積分微分方程式

微分方程式
ナビエ–ストークス方程式。障害物の周囲の気流のシミュレーションに用いられる。
範囲 自然科学 工学 天文学 物理学 化学 生物学 地質学 応用数学 連続体力学 カオス理論 力学系 社会科学 経済学 個体群動態論
分類
タイプ 常 偏 微分代数（英語版） 積分微分 分数階 線型 非線形 変数のタイプにより 独立変数と従属変数（英語版） 自律微分方程式 複素 Coupled / Decoupled 完全（英語版） 斉次（英語版） / 非斉次（英語版） 特徴 階数（英語版） 作用素 記法
過程との関係 差分 (離散類似) 確率 確率偏（英語版） 遅延（英語版）
解
一般的な話題 ピカール＝リンデレーフの定理 コーシー＝コワレフスカヤの定理 ペアノの存在定理 ロンスキアン Phase portrait（英語版） 相空間 リャプノフ / 漸近安定性 / 指数安定性（英語版） 収束率（英語版） 級数（英語版） / 積分解 数値積分 ディラックのデルタ関数
解法（英語版） Inspection 特性曲線法 広田の方法 常微分方程式の数値解法 オイラー ルンゲ・クッタ 線型多段法 狙い撃ち法 偏微分方程式の数値解法 有限差分 (クランク・ニコルソン（英語版）) 有限要素 有限体積 ガレルキン（英語版） 可積分アルゴリズム 精度保証付き数値計算 計算機援用証明 積分因子 積分変換 摂動論 変数分離 未定係数
人物 (海外) アイザック・ニュートン レオンハルト・オイラー エミール・ピカール ユゼフ・マリア・ハーネー＝ウロンスキー エルンスト・リンデレフ（英語版） ルドルフ・リプシッツ オーギュスタン＝ルイ・コーシー ジョン・クランク（英語版） フィリス・ニコルソン（英語版） カール・ルンゲ マルティン・クッタ ソフィア・コワレフスカヤ ポール・パンルヴェ イズライル・ゲルファント ウラジーミル・アーノルド ヴォルフガンク・ウォルター テレンス・タオ ピーター・オルバー
日本人 福原満洲雄 溝畑茂 加藤敏夫 藤田宏 増田久弥 木村俊房 広田良吾 佐藤幹夫 神保道夫
表 話 編 歴

数学において積分微分方程式（せきぶんびぶんほうていしき、英: integro-differential equation）とは、ある函数の積分と微分のいずれも含むような方程式のことを言う。

一般的な一階線型方程式[編集]

一般的な一階線型の積分微分方程式は、次のような形状を持つ。

${\displaystyle {\frac {d}{dx}}u(x)+\int _{x_{0}}^{x}f(t,u(t))\,dt=g(x,u(x)),\quad u(x_{0})=u_{0},\quad x_{0}\geq 0.}$

微分方程式についてよく知られているように、積分微分方程式に対しても閉形式解を求めることはしばしば困難となる。解が見つかるような比較的まれなケースでは、ある種の積分変換が用いられることで、問題が初めに代数的な形状へと変換されることがしばしばある。そのような状況では、問題の解はそのような代数的方程式の解に対して逆変換を適用することで得られる。

例[編集]

次のような一階の問題を考える。

${\displaystyle u'(x)+2u(x)+5\int _{0}^{x}u(t)\,dt=\left\{{\begin{array}{ll}1,\quad x\geq 0\\0,\quad x<0\end{array}}\right.\quad {\text{with}}\quad u(0)=0.}$

ラプラス変換は次のように定義される。

${\displaystyle U(s)={\mathcal {L}}\left\{u(x)\right\}=\int _{0}^{\infty }e^{-sx}u(x)\,dx.}$

各項にラプラス変換を適用し、微積分の法則を利用することで、上記の積分微分方程式は次のような代数的方程式へ変換される。

${\displaystyle sU(s)-u(0)+2U(s)+{\frac {5}{s}}U(s)={\frac {1}{s}}.}$

したがって

${\displaystyle U(s)={\frac {1}{s^{2}+2s+5}}}$

が得られる。線積分を用いながら逆変換を行うことで、結果として

${\displaystyle u(x)={\frac {1}{2}}e^{-x}\sin(2x)}$

が得られる。

応用[編集]

積分微分方程式は、理学および工学に現れる多くの状況をモデル化するものである。とりわけ回路網解析においてよく用いられる^[要出典]。

抑制性（英語版）および興奮性（英語版）のニューロンの相互作用は積分微分方程式のシステムで表現される。例えばウィルソン＝コーワンのモデル（英語版）を参照されたい。

参考文献[編集]

• Vangipuram Lakshmikantham, M. Rama Mohana Rao, “Theory of Integro-Differential Equations”, CRC Press, 1995

関連項目[編集]

• ラプラス変換
• 積分差分方程式

外部リンク[編集]

• Interactive Mathematics
• Numerical solution of the example using Chebfun