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\} K ∈ { R , C } 、d ∈ N ≥ 1 d\in\NN d ∈ N ≥ 1 、T > 0 T>0 T > 0 とし、A ∈ L l o c 1 ( R ; K d × d ) A\in L^1_{\mathrm{loc}}(\R;\mathbb K^{d\times d}) A ∈ L loc 1 ( R ; K d × d ) がほとんどすべてのt ∈ R t\in\R t ∈ R でA ( t + T ) = A ( t ) 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 x ′ = A ( t ) x をT T T 周期線形系 (T-periodic linear system ) という。
補題 1.2. K ∈ { R , C } \mathbb K\in\{\R,\C\} K ∈ { R , C } 、d ∈ N ≥ 1 d\in\NN d ∈ N ≥ 1 、T > 0 T>0 T > 0 とし、x ′ = A ( t ) x \boldsymbol x'=A(t)\boldsymbol x x ′ = A ( t ) x をT T T 周期線形系とする。Φ 0 \Phi_0 Φ 0 をΦ 0 ( 0 ) = I \Phi_0(0)=I Φ 0 ( 0 ) = I を満たすR \R R 上の基本行列とし、M = Φ 0 ( T ) M=\Phi_0(T) M = Φ 0 ( T ) とおく。このとき、次が成り立つ。
任意の基本行列Φ \Phi Φ について、t ↦ Φ ( t + T ) t\mapsto\Phi(t+T) t ↦ Φ ( t + T ) も基本行列であり、すべてのt ∈ R t\in\R t ∈ R でΦ ( t + T ) = Φ ( t ) C Φ \Phi(t+T)=\Phi(t)C_\Phi Φ ( t + T ) = Φ ( t ) C Φ を満たす可逆行列C Φ ∈ K d × d C_\Phi\in\mathbb K^{d\times d} C Φ ∈ K d × d がただ一つ存在する。さらにC Φ = Φ ( 0 ) − 1 M Φ ( 0 ) C_\Phi=\Phi(0)^{-1}M\Phi(0) C Φ = Φ ( 0 ) − 1 M Φ ( 0 ) である。
任意のs ∈ R s\in\R s ∈ R と、x ′ = A ( t ) x \boldsymbol x'=A(t)\boldsymbol x x ′ = A ( t ) x の任意の局所絶対連続解x : R → K d \boldsymbol x\colon\R\to\mathbb K^d x : R → K d について、x ( s + T ) = Φ 0 ( s ) M Φ 0 ( s ) − 1 x ( s ) \boldsymbol x(s+T)=\Phi_0(s)M\Phi_0(s)^{-1}\boldsymbol x(s) x ( s + T ) = Φ 0 ( s ) M Φ 0 ( s ) − 1 x ( s ) である。
すべてのt ∈ R t\in\R t ∈ R とn ∈ Z n\in\Z n ∈ Z についてΦ 0 ( t + n T ) = Φ 0 ( t ) M n \Phi_0(t+nT)=\Phi_0(t)M^n Φ 0 ( t + n T ) = Φ 0 ( t ) M n である。
証明. Φ \Phi Φ を基本行列とし、Ψ ( t ) = Φ ( t + T ) \Psi(t)=\Phi(t+T) Ψ ( t ) = Φ ( t + T ) とおく。Ψ \Psi Ψ は局所絶対連続である。Φ ′ ( s ) = A ( s ) Φ ( s ) \Phi'(s)=A(s)\Phi(s) Φ ′ ( s ) = A ( s ) Φ ( s ) が成り立たないs s s の集合をN 1 N_1 N 1 、A ( t + T ) ≠ A ( t ) A(t+T)\ne A(t) A ( t + T ) = A ( t ) となるt t t の集合をN 2 N_2 N 2 とすると、どちらも零集合であり、t ∉ ( N 1 − T ) ∪ N 2 t\notin(N_1-T)\cup N_2 t ∈ / ( N 1 − T ) ∪ 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) Ψ ′ ( t ) = Φ ′ ( t + T ) = A ( t + T ) Φ ( t + T ) = A ( t ) Ψ ( t ) である。det Ψ ( t ) = det Φ ( t + T ) ≠ 0 \det\Psi(t)=\det\Phi(t+T)\ne0 det Ψ ( t ) = det Φ ( t + T ) = 0 であるから、Ψ \Psi Ψ は基本行列である。§E13.9 定理 2.2 によりΦ \Phi Φ の列は解空間S A ( R ) \mathcal S_A(\R) S A ( R ) の基底であり、Ψ \Psi Ψ の各列はS A ( R ) \mathcal S_A(\R) S A ( R ) に属するから、Ψ = Φ C Φ \Psi=\Phi C_\Phi Ψ = Φ C Φ を満たすC Φ ∈ K d × d C_\Phi\in\mathbb K^{d\times d} C Φ ∈ K d × d が存在する。Φ ( t ) \Phi(t) Φ ( t ) は可逆であるからC Φ = Φ ( t ) − 1 Ψ ( t ) C_\Phi=\Phi(t)^{-1}\Psi(t) C Φ = Φ ( t ) − 1 Ψ ( t ) は一意に定まり、det C Φ = det Φ ( t ) − 1 det Ψ ( t ) ≠ 0 \det C_\Phi=\det\Phi(t)^{-1}\det\Psi(t)\ne0 det C Φ = det Φ ( t ) − 1 det Ψ ( t ) = 0 である。
Φ 0 \Phi_0 Φ 0 についてt = 0 t=0 t = 0 とおくとC Φ 0 = Φ 0 ( T ) = M C_{\Phi_0}=\Phi_0(T)=M C Φ 0 = Φ 0 ( T ) = M であり、すべてのt t t でΦ 0 ( t + T ) = Φ 0 ( t ) M \Phi_0(t+T)=\Phi_0(t)M Φ 0 ( t + T ) = Φ 0 ( t ) M が成り立つ。t ↦ Φ 0 ( t ) Φ ( 0 ) t\mapsto\Phi_0(t)\Phi(0) t ↦ Φ 0 ( t ) Φ ( 0 ) の各列は解であり、t = 0 t=0 t = 0 での値はΦ \Phi Φ 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 ) = Φ 0 ( t ) Φ ( 0 ) \Phi(t)=\Phi_0(t)\Phi(0) Φ ( t ) = Φ 0 ( t ) Φ ( 0 ) である。従って
Φ ( t + T ) = Φ 0 ( t ) M Φ ( 0 ) = Φ ( t ) Φ ( 0 ) − 1 M Φ ( 0 ) \Phi(t+T)=\Phi_0(t)M\Phi(0)=\Phi(t)\Phi(0)^{-1}M\Phi(0) Φ ( t + T ) = Φ 0 ( t ) M Φ ( 0 ) = Φ ( t ) Φ ( 0 ) − 1 M Φ ( 0 ) であり、C Φ = Φ ( 0 ) − 1 M Φ ( 0 ) C_\Phi=\Phi(0)^{-1}M\Phi(0) C Φ = Φ ( 0 ) − 1 M Φ ( 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) x ( t ) とΦ 0 ( t ) x ( 0 ) \Phi_0(t)\boldsymbol x(0) Φ 0 ( t ) x ( 0 ) はともに解でt = 0 t=0 t = 0 の値が等しいから、§E13.9 定理 2.2 によりx ( t ) = Φ 0 ( t ) x ( 0 ) \boldsymbol x(t)=\Phi_0(t)\boldsymbol x(0) x ( t ) = Φ 0 ( t ) x ( 0 ) である。Φ 0 ( s + T ) = Φ 0 ( s ) M \Phi_0(s+T)=\Phi_0(s)M Φ 0 ( s + T ) = Φ 0 ( s ) M によりx ( s + T ) = Φ 0 ( s ) M x ( 0 ) = Φ 0 ( s ) M Φ 0 ( s ) − 1 x ( s ) \boldsymbol x(s+T)=\Phi_0(s)M\boldsymbol x(0)=\Phi_0(s)M\Phi_0(s)^{-1}\boldsymbol x(s) x ( s + T ) = Φ 0 ( s ) M x ( 0 ) = Φ 0 ( s ) M Φ 0 ( s ) − 1 x ( s ) である。
主張 (3) を示す。n ≥ 0 n\ge0 n ≥ 0 についてΦ 0 ( t + n T ) = Φ 0 ( t ) M n \Phi_0(t+nT)=\Phi_0(t)M^n Φ 0 ( t + n T ) = Φ 0 ( t ) M n が成り立つとすると、Φ 0 ( t + ( n + 1 ) T ) = Φ 0 ( t + n T ) M = Φ 0 ( t ) M n + 1 \Phi_0(t+(n+1)T)=\Phi_0(t+nT)M=\Phi_0(t)M^{n+1} Φ 0 ( t + ( n + 1 ) T ) = Φ 0 ( t + n T ) M = Φ 0 ( t ) M n + 1 である。t − T t-T t − T にΦ 0 ( s + T ) = Φ 0 ( s ) M \Phi_0(s+T)=\Phi_0(s)M Φ 0 ( s + T ) = Φ 0 ( s ) M を適用するとΦ 0 ( t − T ) = Φ 0 ( t ) M − 1 \Phi_0(t-T)=\Phi_0(t)M^{-1} Φ 0 ( t − T ) = Φ 0 ( t ) M − 1 であり、同じ帰納法によりn ≤ 0 n\le0 n ≤ 0 でも等式が成り立つ。▨
定義 1.3. K ∈ { R , C } \mathbb K\in\{\R,\C\} K ∈ { R , C } 、d ∈ N ≥ 1 d\in\NN d ∈ N ≥ 1 、T > 0 T>0 T > 0 とし、x ′ = A ( t ) x \boldsymbol x'=A(t)\boldsymbol x x ′ = A ( t ) x をT T T 周期線形系、Φ 0 \Phi_0 Φ 0 をΦ 0 ( 0 ) = I \Phi_0(0)=I Φ 0 ( 0 ) = I を満たす基本行列とする。M = Φ 0 ( T ) M=\Phi_0(T) M = Φ 0 ( T ) をこの系のモノドロミー行列 (monodromy matrix ) という。M M M の固有値をC \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 ρ についてe μ T = ρ e^{\mu T}=\rho e μ T = ρ を満たすμ ∈ C \mu\in\C μ ∈ C をFloquet 指数 (Floquet exponent ) という。
定義 1.5. K ∈ { R , C } \mathbb K\in\{\R,\C\} K ∈ { R , C } 、d ∈ N ≥ 1 d\in\NN d ∈ N ≥ 1 、T > 0 T>0 T > 0 とし、x ′ = A ( t ) x \boldsymbol x'=A(t)\boldsymbol x x ′ = A ( t ) x をT T T 周期線形系とする。ρ ∈ C \rho\in\C ρ ∈ C について、x ′ = A ( t ) x \boldsymbol x'=A(t)\boldsymbol x x ′ = A ( t ) x の局所絶対連続解x : R → C d \boldsymbol x\colon\R\to\C^d x : R → C d で、零でなく、すべてのt ∈ R t\in\R t ∈ R についてx ( t + T ) = ρ x ( t ) \boldsymbol x(t+T)=\rho\boldsymbol x(t) x ( t + T ) = ρ x ( t ) を満たすものを、乗数ρ \rho ρ のFloquet 解 (Floquet solution ) という。
命題 1.6. K ∈ { R , C } \mathbb K\in\{\R,\C\} K ∈ { R , C } 、d ∈ N ≥ 1 d\in\NN d ∈ N ≥ 1 、T > 0 T>0 T > 0 とし、x ′ = A ( t ) x \boldsymbol x'=A(t)\boldsymbol x x ′ = A ( t ) x をT T T 周期線形系、M M M をそのモノドロミー行列とする。ρ ∈ C \rho\in\C ρ ∈ C について、x ′ = A ( t ) x \boldsymbol x'=A(t)\boldsymbol x x ′ = A ( t ) x の局所絶対連続解x : R → C d \boldsymbol x\colon\R\to\C^d x : R → C d ですべてのt ∈ R t\in\R t ∈ R についてx ( t + T ) = ρ x ( t ) \boldsymbol x(t+T)=\rho\boldsymbol x(t) x ( t + T ) = ρ x ( t ) を満たすもの全体をF ρ \mathcal F_\rho F ρ と書く。このとき、次が成り立つ。
F ρ \mathcal F_\rho F ρ はC \C C ベクトル空間であり、x ↦ x ( 0 ) \boldsymbol x\mapsto\boldsymbol x(0) x ↦ x ( 0 ) はF ρ \mathcal F_\rho F ρ からker ( M − ρ I ) ⊆ C d \ker(M-\rho I)\subseteq\C^d ker ( M − ρ I ) ⊆ C d への線形同型である。特に、乗数ρ \rho ρ の Floquet 解が存在することは、ρ \rho ρ が Floquet 乗数であるための必要十分条件である。
零でないT T T 周期解が存在することは、1 1 1 が Floquet 乗数であるための必要十分条件である。すべてのt t t でx ( t + T ) = − x ( t ) \boldsymbol x(t+T)=-\boldsymbol x(t) x ( t + T ) = − x ( t ) を満たす零でない解が存在することは、− 1 -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2 T 2T 2 T 周期である。
K = R \mathbb K=\R K = R かつρ ∈ R \rho\in\R ρ ∈ R ならば、F ρ \mathcal F_\rho F ρ に属する実数値の解の全体はR \R R ベクトル空間であり、x ↦ x ( 0 ) \boldsymbol x\mapsto\boldsymbol x(0) x ↦ x ( 0 ) は、F ρ \mathcal F_\rho F ρ に属する実数値の解の全体からker ( M − ρ I ) ∩ R d \ker(M-\rho I)\cap\R^d ker ( M − ρ I ) ∩ R d への線形同型である。F ρ \mathcal F_\rho F ρ に属する実数値の解の空間のR \R R 上の次元は、dim C F ρ \dim_{\C}\mathcal F_\rho dim C F ρ に等しい。
証明. Φ 0 \Phi_0 Φ 0 をΦ 0 ( 0 ) = I \Phi_0(0)=I Φ 0 ( 0 ) = I を満たす基本行列とする。K = R \mathbb K=\R K = R の場合もA A A をL l o c 1 ( R ; C d × d ) L^1_{\mathrm{loc}}(\R;\C^{d\times d}) L loc 1 ( R ; C d × d ) の元とみなすと、Φ 0 \Phi_0 Φ 0 は複素数値の解の空間の基本行列でもある。x : R → C d \boldsymbol x\colon\R\to\C^d x : R → C d を解とすると、§E13.9 定理 2.2 によりx ( t ) = Φ 0 ( t ) x ( 0 ) \boldsymbol x(t)=\Phi_0(t)\boldsymbol x(0) x ( t ) = Φ 0 ( t ) x ( 0 ) であり、補題 1.2 (1) により
x ( t + T ) − ρ x ( t ) = Φ 0 ( t ) ( M − ρ I ) x ( 0 ) \boldsymbol x(t+T)-\rho\boldsymbol x(t)=\Phi_0(t)\bigl(M-\rho I\bigr)\boldsymbol x(0) x ( t + T ) − ρ x ( t ) = Φ 0 ( t ) ( M − ρ I ) x ( 0 ) である。Φ 0 ( t ) \Phi_0(t) Φ 0 ( t ) は可逆であるから、x ∈ F ρ \boldsymbol x\in\mathcal F_\rho x ∈ F ρ であることは、x ( 0 ) ∈ ker ( M − ρ I ) \boldsymbol x(0)\in\ker(M-\rho I) x ( 0 ) ∈ ker ( M − ρ I ) であるための必要十分条件である。従ってF ρ \mathcal F_\rho F ρ は評価写像x ↦ x ( 0 ) \boldsymbol x\mapsto\boldsymbol x(0) x ↦ x ( 0 ) によるker ( M − ρ I ) \ker(M-\rho I) ker ( M − ρ 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 ρ = 1 とρ = − 1 \rho=-1 ρ = − 1 の場合である。x ( t + T ) = − x ( t ) \boldsymbol x(t+T)=-\boldsymbol x(t) x ( t + T ) = − x ( t ) ならばx ( t + 2 T ) = − x ( t + T ) = x ( t ) \boldsymbol x(t+2T)=-\boldsymbol x(t+T)=\boldsymbol x(t) x ( t + 2 T ) = − x ( t + T ) = x ( t ) である。
主張 (3) を示す。Φ 0 \Phi_0 Φ 0 は実行列値であるから、解x = Φ 0 x ( 0 ) \boldsymbol x=\Phi_0\boldsymbol x(0) x = Φ 0 x ( 0 ) が実数値であることは、x ( 0 ) ∈ R d \boldsymbol x(0)\in\R^d x ( 0 ) ∈ R d であるための必要十分条件である。M − ρ I M-\rho I M − ρ 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 R 上で考えてもC \C C 上で考えても等しい。従ってdim R ( ker ( M − ρ I ) ∩ R d ) = d − rank ( M − ρ I ) = dim C ker ( M − ρ I ) \dim_{\R}\bigl(\ker(M-\rho I)\cap\R^d\bigr)=d-\operatorname{rank}(M-\rho I)=\dim_{\C}\ker(M-\rho I) dim R ( ker ( M − ρ I ) ∩ R d ) = d − rank ( M − ρ I ) = dim C ker ( M − ρ I ) である。▨
命題 1.7. K ∈ { R , C } \mathbb K\in\{\R,\C\} K ∈ { R , C } 、d ∈ N ≥ 1 d\in\NN d ∈ N ≥ 1 、T > 0 T>0 T > 0 とし、x ′ = A ( t ) x \boldsymbol x'=A(t)\boldsymbol x x ′ = A ( t ) x をT T T 周期線形系、M M M をそのモノドロミー行列、ρ 1 , … , ρ d \rho_1,\ldots,\rho_d ρ 1 , … , ρ d を Floquet 乗数とする。このとき
ρ 1 ⋯ ρ d = det M = exp ( ∫ 0 T tr A ( s ) d s ) \rho_1\cdots\rho_d=\det M=\exp\left(\int_0^T\operatorname{tr}A(s)\,ds\right) ρ 1 ⋯ ρ d = det M = exp ( ∫ 0 T tr A ( s ) d s ) である。
証明. M M M の特性多項式は∏ j = 1 d ( t − ρ j ) \prod_{j=1}^d(t-\rho_j) ∏ j = 1 d ( t − ρ j ) であり、t = 0 t=0 t = 0 での値を比べるとdet M = ρ 1 ⋯ ρ d \det M=\rho_1\cdots\rho_d det M = ρ 1 ⋯ ρ d である。Φ 0 \Phi_0 Φ 0 をΦ 0 ( 0 ) = I \Phi_0(0)=I Φ 0 ( 0 ) = I を満たす基本行列とするとM = Φ 0 ( T ) M=\Phi_0(T) M = Φ 0 ( T ) であり、§E13.9 注意 3.2 の等式によりdet M = exp ∫ 0 T tr A ( s ) d s \det M=\exp\int_0^T\operatorname{tr}A(s)\,ds det M = exp ∫ 0 T tr A ( s ) d s である。▨
2 Floquet の標準形
定義 2.1. d ∈ N ≥ 1 d\in\NN d ∈ N ≥ 1 、C ∈ C d × d C\in\C^{d\times d} C ∈ C d × d とし、ρ ∈ C \rho\in\C ρ ∈ C をC C C の固有値とする。C C C のρ \rho ρ に対応する一般固有空間G ρ ( C ) = ker ( C − ρ I ) d G_\rho(C)=\ker(C-\rho I)^d G ρ ( C ) = ker ( C − ρ I ) d についてG ρ ( C ) = ker ( C − ρ I ) G_\rho(C)=\ker(C-\rho I) G ρ ( C ) = ker ( C − ρ I ) が成り立つとき、ρ \rho ρ をC C C の半単純固有値 (semisimple eigenvalue ) という。
系 2.2. d ∈ N ≥ 1 d\in\NN d ∈ N ≥ 1 、B ∈ C d × d B\in\C^{d\times d} B ∈ C d × d 、ρ ∈ C ∖ { 0 } \rho\in\C\setminus\{0\} ρ ∈ C ∖ { 0 } とする。B B B の相異なる固有値のうちe β = ρ e^\beta=\rho e β = ρ を満たすもの全体をE ρ E_\rho E ρ と書く。E ρ = ∅ E_\rho=\emptyset E ρ = ∅ のとき、E ρ E_\rho E ρ を添字とする直和は{ 0 } \{\boldsymbol 0\} { 0 } とする。このとき、次が成り立つ。
G ρ ( e B ) = ⨁ β ∈ E ρ G β ( B ) G_\rho(e^B)=\bigoplus_{\beta\in E_\rho}G_\beta(B) G ρ ( e B ) = ⨁ β ∈ E ρ G β ( B ) である。
ker ( e B − ρ I ) = ⨁ β ∈ E ρ ker ( B − β I ) \ker(e^B-\rho I)=\bigoplus_{\beta\in E_\rho}\ker(B-\beta I) ker ( e B − ρ I ) = ⨁ β ∈ E ρ ker ( B − β I ) である。
B B B の固有値を重複度込みでβ 1 , … , β d \beta_1,\ldots,\beta_d β 1 , … , β d とすると、e B e^B e B の固有値は重複度込みでe β 1 , … , e β d e^{\beta_1},\ldots,e^{\beta_d} e β 1 , … , e β d である。
ρ \rho ρ がe B e^B e B の固有値であるとき、ρ \rho ρ がe B e^B e B の半単純固有値であることは、すべてのβ ∈ E ρ \beta\in E_\rho β ∈ E ρ がB B B の半単純固有値であるための必要十分条件である。
証明. 主張 (1) を示す。M M M は可逆であるから、§E3.31 定理 4.2 によりe L = M e^L=M e L = M を満たすL ∈ C d × d L\in\C^{d\times d} L ∈ C d × d が存在する。B = T − 1 L B=T^{-1}L B = T − 1 L とおくとe T B = M e^{TB}=M e T B = M である。P ( t ) = Φ 0 ( t ) e − t B P(t)=\Phi_0(t)e^{-tB} P ( t ) = Φ 0 ( t ) e − tB とおく。§E13.12 定理 2.2 (3) を− B -B − B とI = R I=\R I = R に適用するとt ↦ e − t B t\mapsto e^{-tB} t ↦ e − tB は局所絶対連続であり、§E13.12 定理 2.1 によりe − t B e^{-tB} e − tB は可逆であるから、§E13.2 定理 3.1 (2) によりP P P は局所絶対連続であり、P ( t ) P(t) P ( t ) は可逆でP ( 0 ) = I P(0)=I P ( 0 ) = I である。補題 1.2 (1) と§E13.12 定理 2.1 により
P ( t + T ) = Φ 0 ( t ) M e − T B e − t B = Φ 0 ( t ) e T B e − T B e − t B = P ( t ) P(t+T)=\Phi_0(t)Me^{-TB}e^{-tB}=\Phi_0(t)e^{TB}e^{-TB}e^{-tB}=P(t) P ( t + T ) = Φ 0 ( t ) M e − T B e − tB = Φ 0 ( t ) e T B e − T B e − tB = P ( t ) である。T B TB T B の固有値はT β 1 , … , T β d T\beta_1,\ldots,T\beta_d T β 1 , … , T β d であるから、系 2.2 (3) をT B TB T B に適用するとM = e T B M=e^{TB} M = e T B の固有値は重複度込みでe T β 1 , … , e T β d e^{T\beta_1},\ldots,e^{T\beta_d} e T β 1 , … , e T β d である。従って各e T β j e^{T\beta_j} e T β j は Floquet 乗数であり、β j \beta_j β j は Floquet 指数である。
主張 (2) を示す。K = R \mathbb K=\R K = R であるからΦ 0 \Phi_0 Φ 0 は実行列値であり、M M M は実可逆行列である。§E3.31 補題 4.1 (2) によりe B 2 = M 2 e^{B_2}=M^2 e B 2 = M 2 を満たすB 2 ∈ R d × d B_2\in\R^{d\times d} B 2 ∈ R d × d が存在する。B = ( 2 T ) − 1 B 2 B=(2T)^{-1}B_2 B = ( 2 T ) − 1 B 2 、P ( t ) = Φ 0 ( t ) e − t B P(t)=\Phi_0(t)e^{-tB} P ( t ) = Φ 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 − t B e^{-tB} e − tB は実行列であり、P P P は実行列値である。局所絶対連続性、可逆性、P ( 0 ) = I P(0)=I P ( 0 ) = I は前段と同じであり、補題 1.2 (3) のn = 2 n=2 n = 2 により
P ( t + 2 T ) = Φ 0 ( t ) M 2 e − 2 T B e − t B = P ( t ) P(t+2T)=\Phi_0(t)M^2e^{-2TB}e^{-tB}=P(t) P ( t + 2 T ) = Φ 0 ( t ) M 2 e − 2 T B e − tB = P ( t ) である。
主張 (3) を示す。P ( t ) = Φ 0 ( t ) e − t B P(t)=\Phi_0(t)e^{-tB} P ( t ) = Φ 0 ( t ) e − tB である。§E13.12 定理 2.2 (3) を− B -B − B とI = R I=\R I = R に適用するとt ↦ e − t B t\mapsto e^{-tB} t ↦ 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d d t e − t B = − e − t B B \frac{d}{dt}e^{-tB}=-e^{-tB}B d t d e − tB = − e − tB B であるから、§E13.2 定理 3.1 (2) によりP P P は局所絶対連続であり、ほとんど至る所で
P ′ = A Φ 0 e − t B − Φ 0 e − t B B = A P − P B P'=A\Phi_0e^{-tB}-\Phi_0e^{-tB}B=AP-PB P ′ = A Φ 0 e − tB − Φ 0 e − tB B = A P − P B である。§E13.2 系 3.2 (2) によりP − 1 P^{-1} P − 1 は局所絶対連続である。x ∈ A C l o c ( R ; C d ) \boldsymbol x\in AC_{\mathrm{loc}}(\R;\C^d) x ∈ A C loc ( R ; C d ) についてz = P − 1 x \boldsymbol z=P^{-1}\boldsymbol x z = P − 1 x は局所絶対連続であり、x = P z \boldsymbol x=P\boldsymbol z x = P 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 + P z ′ = A P z − P B z + P z ′ = A x + P ( z ′ − B z ) \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) x ′ = P ′ z + P z ′ = A P z − P B z + P z ′ = A x + P ( z ′ − B z ) である。P ( t ) P(t) P ( t ) は可逆であるから、ほとんど至る所でx ′ = A x \boldsymbol x'=A\boldsymbol x x ′ = A x となることは、ほとんど至る所でz ′ = B z \boldsymbol z'=B\boldsymbol z z ′ = B z となるための必要十分条件である。▨
3 乗数による安定性の判定
系 3.1. d ∈ N ≥ 1 d\in\NN d ∈ N ≥ 1 とし、C d \C^d 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 ∈ C d × d B\in\C^{d\times d} B ∈ C d × d とし、α \alpha α をB B B の固有値の実部の最大値とする。このとき、次が成り立つ。
任意のγ > α \gamma>\alpha γ > α について、あるC ≥ 1 C\ge1 C ≥ 1 が存在して、すべてのt ≥ 0 t\ge0 t ≥ 0 で∥ e t B ∥ ≤ C e γ t \lVert e^{tB}\rVert\le Ce^{\gamma t} ∥ e tB ∥ ≤ C e γ t が成り立つ。
sup t ≥ 0 ∥ e t B ∥ < ∞ \sup_{t\ge0}\lVert e^{tB}\rVert<\infty sup t ≥ 0 ∥ e tB ∥ < ∞ であることは、B B B のすべての固有値β \beta β がℜ β ≤ 0 \Re\beta\le0 ℜ β ≤ 0 を満たし、ℜ β = 0 \Re\beta=0 ℜ β = 0 を満たす固有値がすべてB B B の半単純固有値であるための必要十分条件である。
β \beta β をB B B の固有値、v \boldsymbol v v をその固有ベクトルとすると、すべてのt ∈ R t\in\R t ∈ R でe t B v = e t β v e^{tB}\boldsymbol v=e^{t\beta}\boldsymbol v e tB v = e tβ v であり、∥ e t B v ∥ = e t ℜ β ∥ v ∥ \lVert e^{tB}\boldsymbol v\rVert=e^{t\Re\beta}\lVert\boldsymbol v\rVert ∥ e tB v ∥ = e t ℜ β ∥ v ∥ である。
定理 3.2. K ∈ { R , C } \mathbb K\in\{\R,\C\} K ∈ { R , C } 、d ∈ N ≥ 1 d\in\NN d ∈ N ≥ 1 、T > 0 T>0 T > 0 とし、C d \C^d C d にノルム∥ ⋅ ∥ \lVert\cdot\rVert ∥ ⋅ ∥ を固定する。x ′ = A ( t ) x \boldsymbol x'=A(t)\boldsymbol x x ′ = A ( t ) x をT T T 周期線形系、M M M をそのモノドロミー行列、ρ 1 , … , ρ d \rho_1,\ldots,\rho_d ρ 1 , … , ρ d を Floquet 乗数とし、この系の局所絶対連続解x : R → C d \boldsymbol x\colon\R\to\C^d x : R → C d を考える。このとき、次が成り立つ。
すべての解がt → ∞ t\to\infty t → ∞ で0 \boldsymbol 0 0 に収束することは、すべてのj j j で∣ ρ j ∣ < 1 \lvert\rho_j\rvert<1 ∣ ρ j ∣ < 1 となるための必要十分条件である。このとき、あるC ≥ 1 C\ge1 C ≥ 1 とγ > 0 \gamma>0 γ > 0 が存在して、すべての解x \boldsymbol x x とs ≤ t s\le t s ≤ t を満たすすべてのs , t ∈ R s,t\in\R s , t ∈ R について∥ x ( t ) ∥ ≤ C e − γ ( t − s ) ∥ x ( s ) ∥ \lVert\boldsymbol x(t)\rVert\le Ce^{-\gamma(t-s)}\lVert\boldsymbol x(s)\rVert ∥ x ( t )∥ ≤ C e − γ ( t − s ) ∥ x ( s )∥ が成り立つ。
すべての解が[ 0 , ∞ ) [0,\infty) [ 0 , ∞ ) 上で有界であることは、すべてのj j j で∣ ρ j ∣ ≤ 1 \lvert\rho_j\rvert\le1 ∣ ρ j ∣ ≤ 1 であり、絶対値が1 1 1 の Floquet 乗数がすべてM M M の半単純固有値であるための必要十分条件である。
∣ ρ ∣ > 1 \lvert\rho\rvert>1 ∣ ρ ∣ > 1 を満たす Floquet 乗数ρ \rho ρ が存在すれば、すべてのt ∈ R t\in\R t ∈ R とn ∈ Z n\in\Z n ∈ Z について∥ x ( t + n T ) ∥ = ∣ ρ ∣ n ∥ x ( t ) ∥ \lVert\boldsymbol x(t+nT)\rVert=\lvert\rho\rvert^n\lVert\boldsymbol x(t)\rVert ∥ x ( t + n T )∥ = ∣ ρ ∣ n ∥ x ( t )∥ を満たす解x ≠ 0 \boldsymbol x\ne\boldsymbol 0 x = 0 が存在する。この解は[ 0 , ∞ ) [0,\infty) [ 0 , ∞ ) 上で有界でない。
K = R \mathbb K=\R 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e T B = M e^{TB}=M e T B = M を満たすB B B とT T T 周期のP P P でΦ 0 ( t ) = P ( t ) e t B \Phi_0(t)=P(t)e^{tB} Φ 0 ( t ) = P ( t ) e tB となるものを取る。P P P とP − 1 P^{-1} P − 1 は連続なT T T 周期関数であるからK P = 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 K P = sup t ∥ P ( t )∥ ⋅ sup t ∥ P ( t ) − 1 ∥ < ∞ である。§E13.9 定理 2.2 により各解はx ( t ) = Φ 0 ( t ) x ( 0 ) \boldsymbol x(t)=\Phi_0(t)\boldsymbol x(0) x ( t ) = Φ 0 ( t ) x ( 0 ) と書かれるから、§E13.12 定理 2.1 により
x ( t ) = Φ 0 ( t ) Φ 0 ( s ) − 1 x ( s ) = P ( t ) e ( t − s ) B P ( s ) − 1 x ( s ) , ∥ x ( t ) ∥ ≤ K P ∥ 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 x ( t ) = Φ 0 ( t ) Φ 0 ( s ) − 1 x ( s ) = P ( t ) e ( t − s ) B P ( s ) − 1 x ( s ) , ∥ x ( t )∥ ≤ K P e ( t − s ) B ∥ x ( s )∥ が成り立ち、e t B = P ( t ) − 1 Φ 0 ( t ) e^{tB}=P(t)^{-1}\Phi_0(t) e tB = P ( t ) − 1 Φ 0 ( t ) である。定理 2.3 (1) により、B B B の固有値β \beta β と Floquet 乗数はρ = e T β \rho=e^{T\beta} ρ = e T β 、∣ ρ ∣ = e T ℜ β \lvert\rho\rvert=e^{T\Re\beta} ∣ ρ ∣ = e T ℜ β で重複度込みで対応する。
主張 (1) を示す。すべての∣ ρ j ∣ < 1 \lvert\rho_j\rvert<1 ∣ ρ j ∣ < 1 ならばB B B の固有値の実部の最大値α \alpha α は負である。γ = − α / 2 \gamma=-\alpha/2 γ = − α /2 とおくと− γ > α -\gamma>\alpha − γ > α であるから、系 3.1 (1) により∥ e t B ∥ ≤ C ′ e − γ t \lVert e^{tB}\rVert\le C'e^{-\gamma t} ∥ e tB ∥ ≤ C ′ e − γ t (t ≥ 0 t\ge0 t ≥ 0 )を満たすC ′ ≥ 1 C'\ge1 C ′ ≥ 1 があり、C = K P C ′ C=K_PC' C = K P C ′ として主張の評価を得る。s = 0 s=0 s = 0 とすると、すべての解は0 \boldsymbol 0 0 に収束する。逆に∣ ρ ∣ ≥ 1 \lvert\rho\rvert\ge1 ∣ ρ ∣ ≥ 1 の Floquet 乗数ρ \rho ρ があれば、命題 1.6 (1) により乗数ρ \rho ρ の Floquet 解x \boldsymbol x x があり、∥ x ( n T ) ∥ = ∣ 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 ∥ x ( n T )∥ = ∣ ρ ∣ n ∥ x ( 0 )∥ ≥ ∥ x ( 0 )∥ > 0 であるから、x \boldsymbol x x は0 \boldsymbol 0 0 に収束しない。
主張 (2) を示す。∣ ρ ∣ = 1 \lvert\rho\rvert=1 ∣ ρ ∣ = 1 の Floquet 乗数ρ \rho ρ について、e T β = ρ e^{T\beta}=\rho e T β = ρ を満たすB B B の固有値β \beta β はℜ β = 0 \Re\beta=0 ℜ β = 0 を満たし、ℜ β = 0 \Re\beta=0 ℜ β = 0 を満たすB B B の各固有値β \beta β は絶対値が1 1 1 の Floquet 乗数e T β e^{T\beta} e T β に対応する。またG T β ( T B ) = G β ( B ) G_{T\beta}(TB)=G_\beta(B) G T β ( T B ) = G β ( B ) 、ker ( T B − T β I ) = ker ( B − β I ) \ker(TB-T\beta I)=\ker(B-\beta I) ker ( T B − T β I ) = ker ( B − β I ) であるから、系 2.2 (4) をT B TB T B に適用すると、ρ \rho ρ がM M M の半単純固有値であることは、e T β = ρ e^{T\beta}=\rho e T β = ρ を満たすB B B の固有値β \beta β がすべてB B B 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B B B 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 ∥ e t B ∥ < ∞ \sup_{t\ge0}\lVert e^{tB}\rVert<\infty sup t ≥ 0 ∥ e tB ∥ < ∞ であり、s = 0 s=0 s = 0 とした評価からすべての解は[ 0 , ∞ ) [0,\infty) [ 0 , ∞ ) 上で有界である。逆にすべての解が[ 0 , ∞ ) [0,\infty) [ 0 , ∞ ) 上で有界ならば、Φ 0 \Phi_0 Φ 0 の各列が有界であるからe t B = P ( t ) − 1 Φ 0 ( t ) e^{tB}=P(t)^{-1}\Phi_0(t) e tB = P ( t ) − 1 Φ 0 ( t ) は[ 0 , ∞ ) [0,\infty) [ 0 , ∞ ) 上で有界であり、系 3.1 (2) によりB B B 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 ρ の Floquet 解x \boldsymbol x x がある。x ( t + T ) = ρ x ( t ) \boldsymbol x(t+T)=\rho\boldsymbol x(t) x ( t + T ) = ρ x ( t ) をn n n 回および逆向きに用いるとx ( t + n T ) = ρ n x ( t ) \boldsymbol x(t+nT)=\rho^n\boldsymbol x(t) x ( t + n T ) = ρ n x ( t ) (n ∈ Z n\in\Z n ∈ Z )であり、x ( 0 ) ≠ 0 \boldsymbol x(0)\ne\boldsymbol 0 x ( 0 ) = 0 であるから∥ x ( n T ) ∥ = ∣ ρ ∣ n ∥ x ( 0 ) ∥ → ∞ \lVert\boldsymbol x(nT)\rVert=\lvert\rho\rvert^n\lVert\boldsymbol x(0)\rVert\to\infty ∥ x ( n T )∥ = ∣ ρ ∣ n ∥ x ( 0 )∥ → ∞ (n → ∞ n\to\infty n → ∞ )である。
主張 (4) を示す。A A A が実行列値ならば、解x \boldsymbol x x の積分表示の複素共役をとるとx ‾ \overline{\boldsymbol x} x も解であるから、ℜ x = ( x + x ‾ ) / 2 \Re\boldsymbol x=(\boldsymbol x+\overline{\boldsymbol x})/2 ℜ x = ( x + x ) /2 とℑ x \Im\boldsymbol x ℑ x は実数値の解である。すべての実数値の解が0 \boldsymbol 0 0 に収束する([ 0 , ∞ ) [0,\infty) [ 0 , ∞ ) 上で有界である)ならば、x = ℜ x + i ℑ x \boldsymbol x=\Re\boldsymbol x+i\Im\boldsymbol x x = ℜ x + i ℑ 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\} K ∈ { R , C } 、d ∈ N ≥ 1 d\in\NN d ∈ N ≥ 1 、J ⊆ R J\subseteq\R J ⊆ R を内部が空でない区間とし、A ∈ L l o c 1 ( J ; K d × d ) A\in L^1_{\mathrm{loc}}(J;\mathbb K^{d\times d}) A ∈ L loc 1 ( J ; K d × d ) とする。行列とベクトルの共役転置をX ∗ X^* X ∗ と書く(K = R \mathbb K=\R 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 ψ ′ = − A ( t ) ∗ ψ を、x ′ = A ( t ) x \boldsymbol x'=A(t)\boldsymbol x x ′ = A ( t ) x の随伴系 (adjoint system ) という。
補題 4.2. K ∈ { R , C } \mathbb K\in\{\R,\C\} K ∈ { R , C } 、d ∈ N ≥ 1 d\in\NN d ∈ N ≥ 1 、J ⊆ R J\subseteq\R J ⊆ R を内部が空でない区間とし、A ∈ L l o c 1 ( J ; K d × d ) A\in L^1_{\mathrm{loc}}(J;\mathbb K^{d\times d}) A ∈ L loc 1 ( J ; K d × d ) 、b ∈ L l o c 1 ( J ; K d ) \boldsymbol b\in L^1_{\mathrm{loc}}(J;\mathbb K^d) b ∈ L loc 1 ( J ; K d ) とする。このとき、次が成り立つ。
x \boldsymbol x x がx ′ = A ( t ) x + b ( t ) \boldsymbol x'=A(t)\boldsymbol x+\boldsymbol b(t) x ′ = A ( t ) x + b ( t ) のJ J J 上の局所絶対連続解、ψ \boldsymbol\psi ψ が随伴系ψ ′ = − A ( t ) ∗ ψ \boldsymbol\psi'=-A(t)^*\boldsymbol\psi ψ ′ = − A ( t ) ∗ ψ のJ J J 上の局所絶対連続解ならば、ψ ∗ x \boldsymbol\psi^*\boldsymbol x ψ ∗ x はJ J J 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 ( ψ ∗ x ) ′ = ψ ∗ b が成り立つ。
Φ \Phi Φ がx ′ = A ( t ) x \boldsymbol x'=A(t)\boldsymbol x x ′ = A ( t ) x の基本行列ならば、( Φ ∗ ) − 1 (\Phi^*)^{-1} ( Φ ∗ ) − 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K d \mathbb K^d K d の実線形な等長写像であるから、ψ ‾ \overline{\boldsymbol\psi} ψ 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'} ψ ′ = ψ ′ である。ψ ∗ x = ψ ‾ T x \boldsymbol\psi^*\boldsymbol x=\overline{\boldsymbol\psi}^{\mathsf T}\boldsymbol x ψ ∗ x = ψ T x に双線形写像( u , v ) ↦ u T v (\boldsymbol u,\boldsymbol v)\mapsto\boldsymbol u^{\mathsf T}\boldsymbol v ( u , v ) ↦ u T 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 ψ ∗ 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 ∗ A x + ψ ∗ ( A x + 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 ( ψ ∗ x ) ′ = ( ψ ′ ) ∗ x + ψ ∗ x ′ = − ψ ∗ A x + ψ ∗ ( A x + b ) = ψ ∗ b である。
主張 (2) を示す。§E13.2 系 3.2 (2) によりΦ − 1 \Phi^{-1} Φ − 1 は局所絶対連続であり、ほとんど至る所で( Φ − 1 ) ′ = − Φ − 1 Φ ′ Φ − 1 = − Φ − 1 A (\Phi^{-1})'=-\Phi^{-1}\Phi'\Phi^{-1}=-\Phi^{-1}A ( Φ − 1 ) ′ = − Φ − 1 Φ ′ Φ − 1 = − Φ − 1 A である。Ψ = ( Φ ∗ ) − 1 = ( Φ − 1 ) ∗ \Psi=(\Phi^*)^{-1}=(\Phi^{-1})^* Ψ = ( Φ ∗ ) − 1 = ( Φ − 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 Ψ ′ = ( ( Φ − 1 ) ′ ) ∗ = − A ∗ Ψ である。det Ψ = det Φ ‾ − 1 ≠ 0 \det\Psi=\overline{\det\Phi}^{-1}\ne0 det Ψ = det Φ − 1 = 0 であるから、Ψ \Psi Ψ は随伴系の基本行列である。▨
補題 4.3. K ∈ { R , C } \mathbb K\in\{\R,\C\} K ∈ { R , C } 、d ∈ N ≥ 1 d\in\NN d ∈ N ≥ 1 、T > 0 T>0 T > 0 とし、A ∈ L 1 ( [ 0 , T ] ; K d × d ) A\in L^1([0,T];\mathbb K^{d\times d}) A ∈ L 1 ([ 0 , T ] ; K d × d ) 、b ∈ L 1 ( [ 0 , T ] ; K d ) \boldsymbol b\in L^1([0,T];\mathbb K^d) b ∈ L 1 ([ 0 , T ] ; K d ) 、ρ ∈ K \rho\in\mathbb K ρ ∈ K とする。Φ 0 \Phi_0 Φ 0 をx ′ = A ( t ) x \boldsymbol x'=A(t)\boldsymbol x x ′ = A ( t ) x の[ 0 , T ] [0,T] [ 0 , T ] 上の基本行列でΦ 0 ( 0 ) = I \Phi_0(0)=I Φ 0 ( 0 ) = I を満たすものとし、M = Φ 0 ( T ) M=\Phi_0(T) M = Φ 0 ( T ) 、c = ∫ 0 T Φ 0 ( s ) − 1 b ( s ) d s \boldsymbol c=\int_0^T\Phi_0(s)^{-1}\boldsymbol b(s)\,ds c = ∫ 0 T Φ 0 ( s ) − 1 b ( s ) d s とおく。ξ ∈ K d \boldsymbol\xi\in\mathbb K^d ξ ∈ K d について
x ξ ( t ) = Φ 0 ( t ) [ ξ + ∫ 0 t Φ 0 ( s ) − 1 b ( s ) d s ] ( 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]) x ξ ( t ) = Φ 0 ( t ) [ ξ + ∫ 0 t Φ 0 ( s ) − 1 b ( s ) d s ] ( t ∈ [ 0 , T ]) とおく。このとき、ξ ↦ x ξ \boldsymbol\xi\mapsto\boldsymbol x_{\boldsymbol\xi} ξ ↦ x ξ は、K d \mathbb K^d 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) x ′ = A ( t ) x + b ( t ) を満たすx ∈ A C ( [ 0 , T ] ; K d ) \boldsymbol x\in AC([0,T];\mathbb K^d) x ∈ A C ([ 0 , T ] ; 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) x ↦ x ( 0 ) である。さらに、( ρ I − M ) ξ = M c (\rho I-M)\boldsymbol\xi=M\boldsymbol c ( ρ I − M ) ξ = M c であることは、x ξ ( T ) = ρ x ξ ( 0 ) \boldsymbol x_{\boldsymbol\xi}(T)=\rho\,\boldsymbol x_{\boldsymbol\xi}(0) x ξ ( T ) = ρ x ξ ( 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] I = [ 0 , T ] 、t 0 = 0 t_0=0 t 0 = 0 、η = ξ \boldsymbol\eta=\boldsymbol\xi η = ξ として適用すると、x ξ \boldsymbol x_{\boldsymbol\xi} x ξ はx ( 0 ) = ξ \boldsymbol x(0)=\boldsymbol\xi x ( 0 ) = ξ を満たす方程式の一意な絶対連続解である。従ってξ ↦ x ξ \boldsymbol\xi\mapsto\boldsymbol x_{\boldsymbol\xi} ξ ↦ x ξ は全単射であり、逆写像はx ↦ x ( 0 ) \boldsymbol x\mapsto\boldsymbol x(0) x ↦ x ( 0 ) である。x ξ ( T ) = M ξ + M c \boldsymbol x_{\boldsymbol\xi}(T)=M\boldsymbol\xi+M\boldsymbol c x ξ ( T ) = M ξ + M c 、x ξ ( 0 ) = ξ \boldsymbol x_{\boldsymbol\xi}(0)=\boldsymbol\xi x ξ ( 0 ) = ξ であるから、x ξ ( T ) = ρ x ξ ( 0 ) \boldsymbol x_{\boldsymbol\xi}(T)=\rho\,\boldsymbol x_{\boldsymbol\xi}(0) x ξ ( T ) = ρ x ξ ( 0 ) であることは、( ρ I − M ) ξ = M c (\rho I-M)\boldsymbol\xi=M\boldsymbol c ( ρ I − M ) ξ = M 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\} K ∈ { R , C } 、d ∈ N ≥ 1 d\in\NN d ∈ N ≥ 1 、T > 0 T>0 T > 0 とし、A ∈ L 1 ( [ 0 , T ] ; K d × d ) A\in L^1([0,T];\mathbb K^{d\times d}) A ∈ L 1 ([ 0 , T ] ; K d × d ) 、b ∈ L 1 ( [ 0 , T ] ; K d ) \boldsymbol b\in L^1([0,T];\mathbb K^d) b ∈ L 1 ([ 0 , T ] ; K d ) 、ρ ∈ K ∖ { 0 } \rho\in\mathbb K\setminus\{0\} ρ ∈ K ∖ { 0 } とする。Φ 0 \Phi_0 Φ 0 をx ′ = A ( t ) x \boldsymbol x'=A(t)\boldsymbol x x ′ = A ( t ) x の[ 0 , T ] [0,T] [ 0 , T ] 上の基本行列でΦ 0 ( 0 ) = I \Phi_0(0)=I Φ 0 ( 0 ) = I を満たすものとし、M = Φ 0 ( T ) M=\Phi_0(T) M = Φ 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) x ′ = A ( t ) x + b ( t ) ほとんど至る所 , x ( T ) = ρ x ( 0 ) の解とは、これを満たすx ∈ A C ( [ 0 , T ] ; K d ) \boldsymbol x\in AC([0,T];\mathbb K^d) x ∈ A C ([ 0 , T ] ; K d ) をいう。b = 0 \boldsymbol b=\boldsymbol 0 b = 0 の場合のこの問題の解全体をN ρ \mathcal N_\rho N ρ と書き、随伴問題
ψ ′ = − A ( t ) ∗ ψ ほとんど至る所 , ψ ( T ) = ρ ‾ − 1 ψ ( 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) ψ ′ = − A ( t ) ∗ ψ ほとんど至る所 , ψ ( T ) = ρ − 1 ψ ( 0 ) を満たすψ ∈ A C ( [ 0 , T ] ; K d ) \boldsymbol\psi\in AC([0,T];\mathbb K^d) ψ ∈ A C ([ 0 , T ] ; K d ) 全体をN ρ ∗ \mathcal N^*_\rho N ρ ∗ と書く。このとき、次が成り立つ。
境界値問題が解をもつことは、すべてのψ ∈ N ρ ∗ \boldsymbol\psi\in\mathcal N^*_\rho ψ ∈ N ρ ∗ について∫ 0 T ψ ( t ) ∗ b ( t ) d t = 0 \int_0^T\boldsymbol\psi(t)^*\boldsymbol b(t)\,dt=0 ∫ 0 T ψ ( t ) ∗ b ( t ) d t = 0 となるための必要十分条件である。
dim K N ρ = dim K N ρ ∗ = dim K ker ( M − ρ I ) \dim_{\mathbb K}\mathcal N_\rho=\dim_{\mathbb K}\mathcal N^*_\rho=\dim_{\mathbb K}\ker(M-\rho I) dim K N ρ = dim K N ρ ∗ = dim K ker ( M − ρ I ) である。
境界値問題が解x p \boldsymbol x_p x p をもつならば、その解の全体はx p + N ρ \boldsymbol x_p+\mathcal N_\rho x p + N ρ である。
特に、A ∈ L l o c 1 ( R ; K d × d ) A\in L^1_{\mathrm{loc}}(\R;\mathbb K^{d\times d}) A ∈ L loc 1 ( R ; K d × d ) とb ∈ L l o c 1 ( R ; K d ) \boldsymbol b\in L^1_{\mathrm{loc}}(\R;\mathbb K^d) b ∈ L loc 1 ( R ; K d ) がほとんどすべてのt t t でA ( t + T ) = A ( t ) A(t+T)=A(t) A ( t + T ) = A ( t ) 、b ( t + T ) = b ( t ) \boldsymbol b(t+T)=\boldsymbol b(t) b ( t + T ) = b ( t ) を満たすならば、x ′ = A ( t ) x + b ( t ) \boldsymbol x'=A(t)\boldsymbol x+\boldsymbol b(t) x ′ = A ( t ) x + b ( t ) のR \R R 上のT T T 周期の局所絶対連続解を[ 0 , T ] [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 ρ = 1 の境界値問題の解の全体への全単射である。従って、T T T 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 ψ ′ = − A ( t ) ∗ ψ のR \R R 上のすべてのT T T 周期の局所絶対連続解ψ \boldsymbol\psi ψ について∫ 0 T ψ ∗ b d t = 0 \int_0^T\boldsymbol\psi^*\boldsymbol b\,dt=0 ∫ 0 T ψ ∗ b d t = 0 となるための必要十分条件である。
証明. c = ∫ 0 T Φ 0 ( s ) − 1 b ( s ) d s \boldsymbol c=\int_0^T\Phi_0(s)^{-1}\boldsymbol b(s)\,ds c = ∫ 0 T Φ 0 ( s ) − 1 b ( s ) d s とおく。補題 4.3 により、境界値問題の解は( ρ I − M ) ξ = M c (\rho I-M)\boldsymbol\xi=M\boldsymbol c ( ρ I − M ) ξ = M c を満たすξ \boldsymbol\xi ξ についてのx ξ \boldsymbol x_{\boldsymbol\xi} x ξ の全体である。従って、境界値問題が解をもつことは、M c ∈ im ( ρ I − M ) M\boldsymbol c\in\operatorname{im}(\rho I-M) M c ∈ im ( ρ I − M ) であるための必要十分条件である。b = 0 \boldsymbol b=\boldsymbol 0 b = 0 ではc = 0 \boldsymbol c=\boldsymbol 0 c = 0 、x ξ = Φ 0 ξ \boldsymbol x_{\boldsymbol\xi}=\Phi_0\boldsymbol\xi x ξ = Φ 0 ξ であるから、ξ ↦ Φ 0 ξ \boldsymbol\xi\mapsto\Phi_0\boldsymbol\xi ξ ↦ Φ 0 ξ はker ( ρ I − M ) \ker(\rho I-M) ker ( ρ I − M ) からN ρ \mathcal N_\rho N ρ への線形同型である。
補題 4.2 (2) によりΨ 0 = ( Φ 0 ∗ ) − 1 \Psi_0=(\Phi_0^*)^{-1} Ψ 0 = ( Φ 0 ∗ ) − 1 は随伴系の基本行列でΨ 0 ( 0 ) = I \Psi_0(0)=I Ψ 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 = Ψ 0 ζ \boldsymbol\psi=\Psi_0\boldsymbol\zeta ψ = Ψ 0 ζ (ζ = ψ ( 0 ) \boldsymbol\zeta=\boldsymbol\psi(0) ζ = ψ ( 0 ) )と書かれる。ψ ( T ) = ( M ∗ ) − 1 ζ \boldsymbol\psi(T)=(M^*)^{-1}\boldsymbol\zeta ψ ( T ) = ( M ∗ ) − 1 ζ であるから、ψ ∈ N ρ ∗ \boldsymbol\psi\in\mathcal N^*_\rho ψ ∈ N ρ ∗ であることは、M ∗ ζ = ρ ‾ ζ M^*\boldsymbol\zeta=\overline\rho\,\boldsymbol\zeta M ∗ ζ = ρ ζ 、すなわちζ ∈ ker ( ( ρ I − M ) ∗ ) \boldsymbol\zeta\in\ker\bigl((\rho I-M)^*\bigr) ζ ∈ ker ( ( ρ I − M ) ∗ ) であるための必要十分条件であり、ζ ↦ Ψ 0 ζ \boldsymbol\zeta\mapsto\Psi_0\boldsymbol\zeta ζ ↦ Ψ 0 ζ はker ( ( ρ I − M ) ∗ ) \ker\bigl((\rho I-M)^*\bigr) ker ( ( ρ I − M ) ∗ ) からN ρ ∗ \mathcal N^*_\rho N ρ ∗ への線形同型である。ψ = Ψ 0 ζ ∈ N ρ ∗ \boldsymbol\psi=\Psi_0\boldsymbol\zeta\in\mathcal N^*_\rho ψ = Ψ 0 ζ ∈ N ρ ∗ についてψ ( t ) ∗ = ζ ∗ Φ 0 ( t ) − 1 \boldsymbol\psi(t)^*=\boldsymbol\zeta^*\Phi_0(t)^{-1} ψ ( t ) ∗ = ζ ∗ Φ 0 ( t ) − 1 であるから
∫ 0 T ψ ∗ b d t = ζ ∗ c , ζ ∗ M c = ( 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 ∫ 0 T ψ ∗ b d t = ζ ∗ c , ζ ∗ M c = ( M ∗ ζ ) ∗ c = ρ ζ ∗ c である。
正方行列N ∈ K d × d N\in\mathbb K^{d\times d} N ∈ K d × d について、im N \operatorname{im}N im N はker N ∗ \ker N^* ker N ∗ のすべての元ζ \boldsymbol\zeta ζ についてζ ∗ v = 0 \boldsymbol\zeta^*\boldsymbol v=0 ζ ∗ v = 0 を満たすv \boldsymbol v v の全体V V V に等しい。実際、ζ ∈ ker N ∗ \boldsymbol\zeta\in\ker N^* ζ ∈ ker N ∗ ならばζ ∗ N v = ( N ∗ ζ ) ∗ v = 0 \boldsymbol\zeta^*N\boldsymbol v=(N^*\boldsymbol\zeta)^*\boldsymbol v=0 ζ ∗ N v = ( N ∗ ζ ) ∗ v = 0 であるからim N ⊆ V \operatorname{im}N\subseteq V im N ⊆ V である。ker N ∗ \ker N^* ker N ∗ の基底をζ 1 , … , ζ k \boldsymbol\zeta_1,\ldots,\boldsymbol\zeta_k ζ 1 , … , ζ k とすると、ζ 1 ∗ , … , ζ k ∗ \boldsymbol\zeta_1^*,\ldots,\boldsymbol\zeta_k^* ζ 1 ∗ , … , ζ k ∗ を行とするk × d k\times d k × d 行列は階数k k k であり、V V V 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 dim V = d − k = rank N ∗ = rank N = dim im N である。
主張 (1) を示す。N = ρ I − M N=\rho I-M N = ρ 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 ( ( ρ I − M ) ∗ ) \boldsymbol\zeta\in\ker\bigl((\rho I-M)^*\bigr) ζ ∈ ker ( ( ρ I − M ) ∗ ) についてζ ∗ M c = 0 \boldsymbol\zeta^*M\boldsymbol c=0 ζ ∗ M c = 0 となるための必要十分条件である。ρ ≠ 0 \rho\ne0 ρ = 0 であるから、境界値問題が解をもつことは、すべてのζ ∈ ker ( ( ρ I − M ) ∗ ) \boldsymbol\zeta\in\ker\bigl((\rho I-M)^*\bigr) ζ ∈ ker ( ( ρ I − M ) ∗ ) についてζ ∗ c = 0 \boldsymbol\zeta^*\boldsymbol c=0 ζ ∗ c = 0 となること、すなわちすべてのψ ∈ N ρ ∗ \boldsymbol\psi\in\mathcal N^*_\rho ψ ∈ N ρ ∗ について∫ 0 T ψ ∗ b d t = 0 \int_0^T\boldsymbol\psi^*\boldsymbol b\,dt=0 ∫ 0 T ψ ∗ b d t = 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 N ρ = dim ker ( M − ρ I ) \dim\mathcal N_\rho=\dim\ker(M-\rho I) dim N ρ = dim ker ( M − ρ I ) であり、第二段によりdim N ρ ∗ = dim ker ( ( ρ I − M ) ∗ ) = d − rank ( ρ I − M ) = dim ker ( M − ρ I ) \dim\mathcal N^*_\rho=\dim\ker\bigl((\rho I-M)^*\bigr)=d-\operatorname{rank}(\rho I-M)=\dim\ker(M-\rho I) dim N ρ ∗ = dim ker ( ( ρ I − M ) ∗ ) = d − rank ( ρ I − M ) = dim ker ( M − ρ 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 b = 0 の境界値問題の解であり、x p \boldsymbol x_p x p とN ρ \mathcal N_\rho N ρ の元の和は境界値問題の解である。
主張 (4) を示す。R \R R 上のT T T 周期の解の制限はx ( T ) = x ( 0 ) \boldsymbol x(T)=\boldsymbol x(0) x ( T ) = x ( 0 ) を満たす。y \boldsymbol y y をρ = 1 \rho=1 ρ = 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) x ( 0 ) = y ( 0 ) を満たすR \R R 上の解x \boldsymbol x x を取ると、[ 0 , T ] [0,T] [ 0 , T ] 上の一意性によりx ∣ [ 0 , T ] = y \boldsymbol x|_{[0,T]}=\boldsymbol y x ∣ [ 0 , T ] = y である。z ( t ) = x ( t + T ) \boldsymbol z(t)=\boldsymbol x(t+T) z ( t ) = x ( t + T ) は局所絶対連続であり、A A A とb \boldsymbol b 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) z ( 0 ) = y ( T ) = y ( 0 ) = x ( 0 ) であるから、一意性によりz = x \boldsymbol z=\boldsymbol x z = x である。従ってx \boldsymbol x x はT T T 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T T T 周期の解は[ 0 , T ] [0,T] [ 0 , T ] 上で一致し、周期性によりR \R R 上で一致するから、制限写像は単射である。− A ∗ -A^* − A ∗ もT T T 周期であるから、随伴系に同じ議論をb = 0 \boldsymbol b=\boldsymbol 0 b = 0 で適用すると、随伴系のR \R R 上のT T T 周期の解の制限の全体はN 1 ∗ \mathcal N^*_1 N 1 ∗ である。主張 (1) をρ = 1 \rho=1 ρ = 1 で適用して結論を得る。▨
系 4.5. K ∈ { R , C } \mathbb K\in\{\R,\C\} K ∈ { R , C } 、d ∈ N ≥ 1 d\in\NN d ∈ N ≥ 1 、T > 0 T>0 T > 0 とし、K d \mathbb K^d 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 ∈ L 1 ( [ 0 , T ] ; K d × d ) A\in L^1([0,T];\mathbb K^{d\times d}) A ∈ L 1 ([ 0 , T ] ; K d × d ) 、ρ ∈ K ∖ { 0 } \rho\in\mathbb K\setminus\{0\} ρ ∈ K ∖ { 0 } とし、Φ 0 \Phi_0 Φ 0 をx ′ = A ( t ) x \boldsymbol x'=A(t)\boldsymbol x x ′ = A ( t ) x の[ 0 , T ] [0,T] [ 0 , T ] 上の基本行列でΦ 0 ( 0 ) = I \Phi_0(0)=I Φ 0 ( 0 ) = I を満たすもの、M = Φ 0 ( T ) M=\Phi_0(T) M = Φ 0 ( T ) とする。このとき、ρ \rho ρ がM M M の固有値でないならば、すべてのb ∈ L 1 ( [ 0 , T ] ; K d ) \boldsymbol b\in L^1([0,T];\mathbb K^d) b ∈ L 1 ([ 0 , T ] ; 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) x ′ = A ( t ) x + b ( t ) (ほとんど至る所)、x ( T ) = ρ x ( 0 ) \boldsymbol x(T)=\rho\boldsymbol x(0) x ( T ) = ρ x ( 0 ) はA C ( [ 0 , T ] ; K d ) AC([0,T];\mathbb K^d) A C ([ 0 , T ] ; 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] t ∈ [ 0 , T ] で
x ( t ) = ∫ 0 T G ( t , s ) b ( s ) d s , G ( t , s ) = { Φ 0 ( t ) ( ρ I − M ) − 1 ρ Φ 0 ( s ) − 1 ( 0 ≤ s ≤ t ≤ T ) , Φ 0 ( t ) ( ρ I − M ) − 1 M Φ 0 ( 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} x ( t ) = ∫ 0 T G ( t , s ) b ( s ) d s , G ( t , s ) = { Φ 0 ( t ) ( ρ I − M ) − 1 ρ Φ 0 ( s ) − 1 Φ 0 ( t ) ( ρ I − M ) − 1 M Φ 0 ( s ) − 1 ( 0 ≤ s ≤ t ≤ T ) , ( 0 ≤ t < s ≤ T ) と表される。さらにK G = sup t , s ∈ [ 0 , T ] ∥ G ( t , s ) ∥ < ∞ K_G=\sup_{t,s\in[0,T]}\lVert G(t,s)\rVert<\infty K G = sup t , s ∈ [ 0 , T ] ∥ G ( t , s )∥ < ∞ であり、sup t ∈ [ 0 , T ] ∥ x ( t ) ∥ ≤ K G ∫ 0 T ∥ b ( s ) ∥ d s \sup_{t\in[0,T]}\lVert\boldsymbol x(t)\rVert\le K_G\int_0^T\lVert\boldsymbol b(s)\rVert\,ds sup t ∈ [ 0 , T ] ∥ x ( t )∥ ≤ K G ∫ 0 T ∥ b ( s )∥ d s である。
証明. ρ I − M \rho I-M ρ I − M は可逆である。c = ∫ 0 T Φ 0 ( s ) − 1 b ( s ) d s \boldsymbol c=\int_0^T\Phi_0(s)^{-1}\boldsymbol b(s)\,ds c = ∫ 0 T Φ 0 ( s ) − 1 b ( s ) d s とおくと、補題 4.3 により、境界値問題の解は( ρ I − M ) ξ = M c (\rho I-M)\boldsymbol\xi=M\boldsymbol c ( ρ I − M ) ξ = M c 、すなわちξ = ( ρ I − M ) − 1 M c \boldsymbol\xi=(\rho I-M)^{-1}M\boldsymbol c ξ = ( ρ I − M ) − 1 M c を満たすξ \boldsymbol\xi ξ についてのx ξ \boldsymbol x_{\boldsymbol\xi} x ξ の全体である。従って解はただ一つであり、c \boldsymbol c c を[ 0 , t ] [0,t] [ 0 , t ] と( t , T ] (t,T] ( t , T ] 上の積分に分けると
x ( t ) = ∫ 0 t Φ 0 ( t ) [ ( ρ I − M ) − 1 M + I ] Φ 0 ( s ) − 1 b ( s ) d s + ∫ t T Φ 0 ( t ) ( ρ I − M ) − 1 M Φ 0 ( s ) − 1 b ( s ) d s \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 x ( t ) = ∫ 0 t Φ 0 ( t ) [ ( ρ I − M ) − 1 M + I ] Φ 0 ( s ) − 1 b ( s ) d s + ∫ t T Φ 0 ( t ) ( ρ I − M ) − 1 M Φ 0 ( s ) − 1 b ( s ) d s である。( ρ I − M ) − 1 M + I = ( ρ I − M ) − 1 ( M + ρ I − M ) = ( ρ I − M ) − 1 ρ (\rho I-M)^{-1}M+I=(\rho I-M)^{-1}(M+\rho I-M)=(\rho I-M)^{-1}\rho ( ρ I − M ) − 1 M + I = ( ρ I − M ) − 1 ( M + ρ I − M ) = ( ρ I − M ) − 1 ρ により主張の表示を得る。Φ 0 \Phi_0 Φ 0 とΦ 0 − 1 \Phi_0^{-1} Φ 0 − 1 は[ 0 , T ] [0,T] [ 0 , T ] 上で連続であるからK G < ∞ K_G<\infty K G < ∞ である。t ∈ [ 0 , T ] t\in[0,T] t ∈ [ 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) s ↦ G ( t , s ) b ( s ) と固定したノルム∥ ⋅ ∥ \lVert\cdot\rVert ∥ ⋅ ∥ に適用すると、∥ x ( t ) ∥ ≤ ∫ 0 T ∥ G ( t , s ) ∥ ∥ b ( s ) ∥ d s ≤ K G ∫ 0 T ∥ b ( s ) ∥ d s \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 ∥ x ( t )∥ ≤ ∫ 0 T ∥ G ( t , s )∥ ∥ b ( s )∥ d s ≤ K G ∫ 0 T ∥ b ( s )∥ d s である。▨
証明. 主張 (1) を示す。x ∈ C T \boldsymbol x\in C_T x ∈ 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 sup t ∈ R ∣ x ( t )∣ = max t ∈ [ 0 , T ] ∣ x ( t )∣ < ∞ であるから、C T C_T C T は位相空間R \R R 上のC b ( R ; K d ) C_b(\R;\mathbb K^d) C b ( R ; K d ) (K d \mathbb K^d 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。C T C_T C T の列( x n ) (\boldsymbol x_n) ( x n ) がC b ( R ; K d ) C_b(\R;\mathbb K^d) C b ( R ; K d ) でx \boldsymbol x x に収束するならば、各t ∈ R t\in\R t ∈ R でx ( t + T ) = lim n x n ( t + T ) = lim n x n ( t ) = x ( t ) \boldsymbol x(t+T)=\lim_n\boldsymbol x_n(t+T)=\lim_n\boldsymbol x_n(t)=\boldsymbol x(t) x ( t + T ) = lim n x n ( t + T ) = lim n x n ( t ) = x ( t ) であるからx ∈ C T \boldsymbol x\in C_T x ∈ C T である。従ってC T C_T C T は閉部分空間であり、§E13.4 補題 3.2 により( C T , ∥ ⋅ ∥ ∞ ) (C_T,\lVert\cdot\rVert_\infty) ( C T , ∥ ⋅ ∥ ∞ ) は Banach 空間である。( x n ) (\boldsymbol x_n) ( x n ) がC T 1 C^1_T C T 1 の Cauchy 列ならば、前段によりC T C_T C T でx n → x \boldsymbol x_n\to\boldsymbol x x n → x 、x n ′ → w \boldsymbol x_n'\to\boldsymbol w x n ′ → w となり、§E13.2 補題 1.3 (2) によりx n ( t ) = x n ( 0 ) + ∫ 0 t x n ′ \boldsymbol x_n(t)=\boldsymbol x_n(0)+\int_0^t\boldsymbol x_n' x n ( t ) = x n ( 0 ) + ∫ 0 t x n ′ の極限をとってx ( t ) = x ( 0 ) + ∫ 0 t w \boldsymbol x(t)=\boldsymbol x(0)+\int_0^t\boldsymbol w x ( t ) = x ( 0 ) + ∫ 0 t w を得る。w \boldsymbol w w は連続であるからx ∈ C 1 \boldsymbol x\in C^1 x ∈ C 1 、x ′ = w \boldsymbol x'=\boldsymbol w x ′ = w であり、∥ x n − x ∥ C 1 → 0 \lVert\boldsymbol x_n-\boldsymbol x\rVert_{C^1}\to0 ∥ x n − x ∥ C 1 → 0 である。∥ A ∥ ∞ = max t ∈ [ 0 , T ] ∥ A ( t ) ∥ \lVert A\rVert_\infty=\max_{t\in[0,T]}\lVert A(t)\rVert ∥ A ∥ ∞ = max t ∈ [ 0 , T ] ∥ A ( t )∥ とおくと、L x L\boldsymbol x L x は連続なT T T 周期関数であり、∥ L x ∥ ∞ ≤ max ( 1 , ∥ A ∥ ∞ ) ∥ x ∥ C 1 \lVert L\boldsymbol x\rVert_\infty\le\max(1,\lVert A\rVert_\infty)\lVert\boldsymbol x\rVert_{C^1} ∥ L x ∥ ∞ ≤ max ( 1 , ∥ A ∥ ∞ ) ∥ x ∥ C 1 である。
b ∈ C ( R ; K d ) \boldsymbol b\in C(\R;\mathbb K^d) b ∈ C ( R ; K d ) とし、x \boldsymbol x x をx ′ = A x + b \boldsymbol x'=A\boldsymbol x+\boldsymbol b x ′ = A x + b の局所絶対連続解とする。x \boldsymbol x x の導関数はほとんど至る所で連続写像A x + b A\boldsymbol x+\boldsymbol b A x + b に一致するから、§E13.2 系 2.7 (1) によりx \boldsymbol x x はC 1 C^1 C 1 級であり、すべてのt ∈ R t\in\R t ∈ R でx ′ ( t ) = A ( t ) x ( t ) + b ( t ) \boldsymbol x'(t)=A(t)\boldsymbol x(t)+\boldsymbol b(t) x ′ ( t ) = A ( t ) x ( t ) + b ( t ) である。− A ∗ -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C 1 C^1 C 1 級である。逆にC 1 C^1 C 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 N はx ′ = A ( t ) x \boldsymbol x'=A(t)\boldsymbol x x ′ = A ( t ) x のT T T 周期の局所絶対連続解の全体であり、N ∗ \mathcal N^* N ∗ は随伴系のT T T 周期の局所絶対連続解の全体である。
主張 (2) を示す。R \R R 上の基本行列の[ 0 , T ] [0,T] [ 0 , T ] への制限は[ 0 , T ] [0,T] [ 0 , T ] 上の基本行列であるから、定理 4.4 のM M M 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 N とN ∗ \mathcal N^* N ∗ はそれぞれN 1 \mathcal N_1 N 1 とN 1 ∗ \mathcal N^*_1 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 dim ker ( M − I ) ≤ d である。
主張 (3) を示す。b ∈ C T \boldsymbol b\in C_T b ∈ C T がim L \im L im L に属することは、x ′ = A x + b \boldsymbol x'=A\boldsymbol x+\boldsymbol b x ′ = A x + b がT T T 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 b ∈ 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^* ψ ∈ N ∗ についてℓ ψ ( b ) = ∫ 0 T ψ ∗ b d t \ell_{\boldsymbol\psi}(\boldsymbol b)=\int_0^T\boldsymbol\psi^*\boldsymbol b\,dt ℓ ψ ( b ) = ∫ 0 T ψ ∗ b d t とおくと、Cauchy–Schwarz の不等式により∣ ℓ ψ ( b ) ∣ ≤ T ∥ ψ ∥ ∞ ∥ b ∥ ∞ \lvert\ell_{\boldsymbol\psi}(\boldsymbol b)\rvert\le T\lVert\boldsymbol\psi\rVert_\infty\lVert\boldsymbol b\rVert_\infty ∣ ℓ ψ ( b )∣ ≤ T ∥ ψ ∥ ∞ ∥ b ∥ ∞ であるからℓ ψ \ell_{\boldsymbol\psi} ℓ ψ は連続であり、im L = ⋂ ψ ker ℓ ψ \im L=\bigcap_{\boldsymbol\psi}\ker\ell_{\boldsymbol\psi} im L = ⋂ ψ ker ℓ ψ は閉である。k = dim N ∗ k=\dim\mathcal N^* k = dim N ∗ とし、k ≥ 1 k\ge1 k ≥ 1 のときN ∗ \mathcal N^* N ∗ の基底ψ 1 , … , ψ k \boldsymbol\psi_1,\ldots,\boldsymbol\psi_k ψ 1 , … , ψ k を取り、Γ i j = ∫ 0 T ψ i ∗ ψ j d t \Gamma_{ij}=\int_0^T\boldsymbol\psi_i^*\boldsymbol\psi_j\,dt Γ ij = ∫ 0 T ψ i ∗ ψ j d t とおく。a ∈ K k \boldsymbol a\in\mathbb K^k a ∈ K k についてa ∗ Γ a = ∫ 0 T ∣ ∑ j a j ψ j ∣ 2 d t \boldsymbol a^*\Gamma\boldsymbol a=\int_0^T\bigl\lvert\sum_ja_j\boldsymbol\psi_j\bigr\rvert^2dt a ∗ Γ a = ∫ 0 T ∑ j a j ψ j 2 d t であり、これが0 0 0 ならば連続関数∑ j a j ψ j \sum_ja_j\boldsymbol\psi_j ∑ j a j ψ j は恒等的に0 \boldsymbol 0 0 でa = 0 \boldsymbol a=\boldsymbol 0 a = 0 であるから、Γ \Gamma Γ は可逆である。ℓ ( b ) = ( ℓ ψ 1 ( b ) , … , ℓ ψ k ( b ) ) T \boldsymbol\ell(\boldsymbol b)=(\ell_{\boldsymbol\psi_1}(\boldsymbol b),\ldots,\ell_{\boldsymbol\psi_k}(\boldsymbol b))^{\mathsf T} ℓ ( b ) = ( ℓ ψ 1 ( b ) , … , ℓ ψ k ( b ) ) T 、Q b = ∑ j ( Γ − 1 ℓ ( b ) ) j ψ j Q\boldsymbol b=\sum_j\bigl(\Gamma^{-1}\boldsymbol\ell(\boldsymbol b)\bigr)_j\boldsymbol\psi_j Q b = ∑ j ( Γ − 1 ℓ ( b ) ) j ψ j とおく。Q Q Q は連続な線形写像で値はN ∗ \mathcal N^* N ∗ にある。ψ = ∑ j a j ψ j \boldsymbol\psi=\sum_ja_j\boldsymbol\psi_j ψ = ∑ j a j ψ j についてℓ ( ψ ) = Γ a \boldsymbol\ell(\boldsymbol\psi)=\Gamma\boldsymbol a ℓ ( ψ ) = Γ a であるからQ ψ = ψ Q\boldsymbol\psi=\boldsymbol\psi Q ψ = ψ であり、ℓ ( b − Q b ) = ℓ ( b ) − Γ Γ − 1 ℓ ( b ) = 0 \boldsymbol\ell(\boldsymbol b-Q\boldsymbol b)=\boldsymbol\ell(\boldsymbol b)-\Gamma\Gamma^{-1}\boldsymbol\ell(\boldsymbol b)=\boldsymbol 0 ℓ ( b − Q b ) = ℓ ( b ) − Γ Γ − 1 ℓ ( b ) = 0 であるからb − Q b ∈ im L \boldsymbol b-Q\boldsymbol b\in\im L b − Q b ∈ im L である。ψ = ∑ j a j ψ j ∈ im L \boldsymbol\psi=\sum_ja_j\boldsymbol\psi_j\in\im L ψ = ∑ j a j ψ j ∈ im L ならばΓ a = ℓ ( ψ ) = 0 \Gamma\boldsymbol a=\boldsymbol\ell(\boldsymbol\psi)=\boldsymbol 0 Γ a = ℓ ( ψ ) = 0 でありψ = 0 \boldsymbol\psi=\boldsymbol 0 ψ = 0 である。従ってC T = im L ⊕ N ∗ C_T=\im L\oplus\mathcal N^* C T = im L ⊕ N ∗ であり、Q Q Q はそのN ∗ \mathcal N^* N ∗ への射影である。k = 0 k=0 k = 0 ならばim L = C T \im L=C_T im L = C T 、Q = 0 Q=0 Q = 0 である。
主張 (4) を示す。N \mathcal N N の基底ϕ 1 , … , ϕ k \boldsymbol\phi_1,\ldots,\boldsymbol\phi_k ϕ 1 , … , ϕ k について前段と同じ構成を行うと、H i j = ∫ 0 T ϕ i ∗ ϕ j d t H_{ij}=\int_0^T\boldsymbol\phi_i^*\boldsymbol\phi_j\,dt H ij = ∫ 0 T ϕ i ∗ ϕ j d t は可逆であり、Π x = ∑ j ( H − 1 m ( x ) ) j ϕ j \Pi\boldsymbol x=\sum_j\bigl(H^{-1}\boldsymbol m(\boldsymbol x)\bigr)_j\boldsymbol\phi_j Π x = ∑ j ( H − 1 m ( x ) ) j ϕ j (m ( x ) i = ∫ 0 T ϕ i ∗ x d t \boldsymbol m(\boldsymbol x)_i=\int_0^T\boldsymbol\phi_i^*\boldsymbol x\,dt m ( x ) i = ∫ 0 T ϕ i ∗ x d t )はC T 1 = N ⊕ X 1 C^1_T=\mathcal N\oplus X_1 C T 1 = N ⊕ X 1 のN \mathcal N N への射影である(k = 0 k=0 k = 0 ではΠ = 0 \Pi=0 Π = 0 、X 1 = C T 1 X_1=C^1_T X 1 = C T 1 である)。∣ m ( x ) i ∣ ≤ T ∥ ϕ i ∥ ∞ ∥ x ∥ ∞ \lvert\boldsymbol m(\boldsymbol x)_i\rvert\le T\lVert\boldsymbol\phi_i\rVert_\infty\lVert\boldsymbol x\rVert_\infty ∣ m ( x ) i ∣ ≤ T ∥ ϕ i ∥ ∞ ∥ x ∥ ∞ であるから、あるC Π ≥ 0 C_\Pi\ge0 C Π ≥ 0 について∥ Π x ∥ ∞ ≤ C Π ∥ x ∥ ∞ \lVert\Pi\boldsymbol x\rVert_\infty\le C_\Pi\lVert\boldsymbol x\rVert_\infty ∥ Π x ∥ ∞ ≤ C Π ∥ x ∥ ∞ である。ker L ∩ X 1 = N ∩ X 1 = { 0 } \ker L\cap X_1=\mathcal N\cap X_1=\{\boldsymbol 0\} ker L ∩ X 1 = N ∩ X 1 = { 0 } であるからL ∣ X 1 L|_{X_1} L ∣ X 1 は単射である。
Φ 0 \Phi_0 Φ 0 をΦ 0 ( 0 ) = I \Phi_0(0)=I Φ 0 ( 0 ) = I を満たす基本行列とし、K Φ = max [ 0 , T ] ∥ Φ 0 ∥ K_\Phi=\max_{[0,T]}\lVert\Phi_0\rVert K Φ = max [ 0 , T ] ∥ Φ 0 ∥ 、K Φ ′ = max [ 0 , T ] ∥ Φ 0 − 1 ∥ K'_\Phi=\max_{[0,T]}\lVert\Phi_0^{-1}\rVert K Φ ′ = max [ 0 , T ] ∥ Φ 0 − 1 ∥ とおく。( I − M ) R v = v (I-M)R\boldsymbol v=\boldsymbol v ( I − M ) R v = v をすべてのv ∈ im ( I − M ) \boldsymbol v\in\operatorname{im}(I-M) v ∈ im ( I − M ) で満たすR ∈ K d × d R\in\mathbb K^{d\times d} R ∈ K d × d を一つ固定する(im ( I − M ) \operatorname{im}(I-M) 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 0 と定めればよい)。b ∈ im L \boldsymbol b\in\im L b ∈ im L とし、c ( b ) = ∫ 0 T Φ 0 ( s ) − 1 b ( s ) d s \boldsymbol c(\boldsymbol b)=\int_0^T\Phi_0(s)^{-1}\boldsymbol b(s)\,ds c ( b ) = ∫ 0 T Φ 0 ( s ) − 1 b ( s ) d s とおく。L x = b L\boldsymbol x=\boldsymbol b L x = b を満たすx ∈ C T 1 \boldsymbol x\in C^1_T x ∈ C T 1 の[ 0 , T ] [0,T] [ 0 , T ] への制限はρ = 1 \rho=1 ρ = 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 ) = M c ( b ) (I-M)\boldsymbol x(0)=M\boldsymbol c(\boldsymbol b) ( I − M ) x ( 0 ) = M c ( b ) であり、M c ( b ) ∈ im ( I − M ) M\boldsymbol c(\boldsymbol b)\in\operatorname{im}(I-M) M c ( b ) ∈ im ( I − M ) である。
x b ( t ) = Φ 0 ( t ) [ R M c ( b ) + ∫ 0 t Φ 0 ( s ) − 1 b ( s ) d s ] ( 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) x b ( t ) = Φ 0 ( t ) [ R M c ( b ) + ∫ 0 t Φ 0 ( s ) − 1 b ( s ) d s ] ( t ∈ R ) とおくと、§E13.11 定理 2.1 によりx b \boldsymbol x_{\boldsymbol b} x b はx ′ = A x + b \boldsymbol x'=A\boldsymbol x+\boldsymbol b x ′ = A x + b のR \R R 上の解である。( I − M ) R M c ( b ) = M c ( b ) (I-M)RM\boldsymbol c(\boldsymbol b)=M\boldsymbol c(\boldsymbol b) ( I − M ) R M c ( b ) = M c ( b ) であるから、補題 4.3 をξ = R M c ( b ) \boldsymbol\xi=RM\boldsymbol c(\boldsymbol b) ξ = R M c ( b ) 、ρ = 1 \rho=1 ρ = 1 として適用するとx b ( T ) = x b ( 0 ) \boldsymbol x_{\boldsymbol b}(T)=\boldsymbol x_{\boldsymbol b}(0) x b ( T ) = x 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x b \boldsymbol x_{\boldsymbol b} x b はT T T 周期であり、x b ∈ C T 1 \boldsymbol x_{\boldsymbol b}\in C^1_T x b ∈ C T 1 、L x b = b L\boldsymbol x_{\boldsymbol b}=\boldsymbol b L x b = b である。t ∈ [ 0 , T ] t\in[0,T] t ∈ [ 0 , T ] で
∣ x b ( t ) ∣ ≤ K Φ ( ∥ R ∥ ∥ M ∥ + 1 ) T K Φ ′ ∥ 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 ∣ x b ( t )∣ ≤ K Φ ( ∥ R ∥ ∥ M ∥ + 1 ) T K Φ ′ ∥ b ∥ ∞ であるから、C 1 = K Φ ( ∥ R ∥ ∥ M ∥ + 1 ) T K Φ ′ C_1=K_\Phi(\lVert R\rVert\lVert M\rVert+1)TK'_\Phi C 1 = K Φ (∥ R ∥ ∥ M ∥ + 1 ) T K Φ ′ について∥ x b ∥ ∞ ≤ C 1 ∥ b ∥ ∞ \lVert\boldsymbol x_{\boldsymbol b}\rVert_\infty\le C_1\lVert\boldsymbol b\rVert_\infty ∥ x b ∥ ∞ ≤ C 1 ∥ b ∥ ∞ である。x = x b − Π x b \boldsymbol x=\boldsymbol x_{\boldsymbol b}-\Pi\boldsymbol x_{\boldsymbol b} x = x b − Π x b とおくとx ∈ X 1 \boldsymbol x\in X_1 x ∈ X 1 、L x = b L\boldsymbol x=\boldsymbol b L x = b であるからL ∣ X 1 L|_{X_1} L ∣ X 1 は全射であり、∥ x ∥ ∞ ≤ ( 1 + C Π ) C 1 ∥ b ∥ ∞ \lVert\boldsymbol x\rVert_\infty\le(1+C_\Pi)C_1\lVert\boldsymbol b\rVert_\infty ∥ x ∥ ∞ ≤ ( 1 + C Π ) C 1 ∥ b ∥ ∞ である。
x ∈ X 1 \boldsymbol x\in X_1 x ∈ X 1 を任意に取ると、単射性によりx = x L x − Π x L x \boldsymbol x=\boldsymbol x_{L\boldsymbol x}-\Pi\boldsymbol x_{L\boldsymbol x} x = x L x − Π x L x であるから∥ x ∥ ∞ ≤ ( 1 + C Π ) C 1 ∥ L x ∥ ∞ \lVert\boldsymbol x\rVert_\infty\le(1+C_\Pi)C_1\lVert L\boldsymbol x\rVert_\infty ∥ x ∥ ∞ ≤ ( 1 + C Π ) C 1 ∥ L x ∥ ∞ であり、x ′ = A x + L x \boldsymbol x'=A\boldsymbol x+L\boldsymbol x x ′ = A x + L x から∥ x ′ ∥ ∞ ≤ ∥ A ∥ ∞ ∥ x ∥ ∞ + ∥ L x ∥ ∞ \lVert\boldsymbol x'\rVert_\infty\le\lVert A\rVert_\infty\lVert\boldsymbol x\rVert_\infty+\lVert L\boldsymbol x\rVert_\infty ∥ x ′ ∥ ∞ ≤ ∥ A ∥ ∞ ∥ x ∥ ∞ + ∥ L x ∥ ∞ である。C = ( 1 + ∥ A ∥ ∞ ) ( 1 + C Π ) C 1 + 1 C=(1+\lVert A\rVert_\infty)(1+C_\Pi)C_1+1 C = ( 1 + ∥ A ∥ ∞ ) ( 1 + C Π ) C 1 + 1 とおけば∥ x ∥ C 1 ≤ C ∥ L x ∥ ∞ \lVert\boldsymbol x\rVert_{C^1}\le C\lVert L\boldsymbol x\rVert_\infty ∥ x ∥ C 1 ≤ C ∥ L x ∥ ∞ である。▨
命題 4.7. K ∈ { R , C } \mathbb K\in\{\R,\C\} K ∈ { R , C } 、d ∈ N ≥ 1 d\in\NN d ∈ N ≥ 1 、A ∈ K d × d A\in\mathbb K^{d\times d} A ∈ K d × d 、T > 0 T>0 T > 0 とし、ω = 2 π / T \omega=2\pi/T ω = 2 π / T とおく。定数係数の系x ′ = A x \boldsymbol x'=A\boldsymbol x x ′ = A x のT T T 周期の局所絶対連続解x : R → C d \boldsymbol x\colon\R\to\C^d x : R → C d の全体をZ \mathcal Z Z 、随伴系ψ ′ = − A ∗ ψ \boldsymbol\psi'=-A^*\boldsymbol\psi ψ ′ = − A ∗ ψ のT T T 周期の局所絶対連続解ψ : R → C d \boldsymbol\psi\colon\R\to\C^d ψ : R → C d の全体をZ ∗ \mathcal Z^* Z ∗ と書く。このとき、次が成り立つ。
ker ( A − i n ω I ) ≠ { 0 } \ker(A-in\omega I)\ne\{\boldsymbol 0\} ker ( A − inω I ) = { 0 } となるn ∈ Z n\in\Z n ∈ Z は有限個である。Z \mathcal Z Z の各元は、各n n n について一意に定まるv n ∈ ker ( A − i n ω I ) \boldsymbol v_n\in\ker(A-in\omega I) v n ∈ ker ( A − inω I ) によってx ( t ) = ∑ n e i n ω t v n \boldsymbol x(t)=\sum_ne^{in\omega t}\boldsymbol v_n x ( t ) = ∑ n e inω t v n と書かれ、逆にこの形の関数はZ \mathcal Z Z に属する。特にdim C Z = ∑ n ∈ Z dim C ker ( A − i n ω I ) \dim_{\C}\mathcal Z=\sum_{n\in\Z}\dim_{\C}\ker(A-in\omega I) dim C Z = ∑ n ∈ Z dim C ker ( A − inω I ) である。
Z ∗ \mathcal Z^* Z ∗ の各元は、各n n n について一意に定まるw n ∈ ker ( A ∗ + i n ω I ) \boldsymbol w_n\in\ker(A^*+in\omega I) w n ∈ ker ( A ∗ + inω I ) によってψ ( t ) = ∑ n e i n ω t w n \boldsymbol\psi(t)=\sum_ne^{in\omega t}\boldsymbol w_n ψ ( t ) = ∑ n e inω t w n と書かれ、逆にこの形の関数はZ ∗ \mathcal Z^* Z ∗ に属する。dim C Z ∗ = dim C Z \dim_{\C}\mathcal Z^*=\dim_{\C}\mathcal Z dim C Z ∗ = dim C Z である。
K = R \mathbb K=\R K = R ならば、Z \mathcal Z Z に属する実数値の解の全体Z R \mathcal Z_{\R} Z R はR \R R ベクトル空間でdim R Z R = dim C Z \dim_{\R}\mathcal Z_{\R}=\dim_{\C}\mathcal Z dim R Z R = dim C Z であり、v ∈ ker ( A − i n ω I ) \boldsymbol v\in\ker(A-in\omega I) v ∈ ker ( A − inω I ) についてのℜ ( e i n ω t v ) \Re\bigl(e^{in\omega t}\boldsymbol v\bigr) ℜ ( e inω t v ) とℑ ( e i n ω t v ) \Im\bigl(e^{in\omega t}\boldsymbol v\bigr) ℑ ( e inω t v ) の全体で張られる。Z ∗ \mathcal Z^* Z ∗ に属する実数値の解の全体Z R ∗ \mathcal Z^*_{\R} Z R ∗ についても同じことが成り立つ。
特に、i ω i\omega iω と− i ω -i\omega − iω がともにA A A の特性多項式の単根であり、A A A の固有値でi ω Z i\omega\Z iω Z に属するものが± i ω \pm i\omega ± iω の他に無いならば、dim C Z = dim C Z ∗ = 2 \dim_{\C}\mathcal Z=\dim_{\C}\mathcal Z^*=2 dim C Z = dim C Z ∗ = 2 であり、K = R \mathbb K=\R K = R のときはdim R Z R = dim R Z R ∗ = 2 \dim_{\R}\mathcal Z_{\R}=\dim_{\R}\mathcal Z^*_{\R}=2 dim R Z R = dim R Z R ∗ = 2 である。
証明. §E13.12 定理 2.2 (3) をI = R I=\R I = R として適用すると、t ↦ e t A t\mapsto e^{tA} t ↦ e t A はx ′ = A x \boldsymbol x'=A\boldsymbol x x ′ = A x の基本行列であり、e 0 A = I e^{0A}=I e 0 A = I であるから、モノドロミー行列はe T A e^{TA} e T A である。命題 1.6 (1) をρ = 1 \rho=1 ρ = 1 で適用すると、x ↦ x ( 0 ) \boldsymbol x\mapsto\boldsymbol x(0) x ↦ x ( 0 ) はZ \mathcal Z Z からker ( e T A − I ) \ker(e^{TA}-I) ker ( e T A − I ) への線形同型である。e T β = 1 e^{T\beta}=1 e T β = 1 であることは、β ∈ i ω Z \beta\in i\omega\Z β ∈ iω Z であるための必要十分条件であるから、系 2.2 (2) をT A TA T A とρ = 1 \rho=1 ρ = 1 に適用すると
ker ( e T A − I ) = ⨁ n ∈ Z ker ( T A − T i n ω I ) = ⨁ n ∈ Z ker ( A − i n ω I ) \ker(e^{TA}-I)=\bigoplus_{n\in\Z}\ker(TA-Tin\omega I)=\bigoplus_{n\in\Z}\ker(A-in\omega I) ker ( e T A − I ) = n ∈ Z ⨁ ker ( T A − T inω I ) = n ∈ Z ⨁ ker ( A − inω I ) であり、右辺で{ 0 } \{\boldsymbol 0\} { 0 } でない項はA A A の固有値に対応する有限個である。v ∈ ker ( A − i n ω I ) \boldsymbol v\in\ker(A-in\omega I) v ∈ ker ( A − inω I ) について系 3.1 (3) によりe t A v = e i n ω t v e^{tA}\boldsymbol v=e^{in\omega t}\boldsymbol v e t A v = e inω t v であるから、x ( 0 ) = ∑ n v n \boldsymbol x(0)=\sum_n\boldsymbol v_n x ( 0 ) = ∑ n v n と分解するとx ( t ) = e t A x ( 0 ) = ∑ n e i n ω t v n \boldsymbol x(t)=e^{tA}\boldsymbol x(0)=\sum_ne^{in\omega t}\boldsymbol v_n x ( t ) = e t A x ( 0 ) = ∑ n e inω t 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^* − A ∗ に適用すると、ker ( − A ∗ − i n ω I ) = ker ( A ∗ + i n ω I ) \ker(-A^*-in\omega I)=\ker(A^*+in\omega I) ker ( − A ∗ − inω I ) = ker ( A ∗ + inω I ) により表示を得る。A ∗ + i n ω I = ( A − i n ω I ) ∗ A^*+in\omega I=(A-in\omega I)^* A ∗ + inω I = ( A − inω I ) ∗ であるからdim ker ( A ∗ + i n ω I ) = d − rank ( A − i n ω I ) = dim ker ( A − i n ω I ) \dim\ker(A^*+in\omega I)=d-\operatorname{rank}(A-in\omega I)=\dim\ker(A-in\omega I) dim ker ( A ∗ + inω I ) = d − rank ( A − inω I ) = dim ker ( A − inω I ) であり、n n n 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 ρ = 1 で適用するとdim R Z R = dim C Z \dim_{\R}\mathcal Z_{\R}=\dim_{\C}\mathcal Z dim R Z R = dim C Z である。A A A が実行列ならば、解の複素共役も解であるから、ℜ ( e i n ω t v ) \Re\bigl(e^{in\omega t}\boldsymbol v\bigr) ℜ ( e inω t v ) とℑ ( e i n ω t v ) \Im\bigl(e^{in\omega t}\boldsymbol v\bigr) ℑ ( e inω t v ) はZ R \mathcal Z_{\R} Z R に属し、x ∈ Z R \boldsymbol x\in\mathcal Z_{\R} x ∈ Z R はx = ℜ x = ∑ n ℜ ( e i n ω t v n ) \boldsymbol x=\Re\boldsymbol x=\sum_n\Re\bigl(e^{in\omega t}\boldsymbol v_n\bigr) x = ℜ x = ∑ n ℜ ( e inω t v n ) と書かれる。− A ∗ = − A T -A^*=-A^{\mathsf T} − A ∗ = − A T も実行列であるから、Z R ∗ \mathcal Z^*_{\R} Z R ∗ についても同じ議論が成り立つ。
主張 (4) を示す。± i ω \pm i\omega ± iω は固有値であるからdim ker ( A ∓ i ω I ) ≥ 1 \dim\ker(A\mp i\omega I)\ge1 dim ker ( A ∓ iω I ) ≥ 1 であり、§E3.26 定理 2.1 によりdim ker ( A ∓ i ω I ) ≤ dim G ± i ω ( A ) = 1 \dim\ker(A\mp i\omega I)\le\dim G_{\pm i\omega}(A)=1 dim ker ( A ∓ iω I ) ≤ dim G ± iω ( A ) = 1 である。他のn n n ではker ( A − i n ω I ) = { 0 } \ker(A-in\omega I)=\{\boldsymbol 0\} ker ( A − inω I ) = { 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 ≥ 1 m\in\NN m ∈ N ≥ 1 とし、A m = ( 0 1 − m 2 0 ) A_m=\begin{pmatrix}0&1\\-m^2&0\end{pmatrix} A m = ( 0 − m 2 1 0 ) とおく。このとき、Y ′ = A m Y \boldsymbol Y'=A_m\boldsymbol Y Y ′ = A m Y の解( cos m t , − m sin m t ) T (\cos mt,-m\sin mt)^{\mathsf T} ( cos m t , − m sin m t ) T と( m − 1 sin m t , cos m t ) T (m^{-1}\sin mt,\cos mt)^{\mathsf T} ( m − 1 sin m t , cos m t ) T を列とする行列Φ 0 ( t ) \Phi_0(t) Φ 0 ( t ) は、det Φ 0 ( t ) = 1 \det\Phi_0(t)=1 det Φ 0 ( t ) = 1 、Φ 0 ( 0 ) = I \Phi_0(0)=I Φ 0 ( 0 ) = I を満たす基本行列であり、2 π 2\pi 2 π 周期であるから、2 π 2\pi 2 π 周期線形系Y ′ = A m Y \boldsymbol Y'=A_m\boldsymbol Y Y ′ = A m Y のモノドロミー行列はI I I である。随伴系ψ ′ = − A m T ψ \boldsymbol\psi'=-A_m^{\mathsf T}\boldsymbol\psi ψ ′ = − A m T ψ はψ 1 ′ = m 2 ψ 2 \psi_1'=m^2\psi_2 ψ 1 ′ = m 2 ψ 2 、ψ 2 ′ = − ψ 1 \psi_2'=-\psi_1 ψ 2 ′ = − ψ 1 であり、( m sin m t , cos m t ) T (m\sin mt,\cos mt)^{\mathsf T} ( m sin m t , cos m t ) T と( − m cos m t , sin m t ) T (-m\cos mt,\sin mt)^{\mathsf T} ( − m cos m t , sin m t ) T はその実数値の解で、t = 0 t=0 t = 0 での値( 0 , 1 ) T (0,1)^{\mathsf T} ( 0 , 1 ) T 、( − m , 0 ) T (-m,0)^{\mathsf T} ( − m , 0 ) 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2 π 2\pi 2 π 周期であって、その第二成分ψ 2 \psi_2 ψ 2 の全体はcos m t \cos mt cos m t とsin m t \sin mt sin m t で張られる。
m = 1 m=1 m = 1 とする。このとき、y ′ ′ + y = cos t y''+y=\cos t y ′′ + y = cos t は2 π 2\pi 2 π 周期のC 2 C^2 C 2 級の解をもたない。実際、y y y をC 2 C^2 C 2 級の解とすると、§E13.2 系 2.7 (2) によりy ′ 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} Y = ( y , y ′ ) T は一階の系Y ′ = A 1 Y + b \boldsymbol Y'=A_1\boldsymbol Y+\boldsymbol b Y ′ = A 1 Y + b (b ( t ) = ( 0 , cos t ) T \boldsymbol b(t)=(0,\cos t)^{\mathsf T} b ( t ) = ( 0 , cos t ) T )の局所絶対連続解であり、y y y が2 π 2\pi 2 π 周期ならばY \boldsymbol Y Y も2 π 2\pi 2 π 周期である。随伴系の2 π 2\pi 2 π 周期解ψ ( t ) = ( sin t , cos t ) T \boldsymbol\psi(t)=(\sin t,\cos t)^{\mathsf T} ψ ( t ) = ( sin t , cos t ) T について
∫ 0 2 π ψ ( t ) T b ( t ) d t = ∫ 0 2 π cos 2 t d t = π ≠ 0 \int_0^{2\pi}\boldsymbol\psi(t)^{\mathsf T}\boldsymbol b(t)\,dt=\int_0^{2\pi}\cos^2t\,dt=\pi\ne0 ∫ 0 2 π ψ ( t ) T b ( t ) d t = ∫ 0 2 π cos 2 t d t = π = 0 であるから、定理 4.4 (4) により一階の系の2 π 2\pi 2 π 周期の局所絶対連続解は存在せず、y ′ ′ + y = cos t y''+y=\cos t y ′′ + y = cos t の2 π 2\pi 2 π 周期のC 2 C^2 C 2 級の解も存在しない。
m = 2 m=2 m = 2 とする。このとき、y ′ ′ + 4 y = cos t y''+4y=\cos t y ′′ + 4 y = cos t の一階の系Y ′ = A 2 Y + b \boldsymbol Y'=A_2\boldsymbol Y+\boldsymbol b Y ′ = A 2 Y + b (b ( t ) = ( 0 , cos t ) T \boldsymbol b(t)=(0,\cos t)^{\mathsf T} b ( t ) = ( 0 , cos t ) T )では、第一段によりモノドロミー行列はI I I であり、1 1 1 は Floquet 乗数である。随伴系の2 π 2\pi 2 π 周期解ψ \boldsymbol\psi ψ についてψ T b = ψ 2 cos t \boldsymbol\psi^{\mathsf T}\boldsymbol b=\psi_2\cos t ψ T b = ψ 2 cos t であり、ψ 2 \psi_2 ψ 2 はcos 2 t \cos2t cos 2 t とsin 2 t \sin2t sin 2 t の一次結合であるから、∫ 0 2 π cos 2 t cos t d t = ∫ 0 2 π sin 2 t cos t d t = 0 \int_0^{2\pi}\cos2t\cos t\,dt=\int_0^{2\pi}\sin2t\cos t\,dt=0 ∫ 0 2 π cos 2 t cos t d t = ∫ 0 2 π sin 2 t cos t d t = 0 により直交条件が成り立つ。Y p ( t ) = ( 1 3 cos t , − 1 3 sin t ) T \boldsymbol Y_p(t)=(\tfrac13\cos t,-\tfrac13\sin t)^{\mathsf T} Y p ( t ) = ( 3 1 cos t , − 3 1 sin t ) T はこの系の2 π 2\pi 2 π 周期解である。定理 4.4 (3) と定理 4.4 (4) をT = 2 π T=2\pi T = 2 π 、ρ = 1 \rho=1 ρ = 1 、x p = Y p ∣ [ 0 , 2 π ] \boldsymbol x_p=\boldsymbol Y_p|_{[0,2\pi]} x p = Y p ∣ [ 0 , 2 π ] として適用すると、系の2 π 2\pi 2 π 周期の局所絶対連続解の全体は、Y p \boldsymbol Y_p Y p と同次系の2 π 2\pi 2 π 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Φ 0 \Phi_0 Φ 0 の二列の実係数の一次結合であり、Φ 0 \Phi_0 Φ 0 は2 π 2\pi 2 π 周期で、その第一行は( cos 2 t , 1 2 sin 2 t ) (\cos2t,\tfrac12\sin2t) ( cos 2 t , 2 1 sin 2 t ) であるから、同次系の実数値の解はすべて2 π 2\pi 2 π 周期であり、その第一成分の全体はcos 2 t \cos2t cos 2 t とsin 2 t \sin2t sin 2 t で張られる。従って§E13.9 命題 4.1 により、y ′ ′ + 4 y = cos t y''+4y=\cos t y ′′ + 4 y = cos t の2 π 2\pi 2 π 周期の実数値の解の全体は1 3 cos t + c 1 cos 2 t + c 2 sin 2 t \tfrac13\cos t+c_1\cos2t+c_2\sin2t 3 1 cos t + c 1 cos 2 t + c 2 sin 2 t (c 1 , c 2 ∈ R c_1,c_2\in\R c 1 , c 2 ∈ R )である。直交条件は1 1 1 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「1 1 1 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 > 0 T>0 T > 0 とし、q ∈ L l o c 1 ( R ; R ) q\in L^1_{\mathrm{loc}}(\R;\R) q ∈ L loc 1 ( R ; R ) がほとんどすべてのt ∈ R t\in\R t ∈ R でq ( t + T ) = q ( t ) q(t+T)=q(t) q ( t + T ) = q ( t ) を満たすとする。λ ∈ C \lambda\in\C λ ∈ C について、方程式
− y ′ ′ + q ( t ) y = λ y -y''+q(t)y=\lambda y − y ′′ + q ( t ) y = λ y をHill 方程式 (Hill's equation ) という。その解とは、y ∈ C 1 ( R ; C ) y\in C^1(\R;\C) y ∈ C 1 ( R ; C ) かつy ′ ∈ A C l o c ( R ; C ) y'\in AC_{\mathrm{loc}}(\R;\C) y ′ ∈ A C 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、y y y が解であることは、Y = ( y , y ′ ) T \boldsymbol Y=(y,y')^{\mathsf T} Y = ( y , y ′ ) T がT T T 周期線形系
Y ′ = A λ ( t ) Y , A λ ( t ) = ( 0 1 q ( t ) − λ 0 ) \boldsymbol Y'=A_\lambda(t)\boldsymbol Y,\qquad A_\lambda(t)=\begin{pmatrix}0&1\\q(t)-\lambda&0\end{pmatrix} Y ′ = A λ ( t ) Y , A λ ( t ) = ( 0 q ( t ) − λ 1 0 ) 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) ( θ , θ ′ ) ( 0 ) = ( 1 , 0 ) を満たす解をθ ( ⋅ , λ ) \theta(\cdot,\lambda) θ ( ⋅ , λ ) 、( φ , φ ′ ) ( 0 ) = ( 0 , 1 ) (\varphi,\varphi')(0)=(0,1) ( φ , φ ′ ) ( 0 ) = ( 0 , 1 ) を満たす解をφ ( ⋅ , λ ) \varphi(\cdot,\lambda) φ ( ⋅ , λ ) と書き、
Φ 0 ( t , λ ) = ( θ ( t , λ ) φ ( t , λ ) θ ′ ( t , λ ) φ ′ ( t , λ ) ) , M ( λ ) = Φ 0 ( 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) Φ 0 ( t , λ ) = ( θ ( t , λ ) θ ′ ( t , λ ) φ ( t , λ ) φ ′ ( t , λ ) ) , M ( λ ) = Φ 0 ( T , λ ) , Δ ( λ ) = θ ( T , λ ) + φ ′ ( T , λ ) とおく。M ( λ ) M(\lambda) M ( λ ) はY ′ = A λ ( t ) Y \boldsymbol Y'=A_\lambda(t)\boldsymbol Y Y ′ = A λ ( t ) Y のモノドロミー行列であり、Δ = tr M \Delta=\operatorname{tr}M Δ = tr M を Hill 方程式の判別式 (discriminant ) という。
命題 5.2. T > 0 T>0 T > 0 、q ∈ L l o c 1 ( R ; R ) q\in L^1_{\mathrm{loc}}(\R;\R) q ∈ L loc 1 ( R ; R ) をほとんどすべてのt t t でq ( t + T ) = q ( t ) q(t+T)=q(t) q ( t + T ) = q ( t ) を満たす関数とし、λ ∈ C \lambda\in\C λ ∈ C とする。θ , φ , M , Δ \theta,\varphi,M,\Delta θ , φ , M , Δ を Hill 方程式− y ′ ′ + q ( t ) y = λ y -y''+q(t)y=\lambda y − y ′′ + q ( t ) y = λ y についての記号とする。このとき、次が成り立つ。
すべてのt ∈ R t\in\R t ∈ 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 θ ( t , λ ) φ ′ ( t , λ ) − θ ′ ( t , λ ) φ ( t , λ ) = 1 であり、det M ( λ ) = 1 \det M(\lambda)=1 det M ( λ ) = 1 である。
Y ′ = A λ ( t ) Y \boldsymbol Y'=A_\lambda(t)\boldsymbol Y Y ′ = A λ ( t ) Y の Floquet 乗数はρ 2 − Δ ( λ ) ρ + 1 = 0 \rho^2-\Delta(\lambda)\rho+1=0 ρ 2 − Δ ( λ ) ρ + 1 = 0 の二根であり、その積は1 1 1 である。
Δ ( λ ) ≠ ± 2 \Delta(\lambda)\ne\pm2 Δ ( λ ) = ± 2 ならば、二根はρ \rho ρ とρ − 1 \rho^{-1} ρ − 1 (ρ ≠ ρ − 1 \rho\ne\rho^{-1} ρ = ρ − 1 )であり、すべてのt ∈ R t\in\R t ∈ R でu ± ( t + T ) = ρ ± 1 u ± ( t ) u_\pm(t+T)=\rho^{\pm1}u_\pm(t) u ± ( t + T ) = ρ ± 1 u ± ( t ) を満たす一次独立な解u + , u − u_+,u_- u + , u − が存在する。∣ ρ ∣ < 1 \lvert\rho\rvert<1 ∣ ρ ∣ < 1 ならば、あるC > 0 C>0 C > 0 が存在して、すべてのt ∈ R t\in\R t ∈ 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} ∣ u + ( t )∣ + ∣ u + ′ ( t )∣ ≤ C ∣ ρ ∣ t / T が成り立つ。
証明. tr A λ = 0 \operatorname{tr}A_\lambda=0 tr A λ = 0 であるから、§E13.9 定理 3.1 によりdet Φ 0 ( t , λ ) = det Φ 0 ( 0 , λ ) = 1 \det\Phi_0(t,\lambda)=\det\Phi_0(0,\lambda)=1 det Φ 0 ( t , λ ) = det Φ 0 ( 0 , λ ) = 1 であり、主張 (1) を得る。M ( λ ) M(\lambda) M ( λ ) の特性多項式はρ 2 − ( tr M ) ρ + det M = ρ 2 − Δ ρ + 1 \rho^2-(\operatorname{tr}M)\rho+\det M=\rho^2-\Delta\rho+1 ρ 2 − ( tr M ) ρ + det M = ρ 2 − Δ ρ + 1 であり、主張 (2) を得る。
主張 (3) を示す。二根の積は1 1 1 であるから二根はρ , ρ − 1 \rho,\rho^{-1} ρ , ρ − 1 と書かれ、ρ = ρ − 1 \rho=\rho^{-1} ρ = ρ − 1 であることは、ρ = ± 1 \rho=\pm1 ρ = ± 1 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 Δ = ρ + ρ − 1 = ± 2 である。Δ ≠ ± 2 \Delta\ne\pm2 Δ = ± 2 ならばM M M は相異なる固有値ρ , ρ − 1 \rho,\rho^{-1} ρ , ρ − 1 をもち、それぞれの固有ベクトルξ + , ξ − \boldsymbol\xi_+,\boldsymbol\xi_- ξ + , ξ − 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 Y ± ( 0 ) = ξ ± を満たす乗数ρ ± 1 \rho^{\pm1} ρ ± 1 の Floquet 解Y ± \boldsymbol Y_\pm Y ± があり、その第一成分u ± u_\pm u ± は解でY ± = ( u ± , u ± ′ ) T \boldsymbol Y_\pm=(u_\pm,u_\pm')^{\mathsf T} Y ± = ( u ± , u ± ′ ) T 、u ± ( t + T ) = ρ ± 1 u ± ( t ) u_\pm(t+T)=\rho^{\pm1}u_\pm(t) u ± ( t + T ) = ρ ± 1 u ± ( t ) を満たす。a u + + b u − = 0 au_++bu_-=0 a u + + b u − = 0 ならば微分してa ξ + + b ξ − = 0 a\boldsymbol\xi_++b\boldsymbol\xi_-=\boldsymbol 0 a ξ + + b ξ − = 0 であるからa = b = 0 a=b=0 a = b = 0 である。∣ ρ ∣ < 1 \lvert\rho\rvert<1 ∣ ρ ∣ < 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) K = max s ∈ [ 0 , T ] (∣ u + ( s )∣ + ∣ u + ′ ( s )∣) とおく。t ∈ R t\in\R t ∈ R をt = n T + s t=nT+s t = n T + s (n ∈ Z n\in\Z n ∈ Z 、s ∈ [ 0 , T ) s\in[0,T) s ∈ [ 0 , T ) )と書くと、Y + ( t ) = ρ n Y + ( s ) \boldsymbol Y_+(t)=\rho^n\boldsymbol Y_+(s) Y + ( t ) = ρ n 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} ∣ u + ( t )∣ + ∣ u + ′ ( t )∣ ≤ K ∣ ρ ∣ n = K ∣ ρ ∣ ( t − s ) / T ≤ K ∣ ρ ∣ − 1 ∣ ρ ∣ t / T であり、C = K ∣ ρ ∣ − 1 C=K\lvert\rho\rvert^{-1} C = K ∣ ρ ∣ − 1 とすればよい。▨
定理 5.3. T > 0 T>0 T > 0 、q ∈ L l o c 1 ( R ; R ) q\in L^1_{\mathrm{loc}}(\R;\R) q ∈ L loc 1 ( R ; R ) をほとんどすべてのt t t でq ( t + T ) = q ( t ) q(t+T)=q(t) q ( t + T ) = q ( t ) を満たす関数とし、λ ∈ R \lambda\in\R λ ∈ R とする。M , Δ M,\Delta M , Δ を Hill 方程式− y ′ ′ + q ( t ) y = λ y -y''+q(t)y=\lambda y − y ′′ + q ( t ) y = λ y についての記号とする。このとき、M ( λ ) M(\lambda) M ( λ ) は実行列でΔ ( λ ) ∈ R \Delta(\lambda)\in\R Δ ( λ ) ∈ R であり、次が成り立つ。
∣ Δ ( λ ) ∣ < 2 \lvert\Delta(\lambda)\rvert<2 ∣ Δ ( λ )∣ < 2 ならば、すべての解はR \R R 上で有界である。
∣ Δ ( λ ) ∣ > 2 \lvert\Delta(\lambda)\rvert>2 ∣ Δ ( λ )∣ > 2 ならば、零でないすべての解はR \R R 上で有界でない。さらに、∣ ρ ∣ > 1 \lvert\rho\rvert>1 ∣ ρ ∣ > 1 を満たすρ ∈ R \rho\in\R ρ ∈ R と、すべてのt t t でy ( t + T ) = ρ y ( t ) y(t+T)=\rho y(t) y ( t + T ) = ρ y ( t ) を満たす零でない実数値の解y y y が存在する。
ε ∈ { 1 , − 1 } \varepsilon\in\{1,-1\} ε ∈ { 1 , − 1 } についてΔ ( λ ) = 2 ε \Delta(\lambda)=2\varepsilon Δ ( λ ) = 2 ε ならば、すべてのt t t でy ( t + T ) = ε y ( t ) y(t+T)=\varepsilon y(t) y ( t + T ) = ε y ( t ) を満たす零でない実数値の解y y y が存在する。すべての解がR \R R 上で有界であることは、M ( λ ) = ε I M(\lambda)=\varepsilon I M ( λ ) = ε I であるための必要十分条件である。
証明. λ ∈ R \lambda\in\R λ ∈ R ならばA λ A_\lambda A λ 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 θ , φ は実数値であるから、M ( λ ) M(\lambda) M ( λ ) は実行列でΔ ( λ ) ∈ R \Delta(\lambda)\in\R Δ ( λ ) ∈ 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 ∣ Δ ∣ < 2 ならばρ 2 − Δ ρ + 1 = 0 \rho^2-\Delta\rho+1=0 ρ 2 − Δ ρ + 1 = 0 の判別式Δ 2 − 4 \Delta^2-4 Δ 2 − 4 は負であり、二根は互いに共役な非実数ρ , ρ ‾ \rho,\overline\rho ρ , ρ で、命題 5.2 (2) により∣ ρ ∣ 2 = ρ ρ ‾ = 1 \lvert\rho\rvert^2=\rho\overline\rho=1 ∣ ρ ∣ 2 = ρ ρ = 1 である。命題 5.2 (3) の解u ± u_\pm u ± は∣ u ± ( t + n T ) ∣ = ∣ u ± ( t ) ∣ \lvert u_\pm(t+nT)\rvert=\lvert u_\pm(t)\rvert ∣ u ± ( t + n T )∣ = ∣ u ± ( t )∣ 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 sup R ∣ u ± ∣ = max [ 0 , T ] ∣ u ± ∣ < ∞ である。u + , u − 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 ∣ Δ ∣ > 2 ならば二根は相異なる実数であり、∣ ρ ∣ > 1 \lvert\rho\rvert>1 ∣ ρ ∣ > 1 の根をρ \rho ρ とすると他方はρ − 1 \rho^{-1} ρ − 1 である。M M M は実行列であるから、命題 1.6 (3) により乗数ρ ± 1 \rho^{\pm1} ρ ± 1 の実数値の Floquet 解の第一成分u ± u_\pm u ± 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_+ u + が主張の実数値の解である。零でない解y = a u + + b u − y=au_++bu_- y = a u + + b u − を取る。a ≠ 0 a\ne0 a = 0 のとき、u + u_+ u + は零でなくu + ( t + n T ) = ρ n u + ( t ) u_+(t+nT)=\rho^nu_+(t) u + ( t + n T ) = ρ n u + ( t ) であるからu + ( t 0 ) ≠ 0 u_+(t_0)\ne0 u + ( t 0 ) = 0 を満たすt 0 ∈ [ 0 , T ] t_0\in[0,T] t 0 ∈ [ 0 , T ] があり、
∣ y ( t 0 + n T ) ∣ ≥ ∣ a ∣ ∣ ρ ∣ n ∣ u + ( t 0 ) ∣ − ∣ b ∣ ∣ ρ ∣ − n ∣ u − ( t 0 ) ∣ ⟶ ∞ ( 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) ∣ y ( t 0 + n T )∣ ≥ ∣ a ∣ ∣ ρ ∣ n ∣ u + ( t 0 )∣ − ∣ b ∣ ∣ ρ ∣ − n ∣ u − ( t 0 )∣ ⟶ ∞ ( n → ∞ ) である。a = 0 a=0 a = 0 のときb ≠ 0 b\ne0 b = 0 であり、u − ( t 0 ) ≠ 0 u_-(t_0)\ne0 u − ( t 0 ) = 0 を満たすt 0 t_0 t 0 についてn → − ∞ n\to-\infty n → − ∞ とすれば同様である。
主張 (3) を示す。Δ = 2 ε \Delta=2\varepsilon Δ = 2 ε ならば特性多項式は( ρ − ε ) 2 (\rho-\varepsilon)^2 ( ρ − ε ) 2 であり、ε \varepsilon ε は実行列M M M 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y y y でy ( t + T ) = ε y ( t ) y(t+T)=\varepsilon y(t) y ( t + T ) = ε y ( t ) を満たすものがある。M = ε I M=\varepsilon I M = ε I ならば補題 1.2 (3) によりΦ 0 ( t + n T ) = ε n Φ 0 ( t ) \Phi_0(t+nT)=\varepsilon^n\Phi_0(t) Φ 0 ( t + n T ) = ε n Φ 0 ( t ) であるから、Φ 0 \Phi_0 Φ 0 はR \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 R 上で有界であるとする。u ∈ { θ , φ } u\in\{\theta,\varphi\} u ∈ { θ , φ } とし、K u = sup R ∣ u ∣ K_u=\sup_{\R}\lvert u\rvert K u = sup R ∣ u ∣ 、c = ∫ 0 T ∣ q ( s ) − λ ∣ d s c=\int_0^T\lvert q(s)-\lambda\rvert\,ds c = ∫ 0 T ∣ q ( s ) − λ ∣ d s とおく。q q q の周期性により、長さT T T の任意の閉区間[ a , a + T ] [a,a+T] [ a , a + T ] 上で∫ a a + T ∣ q ( s ) − λ ∣ d s = c \int_a^{a+T}\lvert q(s)-\lambda\rvert\,ds=c ∫ a a + T ∣ q ( s ) − λ ∣ d s = c である。u u u は実数値のC 1 C^1 C 1 級関数であるから、平均値の定理によりu ′ ( s a ) = ( u ( a + T ) − u ( a ) ) / T u'(s_a)=\bigl(u(a+T)-u(a)\bigr)/T u ′ ( s a ) = ( u ( a + T ) − u ( a ) ) / T を満たすs a ∈ ( a , a + T ) s_a\in(a,a+T) s a ∈ ( a , a + T ) があり、∣ u ′ ( s a ) ∣ ≤ 2 K u / T \lvert u'(s_a)\rvert\le2K_u/T ∣ u ′ ( s a )∣ ≤ 2 K u / T である。u ′ u' u ′ は局所絶対連続でほとんど至る所u ′ ′ = ( q − λ ) u u''=(q-\lambda)u u ′′ = ( q − λ ) u を満たすから、§E13.2 系 2.6 により、t ∈ [ a , a + T ] t\in[a,a+T] t ∈ [ a , a + T ] について
∣ u ′ ( t ) ∣ ≤ ∣ u ′ ( s a ) ∣ + ∣ ∫ s a t ( q ( s ) − λ ) u ( s ) d s ∣ ≤ 2 K u T + c K u \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 ∣ u ′ ( t )∣ ≤ ∣ u ′ ( s a )∣ + ∫ s a t ( q ( s ) − λ ) u ( s ) d s ≤ T 2 K u + c K u である。a ∈ R a\in\R a ∈ R は任意であるからu ′ u' u ′ はR \R R 上で有界であり、Φ 0 \Phi_0 Φ 0 はR \R R 上で有界である。従って§E13.9 定理 2.2 によりY ′ = A λ ( t ) Y \boldsymbol Y'=A_\lambda(t)\boldsymbol Y Y ′ = A λ ( t ) Y のすべての局所絶対連続解Y = Φ 0 ξ \boldsymbol Y=\Phi_0\boldsymbol\xi Y = Φ 0 ξ (ξ ∈ C 2 \boldsymbol\xi\in\C^2 ξ ∈ C 2 )は[ 0 , ∞ ) [0,\infty) [ 0 , ∞ ) 上で有界であり、定理 3.2 (2) により、絶対値が1 1 1 の Floquet 乗数ε \varepsilon ε はM M M の半単純固有値である。特性多項式は( ρ − ε ) 2 (\rho-\varepsilon)^2 ( ρ − ε ) 2 であるから、§E3.26 定理 2.1 によりG ε ( M ) = C 2 G_\varepsilon(M)=\C^2 G ε ( M ) = C 2 であり、定義 2.1 によりker ( M − ε I ) = G ε ( M ) = C 2 \ker(M-\varepsilon I)=G_\varepsilon(M)=\C^2 ker ( M − ε I ) = G ε ( M ) = C 2 である。従ってM = ε I M=\varepsilon I M = ε I である。▨
系 5.4. T > 0 T>0 T > 0 、q ∈ L l o c 1 ( R ; R ) q\in L^1_{\mathrm{loc}}(\R;\R) q ∈ L loc 1 ( R ; R ) をほとんどすべてのt t t でq ( t + T ) = q ( t ) q(t+T)=q(t) q ( t + T ) = q ( t ) を満たす関数とし、θ , φ , Δ \theta,\varphi,\Delta θ , φ , Δ を Hill 方程式− y ′ ′ + q ( t ) y = λ y -y''+q(t)y=\lambda y − y ′′ + q ( t ) y = λ y についての記号とする。このとき、各t ∈ R t\in\R t ∈ R について、λ ↦ θ ( t , λ ) \lambda\mapsto\theta(t,\lambda) λ ↦ θ ( t , λ ) 、θ ′ ( t , λ ) \theta'(t,\lambda) θ ′ ( t , λ ) 、φ ( t , λ ) \varphi(t,\lambda) φ ( t , λ ) 、φ ′ ( t , λ ) \varphi'(t,\lambda) φ ′ ( t , λ ) は整関数であり、λ ∈ R \lambda\in\R λ ∈ R で実数値である。特にΔ \Delta Δ は整関数であり、実軸上で実数値である。
証明. A 0 = ( 0 1 q 0 ) A_0=\begin{pmatrix}0&1\\q&0\end{pmatrix} A 0 = ( 0 q 1 0 ) 、A 1 = ( 0 0 − 1 0 ) A_1=\begin{pmatrix}0&0\\-1&0\end{pmatrix} A 1 = ( 0 − 1 0 0 ) とおくとA λ = A 0 + λ A 1 A_\lambda=A_0+\lambda A_1 A λ = A 0 + λ A 1 であり、A 0 , A 1 ∈ L l o c 1 ( R ; C 2 × 2 ) A_0,A_1\in L^1_{\mathrm{loc}}(\R;\C^{2\times2}) A 0 , A 1 ∈ L loc 1 ( R ; C 2 × 2 ) は実数値である。( θ , θ ′ ) T (\theta,\theta')^{\mathsf T} ( θ , θ ′ ) T と( φ , φ ′ ) T (\varphi,\varphi')^{\mathsf T} ( φ , φ ′ ) T は、b 0 = b 1 = 0 \boldsymbol b_0=\boldsymbol b_1=\boldsymbol 0 b 0 = b 1 = 0 、t 0 = 0 t_0=0 t 0 = 0 、η = ( 1 , 0 ) T \boldsymbol\eta=(1,0)^{\mathsf T} η = ( 1 , 0 ) T とη = ( 0 , 1 ) T \boldsymbol\eta=(0,1)^{\mathsf T} η = ( 0 , 1 ) 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) Δ ( λ ) = θ ( T , λ ) + φ ′ ( T , λ ) は二つの整関数の和である。▨
系 5.5. T > 0 T>0 T > 0 、q ∈ L l o c 1 ( R ; R ) q\in L^1_{\mathrm{loc}}(\R;\R) q ∈ L loc 1 ( R ; R ) をほとんどすべてのt t t でq ( t + T ) = q ( t ) q(t+T)=q(t) q ( t + T ) = q ( t ) を満たす関数とし、Δ \Delta Δ を Hill 方程式− y ′ ′ + q ( t ) y = λ y -y''+q(t)y=\lambda y − y ′′ + q ( t ) y = λ y の判別式とする。このとき、Δ \Delta Δ のR \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\} { λ ∈ R : ∣ Δ ( λ )∣ < 2 } と{ λ ∈ R : ∣ Δ ( λ ) ∣ > 2 } \{\lambda\in\R:\lvert\Delta(\lambda)\rvert>2\} { λ ∈ R : ∣ Δ ( λ )∣ > 2 } はR \R R の開集合である。
証明. 系 5.4 によりΔ \Delta Δ はC \C C の各点で複素微分可能であるから連続であり、R \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 Δ ∣ R : R → R による開集合( − 2 , 2 ) (-2,2) ( − 2 , 2 ) とR ∖ [ − 2 , 2 ] \R\setminus[-2,2] R ∖ [ − 2 , 2 ] の逆像である。▨
例 5.6. h ∈ R h\in\R h ∈ R とし、T = π T=\pi T = π 、q ( t ) = 2 h cos 2 t q(t)=2h\cos2t q ( t ) = 2 h cos 2 t の Hill 方程式
− y ′ ′ + 2 h cos ( 2 t ) y = a y ( a ∈ R ) -y''+2h\cos(2t)\,y=ay\qquad(a\in\R) − y ′′ + 2 h cos ( 2 t ) y = a y ( a ∈ R ) をMathieu 方程式 (Mathieu equation ) という。h = 0 h=0 h = 0 とする。このとき、a > 0 a>0 a > 0 ならば、k = a k=\sqrt a k = a とおくとθ ( t , a ) = cos k t \theta(t,a)=\cos kt θ ( t , a ) = cos k t 、φ ( t , a ) = k − 1 sin k t \varphi(t,a)=k^{-1}\sin kt φ ( t , a ) = k − 1 sin k t であり、Δ ( a ) = 2 cos ( π a ) \Delta(a)=2\cos(\pi\sqrt a) Δ ( a ) = 2 cos ( π a ) である。a = 0 a=0 a = 0 のときθ = 1 \theta=1 θ = 1 、φ = t \varphi=t φ = t でありΔ ( 0 ) = 2 \Delta(0)=2 Δ ( 0 ) = 2 である。a < 0 a<0 a < 0 のときκ = − a \kappa=\sqrt{-a} κ = − a とおくとθ = cosh κ t \theta=\cosh\kappa t θ = cosh κ t 、φ = κ − 1 sinh κ t \varphi=\kappa^{-1}\sinh\kappa t φ = κ − 1 sinh κ t であり、Δ ( a ) = 2 cosh ( π − a ) > 2 \Delta(a)=2\cosh(\pi\sqrt{-a})>2 Δ ( a ) = 2 cosh ( π − a ) > 2 である。従って
{ a ∈ R : ∣ Δ ( a ) ∣ < 2 } = ( 0 , ∞ ) ∖ { n 2 : n ∈ N ≥ 1 } \{a\in\R:\lvert\Delta(a)\rvert<2\}=(0,\infty)\setminus\{n^2:n\in\NN\} { a ∈ R : ∣ Δ ( a )∣ < 2 } = ( 0 , ∞ ) ∖ { n 2 : n ∈ N ≥ 1 } であり、定理 5.3 (1) によりこの集合のa a a ではすべての解が有界であり、定理 5.3 (2) によりa < 0 a<0 a < 0 では零でない解はすべて有界でない。a = n 2 a=n^2 a = n 2 (n ∈ N ≥ 1 n\in\NN n ∈ N ≥ 1 )ではθ ( π ) = φ ′ ( π ) = ( − 1 ) n \theta(\pi)=\varphi'(\pi)=(-1)^n θ ( π ) = φ ′ ( π ) = ( − 1 ) n 、θ ′ ( π ) = φ ( π ) = 0 \theta'(\pi)=\varphi(\pi)=0 θ ′ ( π ) = φ ( π ) = 0 であるからM ( n 2 ) = ( − 1 ) n I M(n^2)=(-1)^nI M ( n 2 ) = ( − 1 ) n I であり、定理 5.3 (3) によりすべての解が有界である。
a = 0 a=0 a = 0 では
M ( 0 ) = ( 1 π 0 1 ) ≠ I M(0)=\begin{pmatrix}1&\pi\\0&1\end{pmatrix}\ne I M ( 0 ) = ( 1 0 π 1 ) = I であり、解y ( t ) = t y(t)=t y ( t ) = t は有界でない。Floquet 乗数はともに1 1 1 で絶対値は1 1 1 以下であるが、ker ( M ( 0 ) − I ) \ker(M(0)-I) ker ( M ( 0 ) − I ) は一次元でG 1 ( M ( 0 ) ) = C 2 G_1(M(0))=\C^2 G 1 ( M ( 0 )) = C 2 であるから、1 1 1 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。
6 演習
解答. (1) を示す。Φ 0 ( t ) = exp ( a t + sin t ) \Phi_0(t)=\exp(at+\sin t) Φ 0 ( t ) = exp ( a t + sin t ) はΦ 0 ′ = ( a + cos t ) Φ 0 \Phi_0'=(a+\cos t)\Phi_0 Φ 0 ′ = ( a + cos t ) Φ 0 、Φ 0 ( 0 ) = 1 \Phi_0(0)=1 Φ 0 ( 0 ) = 1 を満たす。モノドロミー行列はΦ 0 ( 2 π ) = e 2 π a \Phi_0(2\pi)=e^{2\pi a} Φ 0 ( 2 π ) = e 2 π a であり、Floquet 乗数はe 2 π a e^{2\pi a} e 2 π a 、Floquet 指数はa + i k a+ik a + ik (k ∈ Z k\in\Z k ∈ Z )である。B = a B=a B = a 、P ( t ) = e sin t P(t)=e^{\sin t} P ( t ) = e s i n t とおくと、e 2 π B = e 2 π a e^{2\pi B}=e^{2\pi a} e 2 π B = e 2 π a 、P P P は2 π 2\pi 2 π 周期でP ( 0 ) = 1 P(0)=1 P ( 0 ) = 1 、Φ 0 ( t ) = P ( t ) e t B \Phi_0(t)=P(t)e^{tB} Φ 0 ( t ) = P ( t ) e tB である。定理 3.2 (1) により、すべての解が0 0 0 に収束することは、e 2 π a < 1 e^{2\pi a}<1 e 2 π a < 1 、すなわちa < 0 a<0 a < 0 であるための必要十分条件である。1 × 1 1\times1 1 × 1 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 ≤ 0 a\le0 a ≤ 0 であるための必要十分条件である。実際、解はx ( t ) = x ( 0 ) exp ( a t + sin t ) x(t)=x(0)\exp(at+\sin t) x ( t ) = x ( 0 ) exp ( a t + 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、e T B = diag ( e i π , e c T e i π ) = diag ( − 1 , − e c T ) = M e^{TB}=\operatorname{diag}(e^{i\pi},e^{cT}e^{i\pi})=\operatorname{diag}(-1,-e^{cT})=M e T B = diag ( e iπ , e c T e iπ ) = diag ( − 1 , − e c T ) = M である。e − t B = diag ( e − i π t / T , e − c t e − i π t / T ) e^{-tB}=\operatorname{diag}\bigl(e^{-i\pi t/T},e^{-ct}e^{-i\pi t/T}\bigr) e − tB = diag ( e − iπ t / T , e − c t e − iπ t / T ) であるから
P ( t ) = R ( π t / T ) diag ( 1 , e c t ) diag ( e − i π t / T , e − c t e − i π t / T ) = e − i π t / T R ( π t / 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) P ( t ) = R ( π t / T ) diag ( 1 , e c t ) diag ( e − iπ t / T , e − c t e − iπ t / T ) = e − iπ t / T R ( π t / T ) である。R ( ϑ + π ) = − R ( ϑ ) R(\vartheta+\pi)=-R(\vartheta) R ( ϑ + π ) = − R ( ϑ ) とe − i π = − 1 e^{-i\pi}=-1 e − iπ = − 1 によりP ( t + T ) = ( − 1 ) ( − 1 ) e − i π t / T R ( π t / T ) = P ( t ) P(t+T)=(-1)(-1)e^{-i\pi t/T}R(\pi t/T)=P(t) P ( t + T ) = ( − 1 ) ( − 1 ) e − iπ t / T R ( π 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、B B B の固有値i π / T i\pi/T iπ / T とc + i π / T c+i\pi/T c + iπ / T はともに非実数で互いに共役でないから、B B B は実行列でない。▨
問題 6.2. ω > 0 \omega>0 ω > 0 とし、f ∈ C ( R ; C ) f\in C(\R;\C) f ∈ C ( R ; C ) を2 π 2\pi 2 π 周期関数とする。方程式y ′ ′ + ω 2 y = f ( t ) y''+\omega^2y=f(t) y ′′ + ω 2 y = f ( t ) の複素数値で2 π 2\pi 2 π 周期のC 2 C^2 C 2 級の解について、次を示せ。
ω ∉ N ≥ 1 \omega\notin\NN ω ∈ / N ≥ 1 ならば、2 π 2\pi 2 π 周期の解はただ一つ存在する。
ω = m ∈ N ≥ 1 \omega=m\in\NN ω = m ∈ N ≥ 1 ならば、2 π 2\pi 2 π 周期の解が存在することは、∫ 0 2 π f ( t ) cos m t d t = ∫ 0 2 π f ( t ) sin m t d t = 0 \int_0^{2\pi}f(t)\cos mt\,dt=\int_0^{2\pi}f(t)\sin mt\,dt=0 ∫ 0 2 π f ( t ) cos m t d t = ∫ 0 2 π f ( t ) sin m t d t = 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y p y_p y p を用いてy p + a cos m t + b sin m t y_p+a\cos mt+b\sin mt y p + a cos m t + b sin m t (a , b ∈ C a,b\in\C a , b ∈ C )と書かれる。f f f が実数値ならばy p y_p y p を実数値に選ぶことができ、そのとき実数値解はa , b ∈ R a,b\in\R a , b ∈ R に対応する。
解答. §E13.9 命題 4.1 の意味の解y y y について、y ′ 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 − ω 2 y f-\omega^2y f − ω 2 y に一致するから、§E13.2 系 2.7 (1) によりy ′ y' y ′ はC 1 C^1 C 1 級であり、従ってy y y はC 2 C^2 C 2 級である。逆にC 2 C^2 C 2 級の解y y y について、§E13.2 系 2.7 (2) によりy ′ y' y ′ は局所絶対連続であるから、y y y は§E13.9 命題 4.1 の意味の解である。従って、y y y が2 π 2\pi 2 π 周期のC 2 C^2 C 2 級の解であることは、Y = ( y , y ′ ) T \boldsymbol Y=(y,y')^{\mathsf T} Y = ( y , y ′ ) T が一階の系Y ′ = A Y + b \boldsymbol Y'=A\boldsymbol Y+\boldsymbol b Y ′ = A Y + b (A = ( 0 1 − ω 2 0 ) A=\begin{pmatrix}0&1\\-\omega^2&0\end{pmatrix} A = ( 0 − ω 2 1 0 ) 、b = ( 0 , f ) T \boldsymbol b=(0,f)^{\mathsf T} b = ( 0 , f ) T )の2 π 2\pi 2 π 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。Φ 0 ( t ) = ( cos ω t ω − 1 sin ω t − ω sin ω t cos ω t ) \Phi_0(t)=\begin{pmatrix}\cos\omega t&\omega^{-1}\sin\omega t\\-\omega\sin\omega t&\cos\omega t\end{pmatrix} Φ 0 ( t ) = ( cos ω t − ω sin ω t ω − 1 sin ω t cos ω t ) の各列はY ′ = A Y \boldsymbol Y'=A\boldsymbol Y Y ′ = A Y の解でΦ 0 ( 0 ) = I \Phi_0(0)=I Φ 0 ( 0 ) = I であるから、モノドロミー行列はM = Φ 0 ( 2 π ) M=\Phi_0(2\pi) M = Φ 0 ( 2 π ) であり、tr M = 2 cos 2 π ω \operatorname{tr}M=2\cos2\pi\omega tr M = 2 cos 2 π ω 、det M = 1 \det M=1 det M = 1 からその固有値はe ± 2 π i ω e^{\pm2\pi i\omega} e ± 2 π iω である。1 1 1 が固有値であることは、ω ∈ N ≥ 1 \omega\in\NN ω ∈ N ≥ 1 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 ω ∈ / N ≥ 1 ならば1 1 1 はM M M の固有値でないから、系 4.5 によりρ = 1 \rho=1 ρ = 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2 π 2\pi 2 π 周期の解はただ一つである。
(2) を示す。ω = m \omega=m ω = m ならばA A A は例 4.8 のA m A_m A m であり、同じ例の第一段により、随伴系ψ ′ = − A T ψ \boldsymbol\psi'=-A^{\mathsf T}\boldsymbol\psi ψ ′ = − A T ψ の実数値の解はすべて2 π 2\pi 2 π 周期で、その第二成分ψ 2 \psi_2 ψ 2 の全体はcos m t \cos mt cos m t とsin m t \sin mt sin m t で実線形に張られる。A A A 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 = ψ 2 ‾ f \boldsymbol\psi^*\boldsymbol b=\overline{\psi_2}f ψ ∗ b = ψ 2 f であるから、定理 4.4 (4) により2 π 2\pi 2 π 周期解が存在することは、∫ 0 2 π f cos m t d t = ∫ 0 2 π f sin m t d t = 0 \int_0^{2\pi}f\cos mt\,dt=\int_0^{2\pi}f\sin mt\,dt=0 ∫ 0 2 π f cos m t d t = ∫ 0 2 π f sin m t d t = 0 であるための必要十分条件である。同次方程式y ′ ′ + m 2 y = 0 y''+m^2y=0 y ′′ + m 2 y = 0 のすべての複素数値解a cos m t + b sin m t a\cos mt+b\sin mt a cos m t + b sin m t (a , b ∈ C a,b\in\C a , b ∈ C )は2 π 2\pi 2 π 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y p + a cos m t + b sin m t y_p+a\cos mt+b\sin mt y p + a cos m t + b sin m t である。f f f が実数値ならば、y p y_p y p の実部も周期解であるから、y p y_p y p を実数値に選ぶことができる。このときcos m t \cos mt cos m t とsin m t \sin mt sin m t の実線形独立性により、y p + a cos m t + b sin m t y_p+a\cos mt+b\sin mt y p + a cos m t + b sin m t が実数値であることはa , b ∈ R a,b\in\R a , b ∈ R であるための必要十分条件である。▨
問題 6.3. c > 0 c>0 c > 0 とし、T = 2 T=2 T = 2 の周期関数q q q を、j ∈ Z j\in\Z j ∈ Z についてt ∈ [ 2 j , 2 j + 1 ) t\in[2j,2j+1) t ∈ [ 2 j , 2 j + 1 ) でq ( t ) = 0 q(t)=0 q ( t ) = 0 、t ∈ [ 2 j + 1 , 2 j + 2 ) t\in[2j+1,2j+2) t ∈ [ 2 j + 1 , 2 j + 2 ) でq ( t ) = c q(t)=c q ( t ) = c と定める。λ > c \lambda>c λ > c についてk = λ k=\sqrt\lambda k = λ 、l = λ − c l=\sqrt{\lambda-c} l = λ − c とおく。
Hill 方程式− y ′ ′ + q ( t ) y = λ y -y''+q(t)y=\lambda y − y ′′ + q ( t ) y = λ y の判別式がΔ ( λ ) = 2 cos k cos l − ( k l + l k ) sin k sin l \Delta(\lambda)=2\cos k\cos l-\bigl(\frac kl+\frac lk\bigr)\sin k\sin l Δ ( λ ) = 2 cos k cos l − ( l k + k l ) sin k sin l であることを示せ。
k + l ∈ 2 π N ≥ 1 k+l\in2\pi\NN k + l ∈ 2 π N ≥ 1 かつsin k ≠ 0 \sin k\ne0 sin k = 0 ならばΔ ( λ ) > 2 \Delta(\lambda)>2 Δ ( λ ) > 2 であり、零でないすべての解がR \R R 上で有界でないことを示せ。
0 < c < 4 π 2 0<c<4\pi^2 0 < c < 4 π 2 ならば、各n ∈ N ≥ 1 n\in\NN n ∈ N ≥ 1 についてλ n + λ n − c = 2 π n \sqrt{\lambda_n}+\sqrt{\lambda_n-c}=2\pi n λ n + λ n − c = 2 π n を満たすλ n > c \lambda_n>c λ n > c がただ一つ存在し、Δ ( λ n ) > 2 \Delta(\lambda_n)>2 Δ ( λ n ) > 2 であることを示せ。
解答. (1) を示す。κ > 0 \kappa>0 κ > 0 についてE ( κ ) = ( cos κ κ − 1 sin κ − κ sin κ cos κ ) E(\kappa)=\begin{pmatrix}\cos\kappa&\kappa^{-1}\sin\kappa\\-\kappa\sin\kappa&\cos\kappa\end{pmatrix} E ( κ ) = ( cos κ − κ sin κ κ − 1 sin κ cos κ ) とおく。[ 0 , 1 ] [0,1] [ 0 , 1 ] 上ではq = 0 q=0 q = 0 であるから、Y = ( y , y ′ ) T \boldsymbol Y=(y,y')^{\mathsf T} Y = ( y , y ′ ) T はY ′ = ( 0 1 − k 2 0 ) Y \boldsymbol Y'=\begin{pmatrix}0&1\\-k^2&0\end{pmatrix}\boldsymbol Y Y ′ = ( 0 − k 2 1 0 ) Y を満たす。この系の解( cos k t , − k sin k t ) T (\cos kt,-k\sin kt)^{\mathsf T} ( cos k t , − k sin k t ) T と( k − 1 sin k t , cos k t ) T (k^{-1}\sin kt,\cos kt)^{\mathsf T} ( k − 1 sin k t , cos k t ) 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) Y ( 1 ) = E ( k ) Y ( 0 ) である。[ 1 , 2 ] [1,2] [ 1 , 2 ] 上ではほとんど至る所q = c q=c q = c であるから、Y ′ = ( 0 1 − l 2 0 ) Y \boldsymbol Y'=\begin{pmatrix}0&1\\-l^2&0\end{pmatrix}\boldsymbol Y Y ′ = ( 0 − l 2 1 0 ) Y であり、同様にY ( 2 ) = E ( l ) Y ( 1 ) \boldsymbol Y(2)=E(l)\boldsymbol Y(1) Y ( 2 ) = E ( l ) Y ( 1 ) である。従ってM ( λ ) = E ( l ) E ( k ) M(\lambda)=E(l)E(k) M ( λ ) = E ( l ) E ( k ) であり、
Δ ( λ ) = tr ( E ( l ) E ( k ) ) = ( cos l cos k − k l sin l sin k ) + ( − l k sin l sin k + cos l cos 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) Δ ( λ ) = tr ( E ( l ) E ( k ) ) = ( cos l cos k − l k sin l sin k ) + ( − k l sin l sin k + cos l cos k ) である。
(2) を示す。2 cos ( k + l ) = 2 cos k cos l − 2 sin k sin l 2\cos(k+l)=2\cos k\cos l-2\sin k\sin l 2 cos ( k + l ) = 2 cos k cos l − 2 sin k sin l とk l + l k − 2 = ( k − l ) 2 k l \frac kl+\frac lk-2=\frac{(k-l)^2}{kl} l k + k l − 2 = k l ( k − l ) 2 により
Δ ( λ ) = 2 cos ( k + l ) − ( k − l ) 2 k l sin k sin l \Delta(\lambda)=2\cos(k+l)-\frac{(k-l)^2}{kl}\sin k\sin l Δ ( λ ) = 2 cos ( k + l ) − k l ( k − l ) 2 sin k sin l である。k + l = 2 π n k+l=2\pi n k + l = 2 π n ならばcos ( k + l ) = 1 \cos(k+l)=1 cos ( k + l ) = 1 、sin l = sin ( 2 π n − k ) = − sin k \sin l=\sin(2\pi n-k)=-\sin k sin l = sin ( 2 π n − k ) = − sin k であるからΔ ( λ ) = 2 + ( k − l ) 2 k l sin 2 k \Delta(\lambda)=2+\frac{(k-l)^2}{kl}\sin^2k Δ ( λ ) = 2 + k l ( k − l ) 2 sin 2 k である。k 2 − l 2 = c > 0 k^2-l^2=c>0 k 2 − l 2 = c > 0 からk ≠ l k\ne l k = l であり、sin k ≠ 0 \sin k\ne0 sin k = 0 であるからΔ ( λ ) > 2 \Delta(\lambda)>2 Δ ( λ ) > 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 − c g(\lambda)=\sqrt\lambda+\sqrt{\lambda-c} g ( λ ) = λ + λ − c は[ c , ∞ ) [c,\infty) [ c , ∞ ) 上で連続かつ狭義単調増加であり、g ( c ) = c < 2 π ≤ 2 π n g(c)=\sqrt c<2\pi\le2\pi n g ( c ) = c < 2 π ≤ 2 π n 、g ( λ ) → ∞ g(\lambda)\to\infty g ( λ ) → ∞ (λ → ∞ \lambda\to\infty λ → ∞ )であるから、中間値の定理によりg ( λ n ) = 2 π n g(\lambda_n)=2\pi n g ( λ n ) = 2 π n を満たすλ n > c \lambda_n>c λ n > c がただ一つ存在する。k = λ n k=\sqrt{\lambda_n} k = λ n 、l = λ n − c l=\sqrt{\lambda_n-c} l = λ n − c とし、sin k = 0 \sin k=0 sin k = 0 と仮定する。k > 0 k>0 k > 0 であるからk = j π k=j\pi k = j π (j ∈ N ≥ 1 j\in\NN j ∈ N ≥ 1 )であり、l = 2 π n − k = ( 2 n − j ) π l=2\pi n-k=(2n-j)\pi l = 2 π n − k = ( 2 n − j ) π である。0 < l < k 0<l<k 0 < l < k からn < j < 2 n n<j<2n n < j < 2 n であり、
c = k 2 − l 2 = π 2 ( j 2 − ( 2 n − j ) 2 ) = 4 π 2 n ( j − n ) ≥ 4 π 2 c=k^2-l^2=\pi^2\bigl(j^2-(2n-j)^2\bigr)=4\pi^2n(j-n)\ge4\pi^2 c = k 2 − l 2 = π 2 ( j 2 − ( 2 n − j ) 2 ) = 4 π 2 n ( j − n ) ≥ 4 π 2 となる。これはc < 4 π 2 c<4\pi^2 c < 4 π 2 に反するからsin k ≠ 0 \sin k\ne0 sin k = 0 であり、(2) によりΔ ( λ n ) > 2 \Delta(\lambda_n)>2 Δ ( λ n ) > 2 である。▨