymbol x_{\boldsymbol\xi}(T)=M\boldsymbol\xi+M\boldsymbol c、xξ(0)=ξ\boldsymbol x_{\boldsymbol\xi}(0)=\boldsymbol\xiであるから、xξ(T)=ρ xξ(0)\boldsymbol x_{\boldsymbol\xi}(T)=\rho\,\boldsymbol x_{\boldsymbol\xi}(0)であることは、(ρI−M)ξ=Mc(\rho I-M)\boldsymbol\xi=M\boldsymbol cであるための必要十分条件である。▨

定理 4.4 (周期系の Fredholm の交代定理).K∈{R,C}\mathbb K\in\{\R,\C\}、d∈N≥1d\in\NN、T>0T>0とし、A∈L1([0,T];Kd×d)A\in L^1([0,T];\mathbb K^{d\times d})、b∈L1([0,T];Kd)\boldsymbol b\in L^1([0,T];\mathbb K^d)、ρ∈K∖{0}\rho\in\mathbb K\setminus\{0\}とする。Φ0\Phi_0をx′=A(t)x\boldsymbol x'=A(t)\boldsymbol xの[0,T][0,T]上の基本行列でΦ0(0)=I\Phi_0(0)=Iを満たすものとし、M=Φ0(T)M=\Phi_0(T)とおく。境界値問題

x′=A(t)x+b(t)ほとんど至る所,x(T)=ρ x(0)\boldsymbol x'=A(t)\boldsymbol x+\boldsymbol b(t)\quad\text{ほとんど至る所},\qquad\boldsymbol x(T)=\rho\,\boldsymbol x(0)

の解とは、これを満たすx∈AC([0,T];Kd)\boldsymbol x\in AC([0,T];\mathbb K^d)をいう。b=0\boldsymbol b=\boldsymbol 0の場合のこの問題の解全体をNρ\mathcal N_\rhoと書き、随伴問題

ψ′=−A(t)∗ψほとんど至る所,ψ(T)=ρ‾ −1ψ(0)\boldsymbol\psi'=-A(t)^*\boldsymbol\psi\quad\text{ほとんど至る所},\qquad\boldsymbol\psi(T)=\overline\rho^{\,-1}\boldsymbol\psi(0)

を満たすψ∈AC([0,T];Kd)\boldsymbol\psi\in AC([0,T];\mathbb K^d)全体をNρ∗\mathcal N^*_\rhoと書く。このとき、次が成り立つ。

  1. 境界値問題が解をもつことは、すべてのψ∈Nρ∗\boldsymbol\psi\in\mathcal N^*_\rhoについて∫0Tψ(t)∗b(t) dt=0\int_0^T\boldsymbol\psi(t)^*\boldsymbol b(t)\,dt=0となるための必要十分条件である。
  2. dim⁡KNρ=dim⁡KNρ∗=dim⁡Kker⁡(M−ρI)\dim_{\mathbb K}\mathcal N_\rho=\dim_{\mathbb K}\mathcal N^*_\rho=\dim_{\mathbb K}\ker(M-\rho I)である。
  3. 境界値問題が解xp\boldsymbol x_pをもつならば、その解の全体はxp+Nρ\boldsymbol x_p+\mathcal N_\rhoである。
  4. 特に、A∈Lloc1(R;Kd×d)A\in L^1_{\mathrm{loc}}(\R;\mathbb K^{d\times d})とb∈Lloc1(R;Kd)\boldsymbol b\in L^1_{\mathrm{loc}}(\R;\mathbb K^d)がほとんどすべてのttでA(t+T)=A(t)A(t+T)=A(t)、b(t+T)=b(t)\boldsymbol b(t+T)=\boldsymbol b(t)を満たすならば、x′=A(t)x+b(t)\boldsymbol x'=A(t)\boldsymbol x+\boldsymbol b(t)のR\R上のTT周期の局所絶対連続解を[0,T][0,T]へ制限する写像は、それらの解の全体からρ=1\rho=1の境界値問題の解の全体への全単射である。従って、TT周期の局所絶対連続解が存在することは、随伴系ψ′=−A(t)∗ψ\boldsymbol\psi'=-A(t)^*\boldsymbol\psiのR\R上のすべてのTT周期の局所絶対連続解ψ\boldsymbol\psiについて∫0Tψ∗b dt=0\int_0^T\boldsymbol\psi^*\boldsymbol b\,dt=0となるための必要十分条件である。

証明.c=∫0TΦ0(s)−1b(s) ds\boldsymbol c=\int_0^T\Phi_0(s)^{-1}\boldsymbol b(s)\,dsとおく。補題 4.3により、境界値問題の解は(ρI−M)ξ=Mc(\rho I-M)\boldsymbol\xi=M\boldsymbol cを満たすξ\boldsymbol\xiについてのxξ\boldsymbol x_{\boldsymbol\xi}の全体である。従って、境界値問題が解をもつことは、Mc∈im⁡(ρI−M)M\boldsymbol c\in\operatorname{im}(\rho I-M)であるための必要十分条件である。b=0\boldsymbol b=\boldsymbol 0ではc=0\boldsymbol c=\boldsymbol 0、xξ=Φ0ξ\boldsymbol x_{\boldsymbol\xi}=\Phi_0\boldsymbol\xiであるから、ξ↦Φ0ξ\boldsymbol\xi\mapsto\Phi_0\boldsymbol\xiはker⁡(ρI−M)\ker(\rho I-M)からNρ\mathcal N_\rhoへの線形同型である。

補題 4.2 (2)によりΨ0=(Φ0∗)−1\Psi_0=(\Phi_0^*)^{-1}は随伴系の基本行列でΨ0(0)=I\Psi_0(0)=Iであるから、§E13.9 定理 2.2により随伴系の各解はψ=Ψ0ζ\boldsymbol\psi=\Psi_0\boldsymbol\zeta(ζ=ψ(0)\boldsymbol\zeta=\boldsymbol\psi(0))と書かれる。ψ(T)=(M∗)−1ζ\boldsymbol\psi(T)=(M^*)^{-1}\boldsymbol\zetaであるから、ψ∈Nρ∗\boldsymbol\psi\in\mathcal N^*_\rhoであることは、M∗ζ=ρ‾ ζM^*\boldsymbol\zeta=\overline\rho\,\boldsymbol\zeta、すなわちζ∈ker⁡((ρI−M)∗)\boldsymbol\zeta\in\ker\bigl((\rho I-M)^*\bigr)であるための必要十分条件であり、ζ↦Ψ0ζ\boldsymbol\zeta\mapsto\Psi_0\boldsymbol\zetaはker⁡((ρI−M)∗)\ker\bigl((\rho I-M)^*\bigr)からNρ∗\mathcal N^*_\rhoへの線形同型である。ψ=Ψ0ζ∈Nρ∗\boldsymbol\psi=\Psi_0\boldsymbol\zeta\in\mathcal N^*_\rhoについてψ(t)∗=ζ∗Φ0(t)−1\boldsymbol\psi(t)^*=\boldsymbol\zeta^*\Phi_0(t)^{-1}であるから

∫0Tψ∗b dt=ζ∗c,ζ∗Mc=(M∗ζ)∗c=ρ ζ∗c\int_0^T\boldsymbol\psi^*\boldsymbol b\,dt=\boldsymbol\zeta^*\boldsymbol c,\qquad \boldsymbol\zeta^*M\boldsymbol c=(M^*\boldsymbol\zeta)^*\boldsymbol c=\rho\,\boldsymbol\zeta^*\boldsymbol c

である。

正方行列N∈Kd×dN\in\mathbb K^{d\times d}について、im⁡N\operatorname{im}Nはker⁡N∗\ker N^*のすべての元ζ\boldsymbol\zetaについてζ∗v=0\boldsymbol\zeta^*\boldsymbol v=0を満たすv\boldsymbol vの全体VVに等しい。実際、ζ∈ker⁡N∗\boldsymbol\zeta\in\ker N^*ならばζ∗Nv=(N∗ζ)∗v=0\boldsymbol\zeta^*N\boldsymbol v=(N^*\boldsymbol\zeta)^*\boldsymbol v=0であるからim⁡N⊆V\operatorname{im}N\subseteq Vである。ker⁡N∗\ker N^*の基底をζ1,…,ζk\boldsymbol\zeta_1,\ldots,\boldsymbol\zeta_kとすると、ζ1∗,…,ζk∗\boldsymbol\zeta_1^*,\ldots,\boldsymbol\zeta_k^*を行とするk×dk\times d行列は階数kkであり、VVはその核であるから、dim⁡V=d−k=rank⁡N∗=rank⁡N=dim⁡im⁡N\dim V=d-k=\operatorname{rank}N^*=\operatorname{rank}N=\dim\operatorname{im}Nである。

主張 (1)を示す。N=ρI−MN=\rho I-Mに前段を適用すると、境界値問題が解をもつことは、すべてのζ∈ker⁡((ρI−M)∗)\boldsymbol\zeta\in\ker\bigl((\rho I-M)^*\bigr)についてζ∗Mc=0\boldsymbol\zeta^*M\boldsymbol c=0となるための必要十分条件である。ρ≠0\rho\ne0であるから、境界値問題が解をもつことは、すべてのζ∈ker⁡((ρI−M)∗)\boldsymbol\zeta\in\ker\bigl((\rho I-M)^*\bigr)についてζ∗c=0\boldsymbol\zeta^*\boldsymbol c=0となること、すなわちすべてのψ∈Nρ∗\boldsymbol\psi\in\mathcal N^*_\rhoについて∫0Tψ∗b dt=0\int_0^T\boldsymbol\psi^*\boldsymbol b\,dt=0となるための必要十分条件である。

主張 (2)を示す。第一段によりdim⁡Nρ=dim⁡ker⁡(M−ρI)\dim\mathcal N_\rho=\dim\ker(M-\rho I)であり、第二段によりdim⁡Nρ∗=dim⁡ker⁡((ρI−M)∗)=d−rank⁡(ρI−M)=dim⁡ker⁡(M−ρI)\dim\mathcal N^*_\rho=\dim\ker\bigl((\rho I-M)^*\bigr)=d-\operatorname{rank}(\rho I-M)=\dim\ker(M-\rho I)である。

主張 (3)を示す。境界値問題の二つの解の差はb=0\boldsymbol b=\boldsymbol 0の境界値問題の解であり、xp\boldsymbol x_pとNρ\mathcal N_\rhoの元の和は境界値問題の解である。

主張 (4)を示す。R\R上のTT周期の解の制限はx(T)=x(0)\boldsymbol x(T)=\boldsymbol x(0)を満たす。y\boldsymbol yをρ=1\rho=1の境界値問題の解とし、§E13.9 定理 1.1によりx(0)=y(0)\boldsymbol x(0)=\boldsymbol y(0)を満たすR\R上の解x\boldsymbol xを取ると、[0,T][0,T]上の一意性によりx∣[0,T]=y\boldsymbol x|_{[0,T]}=\boldsymbol yである。z(t)=x(t+T)\boldsymbol z(t)=\boldsymbol x(t+T)は局所絶対連続であり、AAとb\boldsymbol bの周期性と零集合の平行移動が零集合であることから同じ方程式の解であり、z(0)=y(T)=y(0)=x(0)\boldsymbol z(0)=\boldsymbol y(T)=\boldsymbol y(0)=\boldsymbol x(0)であるから、一意性によりz=x\boldsymbol z=\boldsymbol xである。従ってx\boldsymbol xはTT周期であり、制限写像は全射である。同じ制限をもつ二つのTT周期の解は[0,T][0,T]上で一致し、周期性によりR\R上で一致するから、制限写像は単射である。−A∗-A^*もTT周期であるから、随伴系に同じ議論をb=0\boldsymbol b=\boldsymbol 0で適用すると、随伴系のR\R上のTT周期の解の制限の全体はN1∗\mathcal N^*_1である。主張 (1)をρ=1\rho=1で適用して結論を得る。▨

系 4.5.K∈{R,C}\mathbb K\in\{\R,\C\}、d∈N≥1d\in\NN、T>0T>0とし、Kd\mathbb K^dにノルム∥⋅∥\lVert\cdot\rVertを固定し、行列には作用素ノルムを用いる。A∈L1([0,T];Kd×d)A\in L^1([0,T];\mathbb K^{d\times d})、ρ∈K∖{0}\rho\in\mathbb K\setminus\{0\}とし、Φ0\Phi_0をx′=A(t)x\boldsymbol x'=A(t)\boldsymbol xの[0,T][0,T]上の基本行列でΦ0(0)=I\Phi_0(0)=Iを満たすもの、M=Φ0(T)M=\Phi_0(T)とする。このとき、ρ\rhoがMMの固有値でないならば、すべてのb∈L1([0,T];Kd)\boldsymbol b\in L^1([0,T];\mathbb K^d)について、境界値問題x′=A(t)x+b(t)\boldsymbol x'=A(t)\boldsymbol x+\boldsymbol b(t)(ほとんど至る所)、x(T)=ρx(0)\boldsymbol x(T)=\rho\boldsymbol x(0)はAC([0,T];Kd)AC([0,T];\mathbb K^d)にただ一つの解をもち、その解はすべてのt∈[0,T]t\in[0,T]で

x(t)=∫0TG(t,s)b(s) ds,G(t,s)={Φ0(t)(ρI−M)−1ρ Φ0(s)−1(0≤s≤t≤T),Φ0(t)(ρI−M)−1M Φ0(s)−1(0≤t<s≤T)\boldsymbol x(t)=\int_0^TG(t,s)\boldsymbol b(s)\,ds,\qquad G(t,s)=\begin{cases}\Phi_0(t)(\rho I-M)^{-1}\rho\,\Phi_0(s)^{-1}&(0\le s\le t\le T),\\[2pt]\Phi_0(t)(\rho I-M)^{-1}M\,\Phi_0(s)^{-1}&(0\le t<s\le T)\end{cases}

と表される。さらにKG=sup⁡t,s∈[0,T]∥G(t,s)∥<∞K_G=\sup_{t,s\in[0,T]}\lVert G(t,s)\rVert<\inftyであり、sup⁡t∈[0,T]∥x(t)∥≤KG∫0T∥b(s)∥ ds\sup_{t\in[0,T]}\lVert\boldsymbol x(t)\rVert\le K_G\int_0^T\lVert\boldsymbol b(s)\rVert\,dsである。

証明.ρI−M\rho I-Mは可逆である。c=∫0TΦ0(s)−1b(s) ds\boldsymbol c=\int_0^T\Phi_0(s)^{-1}\boldsymbol b(s)\,dsとおくと、補題 4.3により、境界値問題の解は(ρI−M)ξ=Mc(\rho I-M)\boldsymbol\xi=M\boldsymbol c、すなわちξ=(ρI−M)−1Mc\boldsymbol\xi=(\rho I-M)^{-1}M\boldsymbol cを満たすξ\boldsymbol\xiについてのxξ\boldsymbol x_{\boldsymbol\xi}の全体である。従って解はただ一つであり、c\boldsymbol cを[0,t][0,t]と(t,T](t,T]上の積分に分けると

x(t)=∫0tΦ0(t)[(ρI−M)−1M+I]Φ0(s)−1b(s) ds+∫tTΦ0(t)(ρI−M)−1MΦ0(s)−1b(s) ds\boldsymbol x(t)=\int_0^t\Phi_0(t)\bigl[(\rho I-M)^{-1}M+I\bigr]\Phi_0(s)^{-1}\boldsymbol b(s)\,ds+\int_t^T\Phi_0(t)(\rho I-M)^{-1}M\Phi_0(s)^{-1}\boldsymbol b(s)\,ds

である。(ρI−M)−1M+I=(ρI−M)−1(M+ρI−M)=(ρI−M)−1ρ(\rho I-M)^{-1}M+I=(\rho I-M)^{-1}(M+\rho I-M)=(\rho I-M)^{-1}\rhoにより主張の表示を得る。Φ0\Phi_0とΦ0−1\Phi_0^{-1}は[0,T][0,T]上で連続であるからKG<∞K_G<\inftyである。t∈[0,T]t\in[0,T]を固定し、§E13.2 補題 1.3 (2)を可積分関数s↦G(t,s)b(s)s\mapsto G(t,s)\boldsymbol b(s)と固定したノルム∥⋅∥\lVert\cdot\rVertに適用すると、∥x(t)∥≤∫0T∥G(t,s)∥∥b(s)∥ ds≤KG∫0T∥b(s)∥ ds\lVert\boldsymbol x(t)\rVert\le\int_0^T\lVert G(t,s)\rVert\lVert\boldsymbol b(s)\rVert\,ds\le K_G\int_0^T\lVert\boldsymbol b(s)\rVert\,dsである。▨

系 4.6.K∈{R,C}\mathbb K\in\{\R,\C\}、d∈N≥1d\in\NN、T>0T>0とし、Kd\mathbb K^dには Euclid ノルム∣v∣=(v∗v)1/2\lvert\boldsymbol v\rvert=(\boldsymbol v^*\boldsymbol v)^{1/2}を、行列にはその作用素ノルムを用いる。A∈C(R;Kd×d)A\in C(\R;\mathbb K^{d\times d})がすべてのttでA(t+T)=A(t)A(t+T)=A(t)を満たすとし、MMをTT周期線形系x′=A(t)x\boldsymbol x'=A(t)\boldsymbol xのモノドロミー行列とする。

CT={x∈C(R;Kd):x(t+T)=x(t) (t∈R)},∥x∥∞=sup⁡t∈R∣x(t)∣,C_T=\{\boldsymbol x\in C(\R;\mathbb K^d):\boldsymbol x(t+T)=\boldsymbol x(t)\ (t\in\R)\},\qquad\lVert\boldsymbol x\rVert_\infty=\sup_{t\in\R}\lvert\boldsymbol x(t)\rvert,CT1=CT∩C1(R;Kd),∥x∥C1=∥x∥∞+∥x′∥∞C^1_T=C_T\cap C^1(\R;\mathbb K^d),\qquad\lVert\boldsymbol x\rVert_{C^1}=\lVert\boldsymbol x\rVert_\infty+\lVert\boldsymbol x'\rVert_\infty

とおき、L ⁣:CT1→CTL\colon C^1_T\to C_TをLx=x′−AxL\boldsymbol x=\boldsymbol x'-A\boldsymbol xで定める。N=ker⁡L\mathcal N=\ker Lとし、随伴系ψ′=−A(t)∗ψ\boldsymbol\psi'=-A(t)^*\boldsymbol\psiの解でCT1C^1_Tに属するもの全体をN∗\mathcal N^*と書く。このとき、次が成り立つ。

  1. (CT,∥⋅∥∞)(C_T,\lVert\cdot\rVert_\infty)と(CT1,∥⋅∥C1)(C^1_T,\lVert\cdot\rVert_{C^1})は Banach 空間であり、LLは有界線形写像である。
  2. dim⁡KN=dim⁡KN∗=dim⁡Kker⁡(M−I)≤d\dim_{\mathbb K}\mathcal N=\dim_{\mathbb K}\mathcal N^*=\dim_{\mathbb K}\ker(M-I)\le dである。
  3. LLの値域はim⁡L={b∈CT:∫0Tψ∗b dt=0 (ψ∈N∗)}\im L=\{\boldsymbol b\in C_T:\int_0^T\boldsymbol\psi^*\boldsymbol b\,dt=0\ (\boldsymbol\psi\in\mathcal N^*)\}であり、CTC_Tの閉部分空間である。CT=im⁡L⊕N∗C_T=\im L\oplus\mathcal N^*であり、この直和のN∗\mathcal N^*への射影Q ⁣:CT→CTQ\colon C_T\to C_Tは連続である。
  4. X1={x∈CT1:∫0Tϕ∗x dt=0 (ϕ∈N)}X_1=\{\boldsymbol x\in C^1_T:\int_0^T\boldsymbol\phi^*\boldsymbol x\,dt=0\ (\boldsymbol\phi\in\mathcal N)\}とおくと、CT1=N⊕X1C^1_T=\mathcal N\oplus X_1であり、L∣X1 ⁣:X1→im⁡LL|_{X_1}\colon X_1\to\im Lは全単射である。さらに、あるC>0C>0が存在して、すべてのx∈X1\boldsymbol x\in X_1で∥x∥C1≤C∥Lx∥∞\lVert\boldsymbol x\rVert_{C^1}\le C\lVert L\boldsymbol x\rVert_\inftyが成り立つ。

証明.主張 (1)を示す。x∈CT\boldsymbol x\in C_Tについてsup⁡t∈R∣x(t)∣=max⁡t∈[0,T]∣x(t)∣<∞\sup_{t\in\R}\lvert\boldsymbol x(t)\rvert=\max_{t\in[0,T]}\lvert\boldsymbol x(t)\rvert<\inftyであるから、CTC_Tは位相空間R\R上のCb(R;Kd)C_b(\R;\mathbb K^d)(Kd\mathbb K^dのノルムは∣⋅∣\lvert\cdot\rvert)の線形部分空間であり、∥⋅∥∞\lVert\cdot\rVert_\inftyはそのノルムの制限である。CTC_Tの列(xn)(\boldsymbol x_n)がCb(R;Kd)C_b(\R;\mathbb K^d)でx\boldsymbol xに収束するならば、各t∈Rt\in\Rでx(t+T)=lim⁡nxn(t+T)=lim⁡nxn(t)=x(t)\boldsymbol x(t+T)=\lim_n\boldsymbol x_n(t+T)=\lim_n\boldsymbol x_n(t)=\boldsymbol x(t)であるからx∈CT\boldsymbol x\in C_Tである。従ってCTC_Tは閉部分空間であり、§E13.4 補題 3.2により(CT,∥⋅∥∞)(C_T,\lVert\cdot\rVert_\infty)は Banach 空間である。(xn)(\boldsymbol x_n)がCT1C^1_Tの Cauchy 列ならば、前段によりCTC_Tでxn→x\boldsymbol x_n\to\boldsymbol x、xn′→w\boldsymbol x_n'\to\boldsymbol wとなり、§E13.2 補題 1.3 (2)によりxn(t)=xn(0)+∫0txn′\boldsymbol x_n(t)=\boldsymbol x_n(0)+\int_0^t\boldsymbol x_n'の極限をとってx(t)=x(0)+∫0tw\boldsymbol x(t)=\boldsymbol x(0)+\int_0^t\boldsymbol wを得る。w\boldsymbol wは連続であるからx∈C1\boldsymbol x\in C^1、x′=w\boldsymbol x'=\boldsymbol wであり、∥xn−x∥C1→0\lVert\boldsymbol x_n-\boldsymbol x\rVert_{C^1}\to0である。∥A∥∞=max⁡t∈[0,T]∥A(t)∥\lVert A\rVert_\infty=\max_{t\in[0,T]}\lVert A(t)\rVertとおくと、LxL\boldsymbol xは連続なTT周期関数であり、∥Lx∥∞≤max⁡(1,∥A∥∞)∥x∥C1\lVert L\boldsymbol x\rVert_\infty\le\max(1,\lVert A\rVert_\infty)\lVert\boldsymbol x\rVert_{C^1}である。

b∈C(R;Kd)\boldsymbol b\in C(\R;\mathbb K^d)とし、x\boldsymbol xをx′=Ax+b\boldsymbol x'=A\boldsymbol x+\boldsymbol bの局所絶対連続解とする。x\boldsymbol xの導関数はほとんど至る所で連続写像Ax+bA\boldsymbol x+\boldsymbol bに一致するから、§E13.2 系 2.7 (1)によりx\boldsymbol xはC1C^1級であり、すべてのt∈Rt\in\Rでx′(t)=A(t)x(t)+b(t)\boldsymbol x'(t)=A(t)\boldsymbol x(t)+\boldsymbol b(t)である。−A∗-A^*も連続であるから、随伴系の局所絶対連続解も同じ理由でC1C^1級である。逆にC1C^1級の関数は§E13.2 系 2.7 (2)により局所絶対連続である。従ってN\mathcal Nはx′=A(t)x\boldsymbol x'=A(t)\boldsymbol xのTT周期の局所絶対連続解の全体であり、N∗\mathcal N^*は随伴系のTT周期の局所絶対連続解の全体である。

主張 (2)を示す。R\R上の基本行列の[0,T][0,T]への制限は[0,T][0,T]上の基本行列であるから、定理 4.4のMMはモノドロミー行列に一致する。定理 4.4 (4)の制限写像によりN\mathcal NとN∗\mathcal N^*はそれぞれN1\mathcal N_1とN1∗\mathcal N^*_1に線形同型であり、定理 4.4 (2)により次元はともにdim⁡ker⁡(M−I)≤d\dim\ker(M-I)\le dである。

主張 (3)を示す。b∈CT\boldsymbol b\in C_Tがim⁡L\im Lに属することは、x′=Ax+b\boldsymbol x'=A\boldsymbol x+\boldsymbol bがTT周期の局所絶対連続解をもつための必要十分条件である。定理 4.4 (4)により、b∈im⁡L\boldsymbol b\in\im Lであることは、主張の直交条件が成り立つための必要十分条件である。ψ∈N∗\boldsymbol\psi\in\mathcal N^*についてℓψ(b)=∫0Tψ∗b dt\ell_{\boldsymbol\psi}(\boldsymbol b)=\int_0^T\boldsymbol\psi^*\boldsymbol b\,dtとおくと、Cauchy–Schwarz の不等式により∣ℓψ(b)∣≤T∥ψ∥∞∥b∥∞\lvert\ell_{\boldsymbol\psi}(\boldsymbol b)\rvert\le T\lVert\boldsymbol\psi\rVert_\infty\lVert\boldsymbol b\rVert_\inftyであるからℓψ\ell_{\boldsymbol\psi}は連続であり、im⁡L=⋂ψker⁡ℓψ\im L=\bigcap_{\boldsymbol\psi}\ker\ell_{\boldsymbol\psi}は閉である。k=dim⁡N∗k=\dim\mathcal N^*とし、k≥1k\ge1のときN∗\mathcal N^*の基底ψ1,…,ψk\boldsymbol\psi_1,\ldots,\boldsymbol\psi_kを取り、Γij=∫0Tψi∗ψj dt\Gamma_{ij}=\int_0^T\boldsymbol\psi_i^*\boldsymbol\psi_j\,dtとおく。a∈Kk\boldsymbol a\in\mathbb K^kについてa∗Γa=∫0T∣∑jajψj∣2dt\boldsymbol a^*\Gamma\boldsymbol a=\int_0^T\bigl\lvert\sum_ja_j\boldsymbol\psi_j\bigr\rvert^2dtであり、これが00ならば連続関数∑jajψj\sum_ja_j\boldsymbol\psi_jは恒等的に0\boldsymbol 0でa=0\boldsymbol a=\boldsymbol 0であるから、Γ\Gammaは可逆である。ℓ(b)=(ℓψ1(b),…,ℓψk(b))T\boldsymbol\ell(\boldsymbol b)=(\ell_{\boldsymbol\psi_1}(\boldsymbol b),\ldots,\ell_{\boldsymbol\psi_k}(\boldsymbol b))^{\mathsf T}、Qb=∑j(Γ−1ℓ(b))jψjQ\boldsymbol b=\sum_j\bigl(\Gamma^{-1}\boldsymbol\ell(\boldsymbol b)\bigr)_j\boldsymbol\psi_jとおく。QQは連続な線形写像で値はN∗\mathcal N^*にある。ψ=∑jajψj\boldsymbol\psi=\sum_ja_j\boldsymbol\psi_jについてℓ(ψ)=Γa\boldsymbol\ell(\boldsymbol\psi)=\Gamma\boldsymbol aであるからQψ=ψQ\boldsymbol\psi=\boldsymbol\psiであり、ℓ(b−Qb)=ℓ(b)−ΓΓ−1ℓ(b)=0\boldsymbol\ell(\boldsymbol b-Q\boldsymbol b)=\boldsymbol\ell(\boldsymbol b)-\Gamma\Gamma^{-1}\boldsymbol\ell(\boldsymbol b)=\boldsymbol 0であるからb−Qb∈im⁡L\boldsymbol b-Q\boldsymbol b\in\im Lである。ψ=∑jajψj∈im⁡L\boldsymbol\psi=\sum_ja_j\boldsymbol\psi_j\in\im LならばΓa=ℓ(ψ)=0\Gamma\boldsymbol a=\boldsymbol\ell(\boldsymbol\psi)=\boldsymbol 0でありψ=0\boldsymbol\psi=\boldsymbol 0である。従ってCT=im⁡L⊕N∗C_T=\im L\oplus\mathcal N^*であり、QQはそのN∗\mathcal N^*への射影である。k=0k=0ならばim⁡L=CT\im L=C_T、Q=0Q=0である。

主張 (4)を示す。N\mathcal Nの基底ϕ1,…,ϕk\boldsymbol\phi_1,\ldots,\boldsymbol\phi_kについて前段と同じ構成を行うと、Hij=∫0Tϕi∗ϕj dtH_{ij}=\int_0^T\boldsymbol\phi_i^*\boldsymbol\phi_j\,dtは可逆であり、Πx=∑j(H−1m(x))jϕj\Pi\boldsymbol x=\sum_j\bigl(H^{-1}\boldsymbol m(\boldsymbol x)\bigr)_j\boldsymbol\phi_j(m(x)i=∫0Tϕi∗x dt\boldsymbol m(\boldsymbol x)_i=\int_0^T\boldsymbol\phi_i^*\boldsymbol x\,dt)はCT1=N⊕X1C^1_T=\mathcal N\oplus X_1のN\mathcal Nへの射影である(k=0k=0ではΠ=0\Pi=0、X1=CT1X_1=C^1_Tである)。∣m(x)i∣≤T∥ϕi∥∞∥x∥∞\lvert\boldsymbol m(\boldsymbol x)_i\rvert\le T\lVert\boldsymbol\phi_i\rVert_\infty\lVert\boldsymbol x\rVert_\inftyであるから、あるCΠ≥0C_\Pi\ge0について∥Πx∥∞≤CΠ∥x∥∞\lVert\Pi\boldsymbol x\rVert_\infty\le C_\Pi\lVert\boldsymbol x\rVert_\inftyである。ker⁡L∩X1=N∩X1={0}\ker L\cap X_1=\mathcal N\cap X_1=\{\boldsymbol 0\}であるからL∣X1L|_{X_1}は単射である。

Φ0\Phi_0をΦ0(0)=I\Phi_0(0)=Iを満たす基本行列とし、KΦ=max⁡[0,T]∥Φ0∥K_\Phi=\max_{[0,T]}\lVert\Phi_0\rVert、KΦ′=max⁡[0,T]∥Φ0−1∥K'_\Phi=\max_{[0,T]}\lVert\Phi_0^{-1}\rVertとおく。(I−M)Rv=v(I-M)R\boldsymbol v=\boldsymbol vをすべてのv∈im⁡(I−M)\boldsymbol v\in\operatorname{im}(I-M)で満たすR∈Kd×dR\in\mathbb K^{d\times d}を一つ固定する(im⁡(I−M)\operatorname{im}(I-M)の基底の逆像を一つずつ取り、直交補空間上では0\boldsymbol 0と定めればよい)。b∈im⁡L\boldsymbol b\in\im Lとし、c(b)=∫0TΦ0(s)−1b(s) ds\boldsymbol c(\boldsymbol b)=\int_0^T\Phi_0(s)^{-1}\boldsymbol b(s)\,dsとおく。Lx=bL\boldsymbol x=\boldsymbol bを満たすx∈CT1\boldsymbol x\in C^1_Tの[0,T][0,T]への制限はρ=1\rho=1の境界値問題の解であるから、補題 4.3により(I−M)x(0)=Mc(b)(I-M)\boldsymbol x(0)=M\boldsymbol c(\boldsymbol b)であり、Mc(b)∈im⁡(I−M)M\boldsymbol c(\boldsymbol b)\in\operatorname{im}(I-M)である。

xb(t)=Φ0(t)[RMc(b)+∫0tΦ0(s)−1b(s) ds](t∈R)\boldsymbol x_{\boldsymbol b}(t)=\Phi_0(t)\left[RM\boldsymbol c(\boldsymbol b)+\int_0^t\Phi_0(s)^{-1}\boldsymbol b(s)\,ds\right]\qquad(t\in\R)

とおくと、§E13.11 定理 2.1によりxb\boldsymbol x_{\boldsymbol b}はx′=Ax+b\boldsymbol x'=A\boldsymbol x+\boldsymbol bのR\R上の解である。(I−M)RMc(b)=Mc(b)(I-M)RM\boldsymbol c(\boldsymbol b)=M\boldsymbol c(\boldsymbol b)であるから、補題 4.3をξ=RMc(b)\boldsymbol\xi=RM\boldsymbol c(\boldsymbol b)、ρ=1\rho=1として適用するとxb(T)=xb(0)\boldsymbol x_{\boldsymbol b}(T)=\boldsymbol x_{\boldsymbol b}(0)である。定理 4.4 (4)の制限写像の全単射性と初期値問題の一意性によりxb\boldsymbol x_{\boldsymbol b}はTT周期であり、xb∈CT1\boldsymbol x_{\boldsymbol b}\in C^1_T、Lxb=bL\boldsymbol x_{\boldsymbol b}=\boldsymbol bである。t∈[0,T]t\in[0,T]で

∣xb(t)∣≤KΦ(∥R∥∥M∥+1)TKΦ′∥b∥∞\lvert\boldsymbol x_{\boldsymbol b}(t)\rvert\le K_\Phi\bigl(\lVert R\rVert\lVert M\rVert+1\bigr)TK'_\Phi\lVert\boldsymbol b\rVert_\infty

であるから、C1=KΦ(∥R∥∥M∥+1)TKΦ′C_1=K_\Phi(\lVert R\rVert\lVert M\rVert+1)TK'_\Phiについて∥xb∥∞≤C1∥b∥∞\lVert\boldsymbol x_{\boldsymbol b}\rVert_\infty\le C_1\lVert\boldsymbol b\rVert_\inftyである。x=xb−Πxb\boldsymbol x=\boldsymbol x_{\boldsymbol b}-\Pi\boldsymbol x_{\boldsymbol b}とおくとx∈X1\boldsymbol x\in X_1、Lx=bL\boldsymbol x=\boldsymbol bであるからL∣X1L|_{X_1}は全射であり、∥x∥∞≤(1+CΠ)C1∥b∥∞\lVert\boldsymbol x\rVert_\infty\le(1+C_\Pi)C_1\lVert\boldsymbol b\rVert_\inftyである。

x∈X1\boldsymbol x\in X_1を任意に取ると、単射性によりx=xLx−ΠxLx\boldsymbol x=\boldsymbol x_{L\boldsymbol x}-\Pi\boldsymbol x_{L\boldsymbol x}であるから∥x∥∞≤(1+CΠ)C1∥Lx∥∞\lVert\boldsymbol x\rVert_\infty\le(1+C_\Pi)C_1\lVert L\boldsymbol x\rVert_\inftyであり、x′=Ax+Lx\boldsymbol x'=A\boldsymbol x+L\boldsymbol xから∥x′∥∞≤∥A∥∞∥x∥∞+∥Lx∥∞\lVert\boldsymbol x'\rVert_\infty\le\lVert A\rVert_\infty\lVert\boldsymbol x\rVert_\infty+\lVert L\boldsymbol x\rVert_\inftyである。C=(1+∥A∥∞)(1+CΠ)C1+1C=(1+\lVert A\rVert_\infty)(1+C_\Pi)C_1+1とおけば∥x∥C1≤C∥Lx∥∞\lVert\boldsymbol x\rVert_{C^1}\le C\lVert L\boldsymbol x\rVert_\inftyである。▨

命題 4.7.K∈{R,C}\mathbb K\in\{\R,\C\}、d∈N≥1d\in\NN、A∈Kd×dA\in\mathbb K^{d\times d}、T>0T>0とし、ω=2π/T\omega=2\pi/Tとおく。定数係数の系x′=Ax\boldsymbol x'=A\boldsymbol xのTT周期の局所絶対連続解x ⁣:R→Cd\boldsymbol x\colon\R\to\C^dの全体をZ\mathcal Z、随伴系ψ′=−A∗ψ\boldsymbol\psi'=-A^*\boldsymbol\psiのTT周期の局所絶対連続解ψ ⁣:R→Cd\boldsymbol\psi\colon\R\to\C^dの全体をZ∗\mathcal Z^*と書く。このとき、次が成り立つ。

  1. ker⁡(A−inωI)≠{0}\ker(A-in\omega I)\ne\{\boldsymbol 0\}となるn∈Zn\in\Zは有限個である。Z\mathcal Zの各元は、各nnについて一意に定まるvn∈ker⁡(A−inωI)\boldsymbol v_n\in\ker(A-in\omega I)によってx(t)=∑neinωtvn\boldsymbol x(t)=\sum_ne^{in\omega t}\boldsymbol v_nと書かれ、逆にこの形の関数はZ\mathcal Zに属する。特にdim⁡CZ=∑n∈Zdim⁡Cker⁡(A−inωI)\dim_{\C}\mathcal Z=\sum_{n\in\Z}\dim_{\C}\ker(A-in\omega I)である。
  2. Z∗\mathcal Z^*の各元は、各nnについて一意に定まるwn∈ker⁡(A∗+inωI)\boldsymbol w_n\in\ker(A^*+in\omega I)によってψ(t)=∑neinωtwn\boldsymbol\psi(t)=\sum_ne^{in\omega t}\boldsymbol w_nと書かれ、逆にこの形の関数はZ∗\mathcal Z^*に属する。dim⁡CZ∗=dim⁡CZ\dim_{\C}\mathcal Z^*=\dim_{\C}\mathcal Zである。
  3. K=R\mathbb K=\Rならば、Z\mathcal Zに属する実数値の解の全体ZR\mathcal Z_{\R}はR\Rベクトル空間でdim⁡RZR=dim⁡CZ\dim_{\R}\mathcal Z_{\R}=\dim_{\C}\mathcal Zであり、v∈ker⁡(A−inωI)\boldsymbol v\in\ker(A-in\omega I)についてのℜ(einωtv)\Re\bigl(e^{in\omega t}\boldsymbol v\bigr)とℑ(einωtv)\Im\bigl(e^{in\omega t}\boldsymbol v\bigr)の全体で張られる。Z∗\mathcal Z^*に属する実数値の解の全体ZR∗\mathcal Z^*_{\R}についても同じことが成り立つ。
  4. 特に、iωi\omegaと−iω-i\omegaがともにAAの特性多項式の単根であり、AAの固有値でiωZi\omega\Zに属するものが±iω\pm i\omegaの他に無いならば、dim⁡CZ=dim⁡CZ∗=2\dim_{\C}\mathcal Z=\dim_{\C}\mathcal Z^*=2であり、K=R\mathbb K=\Rのときはdim⁡RZR=dim⁡RZR∗=2\dim_{\R}\mathcal Z_{\R}=\dim_{\R}\mathcal Z^*_{\R}=2である。

証明.§E13.12 定理 2.2 (3)をI=RI=\Rとして適用すると、t↦etAt\mapsto e^{tA}はx′=Ax\boldsymbol x'=A\boldsymbol xの基本行列であり、e0A=Ie^{0A}=Iであるから、モノドロミー行列はeTAe^{TA}である。命題 1.6 (1)をρ=1\rho=1で適用すると、x↦x(0)\boldsymbol x\mapsto\boldsymbol x(0)はZ\mathcal Zからker⁡(eTA−I)\ker(e^{TA}-I)への線形同型である。eTβ=1e^{T\beta}=1であることは、β∈iωZ\beta\in i\omega\Zであるための必要十分条件であるから、系 2.2 (2)をTATAとρ=1\rho=1に適用すると

ker⁡(eTA−I)=⨁n∈Zker⁡(TA−TinωI)=⨁n∈Zker⁡(A−inωI)\ker(e^{TA}-I)=\bigoplus_{n\in\Z}\ker(TA-Tin\omega I)=\bigoplus_{n\in\Z}\ker(A-in\omega I)

であり、右辺で{0}\{\boldsymbol 0\}でない項はAAの固有値に対応する有限個である。v∈ker⁡(A−inωI)\boldsymbol v\in\ker(A-in\omega I)について系 3.1 (3)によりetAv=einωtve^{tA}\boldsymbol v=e^{in\omega t}\boldsymbol vであるから、x(0)=∑nvn\boldsymbol x(0)=\sum_n\boldsymbol v_nと分解するとx(t)=etAx(0)=∑neinωtvn\boldsymbol x(t)=e^{tA}\boldsymbol x(0)=\sum_ne^{in\omega t}\boldsymbol v_nである。これで主張 (1)は示された。

主張 (2)を示す。前段を定数行列−A∗-A^*に適用すると、ker⁡(−A∗−inωI)=ker⁡(A∗+inωI)\ker(-A^*-in\omega I)=\ker(A^*+in\omega I)により表示を得る。A∗+inωI=(A−inωI)∗A^*+in\omega I=(A-in\omega I)^*であるからdim⁡ker⁡(A∗+inωI)=d−rank⁡(A−inωI)=dim⁡ker⁡(A−inωI)\dim\ker(A^*+in\omega I)=d-\operatorname{rank}(A-in\omega I)=\dim\ker(A-in\omega I)であり、nnについて和をとって次元の等式を得る。

主張 (3)を示す。命題 1.6 (3)をρ=1\rho=1で適用するとdim⁡RZR=dim⁡CZ\dim_{\R}\mathcal Z_{\R}=\dim_{\C}\mathcal Zである。AAが実行列ならば、解の複素共役も解であるから、ℜ(einωtv)\Re\bigl(e^{in\omega t}\boldsymbol v\bigr)とℑ(einωtv)\Im\bigl(e^{in\omega t}\boldsymbol v\bigr)はZR\mathcal Z_{\R}に属し、x∈ZR\boldsymbol x\in\mathcal Z_{\R}はx=ℜx=∑nℜ(einωtvn)\boldsymbol x=\Re\boldsymbol x=\sum_n\Re\bigl(e^{in\omega t}\boldsymbol v_n\bigr)と書かれる。−A∗=−AT-A^*=-A^{\mathsf T}も実行列であるから、ZR∗\mathcal Z^*_{\R}についても同じ議論が成り立つ。

主張 (4)を示す。±iω\pm i\omegaは固有値であるからdim⁡ker⁡(A∓iωI)≥1\dim\ker(A\mp i\omega I)\ge1であり、§E3.26 定理 2.1によりdim⁡ker⁡(A∓iωI)≤dim⁡G±iω(A)=1\dim\ker(A\mp i\omega I)\le\dim G_{\pm i\omega}(A)=1である。他のnnではker⁡(A−inωI)={0}\ker(A-in\omega I)=\{\boldsymbol 0\}であるから、主張 (1)、主張 (2)、主張 (3)により結論を得る。▨

例 4.8.m∈N≥1m\in\NNとし、Am=(01−m20)A_m=\begin{pmatrix}0&1\\-m^2&0\end{pmatrix}とおく。このとき、Y′=AmY\boldsymbol Y'=A_m\boldsymbol Yの解(cos⁡mt,−msin⁡mt)T(\cos mt,-m\sin mt)^{\mathsf T}と(m−1sin⁡mt,cos⁡mt)T(m^{-1}\sin mt,\cos mt)^{\mathsf T}を列とする行列Φ0(t)\Phi_0(t)は、det⁡Φ0(t)=1\det\Phi_0(t)=1、Φ0(0)=I\Phi_0(0)=Iを満たす基本行列であり、2π2\pi周期であるから、2π2\pi周期線形系Y′=AmY\boldsymbol Y'=A_m\boldsymbol Yのモノドロミー行列はIIである。随伴系ψ′=−AmTψ\boldsymbol\psi'=-A_m^{\mathsf T}\boldsymbol\psiはψ1′=m2ψ2\psi_1'=m^2\psi_2、ψ2′=−ψ1\psi_2'=-\psi_1であり、(msin⁡mt,cos⁡mt)T(m\sin mt,\cos mt)^{\mathsf T}と(−mcos⁡mt,sin⁡mt)T(-m\cos mt,\sin mt)^{\mathsf T}はその実数値の解で、t=0t=0での値(0,1)T(0,1)^{\mathsf T}、(−m,0)T(-m,0)^{\mathsf T}は一次独立である。従って§E13.9 定理 2.2により、随伴系の実数値の解の全体はこの二つで張られ、そのすべてが2π2\pi周期であって、その第二成分ψ2\psi_2の全体はcos⁡mt\cos mtとsin⁡mt\sin mtで張られる。

m=1m=1とする。このとき、y′′+y=cos⁡ty''+y=\cos tは2π2\pi周期のC2C^2級の解をもたない。実際、yyをC2C^2級の解とすると、§E13.2 系 2.7 (2)によりy′y'は局所絶対連続であるから、§E13.9 命題 4.1によりY=(y,y′)T\boldsymbol Y=(y,y')^{\mathsf T}は一階の系Y′=A1Y+b\boldsymbol Y'=A_1\boldsymbol Y+\boldsymbol b(b(t)=(0,cos⁡t)T\boldsymbol b(t)=(0,\cos t)^{\mathsf T})の局所絶対連続解であり、yyが2π2\pi周期ならばY\boldsymbol Yも2π2\pi周期である。随伴系の2π2\pi周期解ψ(t)=(sin⁡t,cos⁡t)T\boldsymbol\psi(t)=(\sin t,\cos t)^{\mathsf T}について

∫02πψ(t)Tb(t) dt=∫02πcos⁡2t dt=π≠0\int_0^{2\pi}\boldsymbol\psi(t)^{\mathsf T}\boldsymbol b(t)\,dt=\int_0^{2\pi}\cos^2t\,dt=\pi\ne0

であるから、定理 4.4 (4)により一階の系の2π2\pi周期の局所絶対連続解は存在せず、y′′+y=cos⁡ty''+y=\cos tの2π2\pi周期のC2C^2級の解も存在しない。

m=2m=2とする。このとき、y′′+4y=cos⁡ty''+4y=\cos tの一階の系Y′=A2Y+b\boldsymbol Y'=A_2\boldsymbol Y+\boldsymbol b(b(t)=(0,cos⁡t)T\boldsymbol b(t)=(0,\cos t)^{\mathsf T})では、第一段によりモノドロミー行列はIIであり、11は Floquet 乗数である。随伴系の2π2\pi周期解ψ\boldsymbol\psiについてψTb=ψ2cos⁡t\boldsymbol\psi^{\mathsf T}\boldsymbol b=\psi_2\cos tであり、ψ2\psi_2はcos⁡2t\cos2tとsin⁡2t\sin2tの一次結合であるから、∫02πcos⁡2tcos⁡t dt=∫02πsin⁡2tcos⁡t dt=0\int_0^{2\pi}\cos2t\cos t\,dt=\int_0^{2\pi}\sin2t\cos t\,dt=0により直交条件が成り立つ。Yp(t)=(13cos⁡t,−13sin⁡t)T\boldsymbol Y_p(t)=(\tfrac13\cos t,-\tfrac13\sin t)^{\mathsf T}はこの系の2π2\pi周期解である。定理 4.4 (3)と定理 4.4 (4)をT=2πT=2\pi、ρ=1\rho=1、xp=Yp∣[0,2π]\boldsymbol x_p=\boldsymbol Y_p|_{[0,2\pi]}として適用すると、系の2π2\pi周期の局所絶対連続解の全体は、Yp\boldsymbol Y_pと同次系の2π2\pi周期の局所絶対連続解の和の全体である。§E13.9 定理 2.2により同次系の実数値の解はΦ0\Phi_0の二列の実係数の一次結合であり、Φ0\Phi_0は2π2\pi周期で、その第一行は(cos⁡2t,12sin⁡2t)(\cos2t,\tfrac12\sin2t)であるから、同次系の実数値の解はすべて2π2\pi周期であり、その第一成分の全体はcos⁡2t\cos2tとsin⁡2t\sin2tで張られる。従って§E13.9 命題 4.1により、y′′+4y=cos⁡ty''+4y=\cos tの2π2\pi周期の実数値の解の全体は13cos⁡t+c1cos⁡2t+c2sin⁡2t\tfrac13\cos t+c_1\cos2t+c_2\sin2t(c1,c2∈Rc_1,c_2\in\R)である。直交条件は11が Floquet 乗数でないことよりも弱い条件であり、定理 4.4 (1)の条件を「11が Floquet 乗数でない」へ替えることはできない。

5 Hill 方程式と判別式

定義 5.1 (Hill 方程式).T>0T>0とし、q∈Lloc1(R;R)q\in L^1_{\mathrm{loc}}(\R;\R)がほとんどすべてのt∈Rt\in\Rでq(t+T)=q(t)q(t+T)=q(t)を満たすとする。λ∈C\lambda\in\Cについて、方程式

−y′′+q(t)y=λy-y''+q(t)y=\lambda y

をHill 方程式 (Hill's equation) という。その解とは、y∈C1(R;C)y\in C^1(\R;\C)かつy′∈ACloc(R;C)y'\in AC_{\mathrm{loc}}(\R;\C)であって、ほとんど至る所でこの等式を満たす関数をいう。§E13.9 命題 4.1により、yyが解であることは、Y=(y,y′)T\boldsymbol Y=(y,y')^{\mathsf T}がTT周期線形系

Y′=Aλ(t)Y,Aλ(t)=(01q(t)−λ0)\boldsymbol Y'=A_\lambda(t)\boldsymbol Y,\qquad A_\lambda(t)=\begin{pmatrix}0&1\\q(t)-\lambda&0\end{pmatrix}

の局所絶対連続解であるための必要十分条件である。(θ,θ′)(0)=(1,0)(\theta,\theta')(0)=(1,0)を満たす解をθ(⋅,λ)\theta(\cdot,\lambda)、(φ,φ′)(0)=(0,1)(\varphi,\varphi')(0)=(0,1)を満たす解をφ(⋅,λ)\varphi(\cdot,\lambda)と書き、

Φ0(t,λ)=(θ(t,λ)φ(t,λ)θ′(t,λ)φ′(t,λ)),M(λ)=Φ0(T,λ),Δ(λ)=θ(T,λ)+φ′(T,λ)\Phi_0(t,\lambda)=\begin{pmatrix}\theta(t,\lambda)&\varphi(t,\lambda)\\\theta'(t,\lambda)&\varphi'(t,\lambda)\end{pmatrix},\qquad M(\lambda)=\Phi_0(T,\lambda),\qquad\Delta(\lambda)=\theta(T,\lambda)+\varphi'(T,\lambda)

とおく。M(λ)M(\lambda)はY′=Aλ(t)Y\boldsymbol Y'=A_\lambda(t)\boldsymbol Yのモノドロミー行列であり、Δ=tr⁡M\Delta=\operatorname{tr}Mを Hill 方程式の判別式 (discriminant) という。

命題 5.2.T>0T>0、q∈Lloc1(R;R)q\in L^1_{\mathrm{loc}}(\R;\R)をほとんどすべてのttでq(t+T)=q(t)q(t+T)=q(t)を満たす関数とし、λ∈C\lambda\in\Cとする。θ,φ,M,Δ\theta,\varphi,M,\Deltaを Hill 方程式−y′′+q(t)y=λy-y''+q(t)y=\lambda yについての記号とする。このとき、次が成り立つ。

  1. すべてのt∈Rt\in\Rでθ(t,λ)φ′(t,λ)−θ′(t,λ)φ(t,λ)=1\theta(t,\lambda)\varphi'(t,\lambda)-\theta'(t,\lambda)\varphi(t,\lambda)=1であり、det⁡M(λ)=1\det M(\lambda)=1である。
  2. Y′=Aλ(t)Y\boldsymbol Y'=A_\lambda(t)\boldsymbol Yの Floquet 乗数はρ2−Δ(λ)ρ+1=0\rho^2-\Delta(\lambda)\rho+1=0の二根であり、その積は11である。
  3. Δ(λ)≠±2\Delta(\lambda)\ne\pm2ならば、二根はρ\rhoとρ−1\rho^{-1}(ρ≠ρ−1\rho\ne\rho^{-1})であり、すべてのt∈Rt\in\Rでu±(t+T)=ρ±1u±(t)u_\pm(t+T)=\rho^{\pm1}u_\pm(t)を満たす一次独立な解u+,u−u_+,u_-が存在する。∣ρ∣<1\lvert\rho\rvert<1ならば、あるC>0C>0が存在して、すべてのt∈Rt\in\Rで∣u+(t)∣+∣u+′(t)∣≤C∣ρ∣t/T\lvert u_+(t)\rvert+\lvert u_+'(t)\rvert\le C\lvert\rho\rvert^{t/T}が成り立つ。

証明.tr⁡Aλ=0\operatorname{tr}A_\lambda=0であるから、§E13.9 定理 3.1によりdet⁡Φ0(t,λ)=det⁡Φ0(0,λ)=1\det\Phi_0(t,\lambda)=\det\Phi_0(0,\lambda)=1であり、主張 (1)を得る。M(λ)M(\lambda)の特性多項式はρ2−(tr⁡M)ρ+det⁡M=ρ2−Δρ+1\rho^2-(\operatorname{tr}M)\rho+\det M=\rho^2-\Delta\rho+1であり、主張 (2)を得る。

主張 (3)を示す。二根の積は11であるから二根はρ,ρ−1\rho,\rho^{-1}と書かれ、ρ=ρ−1\rho=\rho^{-1}であることは、ρ=±1\rho=\pm1であるための必要十分条件であり、そのときΔ=ρ+ρ−1=±2\Delta=\rho+\rho^{-1}=\pm2である。Δ≠±2\Delta\ne\pm2ならばMMは相異なる固有値ρ,ρ−1\rho,\rho^{-1}をもち、それぞれの固有ベクトルξ+,ξ−\boldsymbol\xi_+,\boldsymbol\xi_-は一次独立である。命題 1.6 (1)によりY±(0)=ξ±\boldsymbol Y_\pm(0)=\boldsymbol\xi_\pmを満たす乗数ρ±1\rho^{\pm1}の Floquet 解Y±\boldsymbol Y_\pmがあり、その第一成分u±u_\pmは解でY±=(u±,u±′)T\boldsymbol Y_\pm=(u_\pm,u_\pm')^{\mathsf T}、u±(t+T)=ρ±1u±(t)u_\pm(t+T)=\rho^{\pm1}u_\pm(t)を満たす。au++bu−=0au_++bu_-=0ならば微分してaξ++bξ−=0a\boldsymbol\xi_++b\boldsymbol\xi_-=\boldsymbol 0であるからa=b=0a=b=0である。∣ρ∣<1\lvert\rho\rvert<1とし、K=max⁡s∈[0,T](∣u+(s)∣+∣u+′(s)∣)K=\max_{s\in[0,T]}(\lvert u_+(s)\rvert+\lvert u_+'(s)\rvert)とおく。t∈Rt\in\Rをt=nT+st=nT+s(n∈Zn\in\Z、s∈[0,T)s\in[0,T))と書くと、Y+(t)=ρnY+(s)\boldsymbol Y_+(t)=\rho^n\boldsymbol Y_+(s)であるから

∣u+(t)∣+∣u+′(t)∣≤K∣ρ∣n=K∣ρ∣(t−s)/T≤K∣ρ∣−1∣ρ∣t/T\lvert u_+(t)\rvert+\lvert u_+'(t)\rvert\le K\lvert\rho\rvert^n=K\lvert\rho\rvert^{(t-s)/T}\le K\lvert\rho\rvert^{-1}\lvert\rho\rvert^{t/T}

であり、C=K∣ρ∣−1C=K\lvert\rho\rvert^{-1}とすればよい。▨

定理 5.3.T>0T>0、q∈Lloc1(R;R)q\in L^1_{\mathrm{loc}}(\R;\R)をほとんどすべてのttでq(t+T)=q(t)q(t+T)=q(t)を満たす関数とし、λ∈R\lambda\in\Rとする。M,ΔM,\Deltaを Hill 方程式−y′′+q(t)y=λy-y''+q(t)y=\lambda yについての記号とする。このとき、M(λ)M(\lambda)は実行列でΔ(λ)∈R\Delta(\lambda)\in\Rであり、次が成り立つ。

  1. ∣Δ(λ)∣<2\lvert\Delta(\lambda)\rvert<2ならば、すべての解はR\R上で有界である。
  2. ∣Δ(λ)∣>2\lvert\Delta(\lambda)\rvert>2ならば、零でないすべての解はR\R上で有界でない。さらに、∣ρ∣>1\lvert\rho\rvert>1を満たすρ∈R\rho\in\Rと、すべてのttでy(t+T)=ρy(t)y(t+T)=\rho y(t)を満たす零でない実数値の解yyが存在する。
  3. ε∈{1,−1}\varepsilon\in\{1,-1\}についてΔ(λ)=2ε\Delta(\lambda)=2\varepsilonならば、すべてのttでy(t+T)=εy(t)y(t+T)=\varepsilon y(t)を満たす零でない実数値の解yyが存在する。すべての解がR\R上で有界であることは、M(λ)=εIM(\lambda)=\varepsilon Iであるための必要十分条件である。

証明.λ∈R\lambda\in\RならばAλA_\lambdaは実行列値であり、§E13.9 命題 4.1の初期値問題の一意性によりθ,φ\theta,\varphiは実数値であるから、M(λ)M(\lambda)は実行列でΔ(λ)∈R\Delta(\lambda)\in\Rである。§E13.9 定理 5.2により解の全体は二次元である。

主張 (1)を示す。∣Δ∣<2\lvert\Delta\rvert<2ならばρ2−Δρ+1=0\rho^2-\Delta\rho+1=0の判別式Δ2−4\Delta^2-4は負であり、二根は互いに共役な非実数ρ,ρ‾\rho,\overline\rhoで、命題 5.2 (2)により∣ρ∣2=ρρ‾=1\lvert\rho\rvert^2=\rho\overline\rho=1である。命題 5.2 (3)の解u±u_\pmは∣u±(t+nT)∣=∣u±(t)∣\lvert u_\pm(t+nT)\rvert=\lvert u_\pm(t)\rvertを満たすから、sup⁡R∣u±∣=max⁡[0,T]∣u±∣<∞\sup_{\R}\lvert u_\pm\rvert=\max_{[0,T]}\lvert u_\pm\rvert<\inftyである。u+,u−u_+,u_-は解の全体を張るから、すべての解は有界である。

主張 (2)を示す。∣Δ∣>2\lvert\Delta\rvert>2ならば二根は相異なる実数であり、∣ρ∣>1\lvert\rho\rvert>1の根をρ\rhoとすると他方はρ−1\rho^{-1}である。MMは実行列であるから、命題 1.6 (3)により乗数ρ±1\rho^{\pm1}の実数値の Floquet 解の第一成分u±u_\pmを取ることができ、命題 5.2 (3)の証明と同じく一次独立である。u+u_+が主張の実数値の解である。零でない解y=au++bu−y=au_++bu_-を取る。a≠0a\ne0のとき、u+u_+は零でなくu+(t+nT)=ρnu+(t)u_+(t+nT)=\rho^nu_+(t)であるからu+(t0)≠0u_+(t_0)\ne0を満たすt0∈[0,T]t_0\in[0,T]があり、

∣y(t0+nT)∣≥∣a∣∣ρ∣n∣u+(t0)∣−∣b∣∣ρ∣−n∣u−(t0)∣⟶∞(n→∞)\lvert y(t_0+nT)\rvert\ge\lvert a\rvert\lvert\rho\rvert^n\lvert u_+(t_0)\rvert-\lvert b\rvert\lvert\rho\rvert^{-n}\lvert u_-(t_0)\rvert\longrightarrow\infty\qquad(n\to\infty)

である。a=0a=0のときb≠0b\ne0であり、u−(t0)≠0u_-(t_0)\ne0を満たすt0t_0についてn→−∞n\to-\inftyとすれば同様である。

主張 (3)を示す。Δ=2ε\Delta=2\varepsilonならば特性多項式は(ρ−ε)2(\rho-\varepsilon)^2であり、ε\varepsilonは実行列MMの固有値であるから、命題 1.6 (3)により零でない実数値の解yyでy(t+T)=εy(t)y(t+T)=\varepsilon y(t)を満たすものがある。M=εIM=\varepsilon Iならば補題 1.2 (3)によりΦ0(t+nT)=εnΦ0(t)\Phi_0(t+nT)=\varepsilon^n\Phi_0(t)であるから、Φ0\Phi_0はR\R上で有界であり、すべての解は有界である。

逆に、すべての解がR\R上で有界であるとする。u∈{θ,φ}u\in\{\theta,\varphi\}とし、Ku=sup⁡R∣u∣K_u=\sup_{\R}\lvert u\rvert、c=∫0T∣q(s)−λ∣ dsc=\int_0^T\lvert q(s)-\lambda\rvert\,dsとおく。qqの周期性により、長さTTの任意の閉区間[a,a+T][a,a+T]上で∫aa+T∣q(s)−λ∣ ds=c\int_a^{a+T}\lvert q(s)-\lambda\rvert\,ds=cである。uuは実数値のC1C^1級関数であるから、平均値の定理によりu′(sa)=(u(a+T)−u(a))/Tu'(s_a)=\bigl(u(a+T)-u(a)\bigr)/Tを満たすsa∈(a,a+T)s_a\in(a,a+T)があり、∣u′(sa)∣≤2Ku/T\lvert u'(s_a)\rvert\le2K_u/Tである。u′u'は局所絶対連続でほとんど至る所u′′=(q−λ)uu''=(q-\lambda)uを満たすから、§E13.2 系 2.6により、t∈[a,a+T]t\in[a,a+T]について

∣u′(t)∣≤∣u′(sa)∣+∣∫sat(q(s)−λ)u(s) ds∣≤2KuT+cKu\lvert u'(t)\rvert\le\lvert u'(s_a)\rvert+\Bigl\lvert\int_{s_a}^t\bigl(q(s)-\lambda\bigr)u(s)\,ds\Bigr\rvert\le\frac{2K_u}{T}+cK_u

である。a∈Ra\in\Rは任意であるからu′u'はR\R上で有界であり、Φ0\Phi_0はR\R上で有界である。従って§E13.9 定理 2.2によりY′=Aλ(t)Y\boldsymbol Y'=A_\lambda(t)\boldsymbol Yのすべての局所絶対連続解Y=Φ0ξ\boldsymbol Y=\Phi_0\boldsymbol\xi(ξ∈C2\boldsymbol\xi\in\C^2)は[0,∞)[0,\infty)上で有界であり、定理 3.2 (2)により、絶対値が11の Floquet 乗数ε\varepsilonはMMの半単純固有値である。特性多項式は(ρ−ε)2(\rho-\varepsilon)^2であるから、§E3.26 定理 2.1によりGε(M)=C2G_\varepsilon(M)=\C^2であり、定義 2.1によりker⁡(M−εI)=Gε(M)=C2\ker(M-\varepsilon I)=G_\varepsilon(M)=\C^2である。従ってM=εIM=\varepsilon Iである。▨

系 5.4.T>0T>0、q∈Lloc1(R;R)q\in L^1_{\mathrm{loc}}(\R;\R)をほとんどすべてのttでq(t+T)=q(t)q(t+T)=q(t)を満たす関数とし、θ,φ,Δ\theta,\varphi,\Deltaを Hill 方程式−y′′+q(t)y=λy-y''+q(t)y=\lambda yについての記号とする。このとき、各t∈Rt\in\Rについて、λ↦θ(t,λ)\lambda\mapsto\theta(t,\lambda)、θ′(t,λ)\theta'(t,\lambda)、φ(t,λ)\varphi(t,\lambda)、φ′(t,λ)\varphi'(t,\lambda)は整関数であり、λ∈R\lambda\in\Rで実数値である。特にΔ\Deltaは整関数であり、実軸上で実数値である。

証明.A0=(01q0)A_0=\begin{pmatrix}0&1\\q&0\end{pmatrix}、A1=(00−10)A_1=\begin{pmatrix}0&0\\-1&0\end{pmatrix}とおくとAλ=A0+λA1A_\lambda=A_0+\lambda A_1であり、A0,A1∈Lloc1(R;C2×2)A_0,A_1\in L^1_{\mathrm{loc}}(\R;\C^{2\times2})は実数値である。(θ,θ′)T(\theta,\theta')^{\mathsf T}と(φ,φ′)T(\varphi,\varphi')^{\mathsf T}は、b0=b1=0\boldsymbol b_0=\boldsymbol b_1=\boldsymbol 0、t0=0t_0=0、η=(1,0)T\boldsymbol\eta=(1,0)^{\mathsf T}とη=(0,1)T\boldsymbol\eta=(0,1)^{\mathsf T}についての§E13.8 命題 5.1の解であるから、§E13.8 命題 5.1 (3)と§E13.8 命題 5.1 (5)により結論を得る。Δ(λ)=θ(T,λ)+φ′(T,λ)\Delta(\lambda)=\theta(T,\lambda)+\varphi'(T,\lambda)は二つの整関数の和である。▨

系 5.5.T>0T>0、q∈Lloc1(R;R)q\in L^1_{\mathrm{loc}}(\R;\R)をほとんどすべてのttでq(t+T)=q(t)q(t+T)=q(t)を満たす関数とし、Δ\Deltaを Hill 方程式−y′′+q(t)y=λy-y''+q(t)y=\lambda yの判別式とする。このとき、Δ\DeltaのR\Rへの制限は連続な実数値関数であり、{λ∈R:∣Δ(λ)∣<2}\{\lambda\in\R:\lvert\Delta(\lambda)\rvert<2\}と{λ∈R:∣Δ(λ)∣>2}\{\lambda\in\R:\lvert\Delta(\lambda)\rvert>2\}はR\Rの開集合である。

証明.系 5.4によりΔ\DeltaはC\Cの各点で複素微分可能であるから連続であり、R\R上で実数値である。二つの集合は、連続写像Δ∣R ⁣:R→R\Delta|_{\R}\colon\R\to\Rによる開集合(−2,2)(-2,2)とR∖[−2,2]\R\setminus[-2,2]の逆像である。▨

例 5.6.h∈Rh\in\Rとし、T=πT=\pi、q(t)=2hcos⁡2tq(t)=2h\cos2tの Hill 方程式

−y′′+2hcos⁡(2t) y=ay(a∈R)-y''+2h\cos(2t)\,y=ay\qquad(a\in\R)

をMathieu 方程式 (Mathieu equation) という。h=0h=0とする。このとき、a>0a>0ならば、k=ak=\sqrt aとおくとθ(t,a)=cos⁡kt\theta(t,a)=\cos kt、φ(t,a)=k−1sin⁡kt\varphi(t,a)=k^{-1}\sin ktであり、Δ(a)=2cos⁡(πa)\Delta(a)=2\cos(\pi\sqrt a)である。a=0a=0のときθ=1\theta=1、φ=t\varphi=tでありΔ(0)=2\Delta(0)=2である。a<0a<0のときκ=−a\kappa=\sqrt{-a}とおくとθ=cosh⁡κt\theta=\cosh\kappa t、φ=κ−1sinh⁡κt\varphi=\kappa^{-1}\sinh\kappa tであり、Δ(a)=2cosh⁡(π−a)>2\Delta(a)=2\cosh(\pi\sqrt{-a})>2である。従って

{a∈R:∣Δ(a)∣<2}=(0,∞)∖{n2:n∈N≥1}\{a\in\R:\lvert\Delta(a)\rvert<2\}=(0,\infty)\setminus\{n^2:n\in\NN\}

であり、定理 5.3 (1)によりこの集合のaaではすべての解が有界であり、定理 5.3 (2)によりa<0a<0では零でない解はすべて有界でない。a=n2a=n^2(n∈N≥1n\in\NN)ではθ(π)=φ′(π)=(−1)n\theta(\pi)=\varphi'(\pi)=(-1)^n、θ′(π)=φ(π)=0\theta'(\pi)=\varphi(\pi)=0であるからM(n2)=(−1)nIM(n^2)=(-1)^nIであり、定理 5.3 (3)によりすべての解が有界である。

a=0a=0では

M(0)=(1π01)≠IM(0)=\begin{pmatrix}1&\pi\\0&1\end{pmatrix}\ne I

であり、解y(t)=ty(t)=tは有界でない。Floquet 乗数はともに11で絶対値は11以下であるが、ker⁡(M(0)−I)\ker(M(0)-I)は一次元でG1(M(0))=C2G_1(M(0))=\C^2であるから、11は半単純固有値でない。定理 3.2 (2)の半単純性の条件を外すと、すべての解の有界性は成り立たない。

注意 5.7.例 5.6の Mathieu 方程式について、h=0h=0ではa=n2a=n^2(n∈N≥1n\in\NN)のすべての解が有界であるのに対して、hhに対する Mathieu 方程式の判別式をΔh\Delta_hと書くと、各n∈N≥1n\in\NNについて、あるh0>0h_0>0が存在して、0<∣h∣<h00<\lvert h\rvert<h_0を満たす各hhに、∣Δh(a)∣>2\lvert\Delta_h(a)\rvert>2を満たすaaからなる空でない開区間In(h)I_n(h)を、h→0h\to0のときsup⁡a∈In(h)∣a−n2∣→0\sup_{a\in I_n(h)}\lvert a-n^2\rvert\to0となるように選ぶことができる。

6 演習

問題 6.1.

  1. a∈Ra\in\Rとし、2π2\pi周期線形系x′=(a+cos⁡t)xx'=(a+\cos t)x(d=1d=1)を考える。Φ0\Phi_0、モノドロミー行列、Floquet 乗数と Floquet 指数を求め、定理 2.3 (1)のBBとPPを一組求めよ。さらに、すべての解が00に収束するaaと、すべての解が[0,∞)[0,\infty)上で有界であるaaを求めよ。
  2. 例 2.4の系について、B=T−1diag⁡(iπ, cT+iπ)B=T^{-1}\operatorname{diag}(i\pi,\,cT+i\pi)がeTB=Me^{TB}=Mを満たし、P(t)=Φ0(t)e−tBP(t)=\Phi_0(t)e^{-tB}がP(t)=e−iπt/TR(πt/T)P(t)=e^{-i\pi t/T}R(\pi t/T)と表されてTT周期であることを示せ。
解答.

(1)を示す。Φ0(t)=exp⁡(at+sin⁡t)\Phi_0(t)=\exp(at+\sin t)はΦ0′=(a+cos⁡t)Φ0\Phi_0'=(a+\cos t)\Phi_0、Φ0(0)=1\Phi_0(0)=1を満たす。モノドロミー行列はΦ0(2π)=e2πa\Phi_0(2\pi)=e^{2\pi a}であり、Floquet 乗数はe2πae^{2\pi a}、Floquet 指数はa+ika+ik(k∈Zk\in\Z)である。B=aB=a、P(t)=esin⁡tP(t)=e^{\sin t}とおくと、e2πB=e2πae^{2\pi B}=e^{2\pi a}、PPは2π2\pi周期でP(0)=1P(0)=1、Φ0(t)=P(t)etB\Phi_0(t)=P(t)e^{tB}である。定理 3.2 (1)により、すべての解が00に収束することは、e2πa<1e^{2\pi a}<1、すなわちa<0a<0であるための必要十分条件である。1×11\times1行列の固有値は半単純であるから、定理 3.2 (2)により、すべての解が有界であることは、a≤0a\le0であるための必要十分条件である。実際、解はx(t)=x(0)exp⁡(at+sin⁡t)x(t)=x(0)\exp(at+\sin t)である。

(2)を示す。対角行列の指数関数は対角成分の指数関数を並べたものであるから、eTB=diag⁡(eiπ,ecTeiπ)=diag⁡(−1,−ecT)=Me^{TB}=\operatorname{diag}(e^{i\pi},e^{cT}e^{i\pi})=\operatorname{diag}(-1,-e^{cT})=Mである。e−tB=diag⁡(e−iπt/T,e−cte−iπt/T)e^{-tB}=\operatorname{diag}\bigl(e^{-i\pi t/T},e^{-ct}e^{-i\pi t/T}\bigr)であるから

P(t)=R(πt/T)diag⁡(1,ect)diag⁡(e−iπt/T,e−cte−iπt/T)=e−iπt/TR(πt/T)P(t)=R(\pi t/T)\operatorname{diag}(1,e^{ct})\operatorname{diag}\bigl(e^{-i\pi t/T},e^{-ct}e^{-i\pi t/T}\bigr)=e^{-i\pi t/T}R(\pi t/T)

である。R(ϑ+π)=−R(ϑ)R(\vartheta+\pi)=-R(\vartheta)とe−iπ=−1e^{-i\pi}=-1によりP(t+T)=(−1)(−1)e−iπt/TR(πt/T)=P(t)P(t+T)=(-1)(-1)e^{-i\pi t/T}R(\pi t/T)=P(t)である。実行列の非実の固有値は共役な対で現れるが、BBの固有値iπ/Ti\pi/Tとc+iπ/Tc+i\pi/Tはともに非実数で互いに共役でないから、BBは実行列でない。▨

問題 6.2.ω>0\omega>0とし、f∈C(R;C)f\in C(\R;\C)を2π2\pi周期関数とする。方程式y′′+ω2y=f(t)y''+\omega^2y=f(t)の複素数値で2π2\pi周期のC2C^2級の解について、次を示せ。

  1. ω∉N≥1\omega\notin\NNならば、2π2\pi周期の解はただ一つ存在する。
  2. ω=m∈N≥1\omega=m\in\NNならば、2π2\pi周期の解が存在することは、∫02πf(t)cos⁡mt dt=∫02πf(t)sin⁡mt dt=0\int_0^{2\pi}f(t)\cos mt\,dt=\int_0^{2\pi}f(t)\sin mt\,dt=0となるための必要十分条件であり、そのとき解の全体は一つの解ypy_pを用いてyp+acos⁡mt+bsin⁡mty_p+a\cos mt+b\sin mt(a,b∈Ca,b\in\C)と書かれる。ffが実数値ならばypy_pを実数値に選ぶことができ、そのとき実数値解はa,b∈Ra,b\in\Rに対応する。
解答.

§E13.9 命題 4.1の意味の解yyについて、y′y'は局所絶対連続であり、その導関数はほとんど至る所で連続関数f−ω2yf-\omega^2yに一致するから、§E13.2 系 2.7 (1)によりy′y'はC1C^1級であり、従ってyyはC2C^2級である。逆にC2C^2級の解yyについて、§E13.2 系 2.7 (2)によりy′y'は局所絶対連続であるから、yyは§E13.9 命題 4.1の意味の解である。従って、yyが2π2\pi周期のC2C^2級の解であることは、Y=(y,y′)T\boldsymbol Y=(y,y')^{\mathsf T}が一階の系Y′=AY+b\boldsymbol Y'=A\boldsymbol Y+\boldsymbol b(A=(01−ω20)A=\begin{pmatrix}0&1\\-\omega^2&0\end{pmatrix}、b=(0,f)T\boldsymbol b=(0,f)^{\mathsf T})の2π2\pi周期の局所絶対連続解であるための必要十分条件である。Φ0(t)=(cos⁡ωtω−1sin⁡ωt−ωsin⁡ωtcos⁡ωt)\Phi_0(t)=\begin{pmatrix}\cos\omega t&\omega^{-1}\sin\omega t\\-\omega\sin\omega t&\cos\omega t\end{pmatrix}の各列はY′=AY\boldsymbol Y'=A\boldsymbol Yの解でΦ0(0)=I\Phi_0(0)=Iであるから、モノドロミー行列はM=Φ0(2π)M=\Phi_0(2\pi)であり、tr⁡M=2cos⁡2πω\operatorname{tr}M=2\cos2\pi\omega、det⁡M=1\det M=1からその固有値はe±2πiωe^{\pm2\pi i\omega}である。11が固有値であることは、ω∈N≥1\omega\in\NNであるための必要十分条件である。

(1)を示す。ω∉N≥1\omega\notin\NNならば11はMMの固有値でないから、系 4.5によりρ=1\rho=1の境界値問題はただ一つの解をもち、定理 4.4 (4)により2π2\pi周期の解はただ一つである。

(2)を示す。ω=m\omega=mならばAAは例 4.8のAmA_mであり、同じ例の第一段により、随伴系ψ′=−ATψ\boldsymbol\psi'=-A^{\mathsf T}\boldsymbol\psiの実数値の解はすべて2π2\pi周期で、その第二成分ψ2\psi_2の全体はcos⁡mt\cos mtとsin⁡mt\sin mtで実線形に張られる。AAは実行列であるから、複素数値の随伴解の実部と虚部も随伴系の実数値解であり、複素数値の随伴解は実数値解の複素線形結合で尽くされる。ψ∗b=ψ2‾f\boldsymbol\psi^*\boldsymbol b=\overline{\psi_2}fであるから、定理 4.4 (4)により2π2\pi周期解が存在することは、∫02πfcos⁡mt dt=∫02πfsin⁡mt dt=0\int_0^{2\pi}f\cos mt\,dt=\int_0^{2\pi}f\sin mt\,dt=0であるための必要十分条件である。同次方程式y′′+m2y=0y''+m^2y=0のすべての複素数値解acos⁡mt+bsin⁡mta\cos mt+b\sin mt(a,b∈Ca,b\in\C)は2π2\pi周期であるから、定理 4.4 (3)と定理 4.4 (4)により解の全体はyp+acos⁡mt+bsin⁡mty_p+a\cos mt+b\sin mtである。ffが実数値ならば、ypy_pの実部も周期解であるから、ypy_pを実数値に選ぶことができる。このときcos⁡mt\cos mtとsin⁡mt\sin mtの実線形独立性により、yp+acos⁡mt+bsin⁡mty_p+a\cos mt+b\sin mtが実数値であることはa,b∈Ra,b\in\Rであるための必要十分条件である。▨

問題 6.3.c>0c>0とし、T=2T=2の周期関数qqを、j∈Zj\in\Zについてt∈[2j,2j+1)t\in[2j,2j+1)でq(t)=0q(t)=0、t∈[2j+1,2j+2)t\in[2j+1,2j+2)でq(t)=cq(t)=cと定める。λ>c\lambda>cについてk=λk=\sqrt\lambda、l=λ−cl=\sqrt{\lambda-c}とおく。

  1. Hill 方程式−y′′+q(t)y=λy-y''+q(t)y=\lambda yの判別式がΔ(λ)=2cos⁡kcos⁡l−(kl+lk)sin⁡ksin⁡l\Delta(\lambda)=2\cos k\cos l-\bigl(\frac kl+\frac lk\bigr)\sin k\sin lであることを示せ。
  2. k+l∈2πN≥1k+l\in2\pi\NNかつsin⁡k≠0\sin k\ne0ならばΔ(λ)>2\Delta(\lambda)>2であり、零でないすべての解がR\R上で有界でないことを示せ。
  3. 0<c<4π20<c<4\pi^2ならば、各n∈N≥1n\in\NNについてλn+λn−c=2πn\sqrt{\lambda_n}+\sqrt{\lambda_n-c}=2\pi nを満たすλn>c\lambda_n>cがただ一つ存在し、Δ(λn)>2\Delta(\lambda_n)>2であることを示せ。
解答.

(1)を示す。κ>0\kappa>0についてE(κ)=(cos⁡κκ−1sin⁡κ−κsin⁡κcos⁡κ)E(\kappa)=\begin{pmatrix}\cos\kappa&\kappa^{-1}\sin\kappa\\-\kappa\sin\kappa&\cos\kappa\end{pmatrix}とおく。[0,1][0,1]上ではq=0q=0であるから、Y=(y,y′)T\boldsymbol Y=(y,y')^{\mathsf T}はY′=(01−k20)Y\boldsymbol Y'=\begin{pmatrix}0&1\\-k^2&0\end{pmatrix}\boldsymbol Yを満たす。この系の解(cos⁡kt,−ksin⁡kt)T(\cos kt,-k\sin kt)^{\mathsf T}と(k−1sin⁡kt,cos⁡kt)T(k^{-1}\sin kt,\cos kt)^{\mathsf T}を用いると、§E13.9 定理 1.1の一意性によりY(1)=E(k)Y(0)\boldsymbol Y(1)=E(k)\boldsymbol Y(0)である。[1,2][1,2]上ではほとんど至る所q=cq=cであるから、Y′=(01−l20)Y\boldsymbol Y'=\begin{pmatrix}0&1\\-l^2&0\end{pmatrix}\boldsymbol Yであり、同様にY(2)=E(l)Y(1)\boldsymbol Y(2)=E(l)\boldsymbol Y(1)である。従ってM(λ)=E(l)E(k)M(\lambda)=E(l)E(k)であり、

Δ(λ)=tr⁡(E(l)E(k))=(cos⁡lcos⁡k−klsin⁡lsin⁡k)+(−lksin⁡lsin⁡k+cos⁡lcos⁡k)\Delta(\lambda)=\operatorname{tr}\bigl(E(l)E(k)\bigr)=\Bigl(\cos l\cos k-\frac{k}{l}\sin l\sin k\Bigr)+\Bigl(-\frac lk\sin l\sin k+\cos l\cos k\Bigr)

である。

(2)を示す。2cos⁡(k+l)=2cos⁡kcos⁡l−2sin⁡ksin⁡l2\cos(k+l)=2\cos k\cos l-2\sin k\sin lとkl+lk−2=(k−l)2kl\frac kl+\frac lk-2=\frac{(k-l)^2}{kl}により

Δ(λ)=2cos⁡(k+l)−(k−l)2klsin⁡ksin⁡l\Delta(\lambda)=2\cos(k+l)-\frac{(k-l)^2}{kl}\sin k\sin l

である。k+l=2πnk+l=2\pi nならばcos⁡(k+l)=1\cos(k+l)=1、sin⁡l=sin⁡(2πn−k)=−sin⁡k\sin l=\sin(2\pi n-k)=-\sin kであるからΔ(λ)=2+(k−l)2klsin⁡2k\Delta(\lambda)=2+\frac{(k-l)^2}{kl}\sin^2kである。k2−l2=c>0k^2-l^2=c>0からk≠lk\ne lであり、sin⁡k≠0\sin k\ne0であるからΔ(λ)>2\Delta(\lambda)>2である。定理 5.3 (2)により零でないすべての解は有界でない。

(3)を示す。g(λ)=λ+λ−cg(\lambda)=\sqrt\lambda+\sqrt{\lambda-c}は[c,∞)[c,\infty)上で連続かつ狭義単調増加であり、g(c)=c<2π≤2πng(c)=\sqrt c<2\pi\le2\pi n、g(λ)→∞g(\lambda)\to\infty(λ→∞\lambda\to\infty)であるから、中間値の定理によりg(λn)=2πng(\lambda_n)=2\pi nを満たすλn>c\lambda_n>cがただ一つ存在する。k=λnk=\sqrt{\lambda_n}、l=λn−cl=\sqrt{\lambda_n-c}とし、sin⁡k=0\sin k=0と仮定する。k>0k>0であるからk=jπk=j\pi(j∈N≥1j\in\NN)であり、l=2πn−k=(2n−j)πl=2\pi n-k=(2n-j)\piである。0<l<k0<l<kからn<j<2nn<j<2nであり、

c=k2−l2=π2(j2−(2n−j)2)=4π2n(j−n)≥4π2c=k^2-l^2=\pi^2\bigl(j^2-(2n-j)^2\bigr)=4\pi^2n(j-n)\ge4\pi^2

となる。これはc<4π2c<4\pi^2に反するからsin⁡k≠0\sin k\ne0であり、(2)によりΔ(λn)>2\Delta(\lambda_n)>2である。▨

参考文献

  1. Earl A. Coddington and Norman Levinson, Theory of Ordinary Differential Equations, McGraw Hill, 1955.周期係数の線形系、Floquet の標準形、周期解の存在条件を参考にした。
  2. Gerald Teschl, Ordinary Differential Equations and Dynamical Systems, American Mathematical Society, Providence, Rhode Island, 2012.Floquet 理論、Hill 方程式の判別式と安定性の判定を参考にした。

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