Yamamoto's Laboratory
 
 
 
共同研究
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研究内容 電磁気学 理論的なお話 スツルム・リウヴィル理論 (Strum-Liouville equation)

電磁気学スツルム・リウヴィル理論

スツルム・リウヴィル理論について,ちょっとまとめます.内容は,ジョージ・アルフケン著「基礎物理数学2 — 関数論 —」(講談社)の内容です.

目次


スツルム・リウヴィルの定理

スツルム・リウヴィルの定理は,微分方程式の解の性質を述べた定理です.具体的には,以下の通りです.対象としている微分方程式は特殊だし,制限も多いです.「こんなの役に立つのか?」と思うかもしれませんが,実際には多くの物理現象の解析に応用されます.ここでは,単に定理の証明にとどまらず,その応用例についても触れます.

最初に,この定理が対象としている問題について説明します.式\eqref{eq:SL_ODE}が対象としている微分方程式です.この微分方程式を構成する関数のうち,$p(x),\,q(x),\,w(x)$ は与えられます (既知).解として得るべきものは,固有値: $\lambda$ と固有関数: $u(x)$ です.要するに,微分方程式で解くべきものは,固有値と固有関数となります.

定理 1 (スツルム・リウヴィルの定理)

有限区間 $[a,b]$ で,次の微分方程式を考える.

\begin{align} \ddiffA{}{x}\left[p(x)\ddiffA{u(x)}{x}\right]+\left[q(x)+\lambda w(x)\right]u(x)=0 \label{eq:SL_ODE} \end{align}

ここで $p(x), p'(x), q(x), w(x)$ は実数値の連続関数であり,常に $p(x)>0$,$w(x)>0$ とする.$\lambda$ は境界条件を満たす解が存在するように定まる定数である.

この微分方程式に,次の同次境界条件を課す.

\begin{align} A_1u(a)+A_2u^\prime(a)&=0,\\ B_1u(b)+B_2u^\prime(b)&=0 \end{align}

ただし $A_1,A_2,B_1,B_2$ は実定数であり,$(A_1,A_2)$,$(B_1,B_2)$ はそれぞれ同時に 0 ではないとする.

この境界値問題に 0 でない解が存在するとき,その \(\lambda\) を固有値,対応する解を固有関数という.固有値 \(\lambda\) はすべて実数である.さらに,異なる固有値 \(\lambda_m\),\(\lambda_n\) に属する固有関数をそれぞれ \(u_m(x)\),\(u_n(x)\) とすると,これらは重み関数 \(w(x)\) を入れた内積に関して直交し,

\begin{align} \int_a^b w(x)u_m(x)u_n(x)\diff x=0 \qquad (m\ne n) \end{align}

が成り立つ.つまり,微分方程式と境界条件から決まる固有関数は,重み \(w(x)\) 付きの直交関数系になる.

減の振動

方程式と解

スツルム・リウヴィル問題の例として,弦の振動を考えます.これは,もっとも単純な問題ですが,物理的に重要な例です.この弦の振動(振幅)を表す微分方程式は次のようになります.

\begin{align} \ddiffB{2}{u(x)}{x}-\lambda u(x)=0 \end{align}

図1: x=0, $\pi$; を固定した弦の振動

直交性

フーリエ級数

線形代数tの比較

一般化(スツルム・リウヴィルの定理)

自己随伴演算子

自己随伴演算子で記述される微分方程式には,極めて重要で便利な性質があります.そして,この型の微分方程式は様々なところで現れます.

一般的な線形二階微分方程式の演算子は, \begin{align} \mathcal{L}u(x)=p(x)\ddiffB{2}{}{x}u(x)+r(x)\ddiffA{}{x}u(x)+q(x)u(x) \end{align} です.これは非常に一般的な演算子なので,特に便利というわけではありません.そこで,随伴演算子(エルミート演算子) \(\bar{\mathcal{L}}\)を考えます.それは, \begin{align} \bar{\mathcal{L}}u(x) &=\ddiffB{2}{}{x}[p(x)u(x)]-\ddiffA{}{x}[r(x)u(x)]+q(x)u(x)\nonumber\\ &=p(x)\ddiffB{2}{}{x}u(x)+(2p^\prime-r)\ddiffA{}{x}[r(x)u(x)]+q(x)u(x) \end{align} です.係数の関数が微分演算子の中に入ります.一次の項は,正負が反転します.これらの2つの演算子が等しい,\(\mathcal{L}=\bar{\mathcal{L}}\) 条件は, \begin{align} p^\prime(x)=r(x) \end{align} です.この条件が満たされると, \begin{align} \mathcal{L}u(x)&=\bar{\mathcal{L}}u(x)\nonumber\\ &=p(x)\ddiffB{2}{u(x)}{x}+p(x)^\prime\ddiffA{u(x)}{x}+q(x)u(x)\nonumber\\ &=\ddiffA{}{x}\left[p(x)\ddiffA{u(x)}{x}\right]+q(x)u(x) \end{align}

物理学,特に量子力学でよく使われる式に, \begin{align} \left\langle u\left | \mathcal{L} \right | u\right\rangle = \left\langle u\left | \mathcal{L} u\right . \right\rangle = \int_a^b u(x)\mathcal{L}u(x)\diff x \end{align}

境界条件

よく知られているように微分方程式の解を得るためには,境界条件が必要になります.しばしば使われる境界条件は,次の通りです.

  • コーシーの境界条件  境界で関数の値と放線微分の値を指定する.

ページ作成情報

参考資料

  1. ジョージ・アルフケン, 関数論, 基礎物理数学2, 1903, 講談社

更新履歴

2015年12月04日 新規作成


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