エルミート展開形偏微分方程式による形式的線形化
(昭和60年5月31日 原稿受付)
情報工学科高 田 等
情報工学科内野英治
情報工学科大学院堀 振一郎
AFomal Linearization via Partial Differential Equation Solved by the Hermite Expansion
by Hltoshi TAKATA
Eiji UCHINO Shin−lchiro HORI
Ab8缶8et
When a nonlinear equation土=∫(エ}is given, a parUal differen廿al equadon(∂φ(エ)/∂エT}・∫抽=
、4φ(エ)十Bis solved by the Hermite expansion. Then a fomal linear equation is synthesized asφ=
Aφ十B、 In pracUcal,φ{エ)is approximated by con51de加g up to the N.th order of the Herm e polyno.
mia15. The accuracy of the approximation is improved as」V increases. The inver5e calculation is caπied out by the Newton method.
The numerical examples give us promising results.
題に帰着される。なお,エはφ(エ}の逆変換により求め
1.序鵠 られる。その際逆変換は,非線形方程式の解法である
非線形システムは,現実には何らカ・の意味で線形化さ ニュートン法を用いた.41具馴に対峰種の数囎験
れて解かれる場合が多い。50そこで本稿では,直交多項 を行った。その結畢,エルミート多項式の次数の増加と 式であるエルミート多項式1L引を導入することにより, 共に,線形化近似精度の向上が確かめられた。形式的に線形化する方法について考察した。ダイナミッ
2.解 法
クスが非線形微分方程式工=r〔エ)(・は{ガdいで与えられたとする。エはn次元である。これに対して, η変数実数値関数の非線形微分方程式
・次元の閲数φωを用いて・ ㌍,(エ}エ,〔恥_工古R・ 川 φ(…誓炉警) ω綱{エ}+θ が与えられたとする.ただし岬1よ。次祓_ク
なる線形微分方程式に変換する。このときφ{エ)は,エ リッド空間で、 は可積分の非線形実ベクトル値間数
ルミート多項式系田・(f1, f、,…、r山㌫.....、口..。の線形 である・
結合で構成され,上式の(∂φω1∂」:り・バ対=Aφ(エ} ここで,η次元エルミート多項式系lH(r1,転….
+丑なる偏撒分方程式を解くことにより得られる。こ r副エ順..、_.,.。を導入しよう、重み関数が のφを新しい変数と考えれば,φ=、4φ+Rなる線形問
80 高田 等・内野英治・堀振一郎
・ と表わされるので,これをフーリエ級数表示すれば,
ω(工)=Hω1{エ ) {2}
ト け
σ{エ)ニ Σ] βけ、.ア3,…,rn〕H{r1、ア、,…,ア回Hエ} 00)
r1●r・●…ヰ「n−oただし,
ω1(エ、}一』〕一}。。pl−(エrm、〕112P、1 (,)である・ただし・β{「1・「・一「・}は β{7・117・2,…,rπ)
■ε(一。白,OG), P・>0と記述されるとしよう。この
とき ∫:…∫1輌・・㌦劇H{…凸耐雇・臨一・血
u(_,….㌔〕{エ}−R恥} (、) ∫:…∫:ふ・・・…⊇1底…血
・1
(1D
ただし, なるフーリエ係数である・一方{7)に(8)を代入すれば
Ur {エ )=(一一])F P wω」(エ1} (5}
ロ
を導入すれば,n次元エルミート多項式系 φ{エ)= Σコ 』司丁1, r.,…, rJH{∩, r1.…、 r訊エ)r +r■.… 卓rn−1
1H{r、,f,.…,r訊エ)臣.r、_.。..は, +抽α{0.…,0)+B) 聞
臨ぽ綱一詣・d中 還1;…i昔綱 となる.これは(9)すなわち・⑪と等しいので右辺どうしの
釧r1, r:,…,f.H二τ)に閲する係数比較すなわち
一蕊)・禦
{,)蜘…,。)+⊇….ω一。
個
」4α(ア1,…,rη}一β〔r1,….rn}=OU≦ず、÷…+r.く白。}
で得られる。より詳細には個,鮒式を参照されたい自こ
れを用いて,ωの非線形撒分方程式を によ峠知ベクトル・が定まり・結局{8)のφωが求
まった。その際φ {エ){1≦ ≦π)に対して,1個の任意
φ= 招 {7〕変数が生じるので,例えば
なる線形微分方程式に変換しよう。ただし・ α{0._,0)=[1_1]T {14 φ=〔φ1 φ・ … φ」
とおけばよい廿
まず,1次元エルミート多項式系1月「鵡〕i㌫。を導入す
B=〔bl b1 ・・, bn〕丁
る。重み閲数力q2}より
であるが,A,丑の値については逆変換が可能なよう
に適当1、齢こと1、する。又φにつ、・ては橘φ、ω dエH・刷一{即ト1エ¶)ヲ2pl ・印
』1・2−・}がH(・… …Xエ}によりフ⊃」エ
@のとき.〔6)から 級数表示できるとしよう。すなわちペクトル表現でHo{エ)=1
け
φ{エ}=.画盈,。.。α〔rhrバ パ調〔r‥fパ㌔r・Xエ) 払(エ}=エーm
⑧ 胴一〔エーm)Lρ である。ただし,この時点では係数ベクトルαの値は H・{副=(エーη卍一3(ヱー7π〕ρ 未知である。さて,φ{エ}の時間徹分 コ川を用いて 酬エ〕={エー7π)一6(エーπ11,P+3が
φω一響細+…+∂警砦}鋼皇,ω⑨ 胴=(エー肌)∵(こ二竺竺一謝 個
である昏なお個において,パラメータPをP=⑪とす を用いると
ると,
Hr(エ)=(エー7π)「 聞
となり,φ(エ)のフーリエ級数はテーラー級数に等しく
なる。
エルミート多項式系1∫蝋エ]臣。の次数Nを1次から5 次まで変化したときの本手法による計算値封[)と真価
白1
α1
α】
口4
m°+P 4碑 6ピ O PL 90 …
2而7 2m,十6p 12mj0 24pτ {〕 一一
1 4m 3m‡十15ρ 昂mp 30Pオ …
0 2 6η1 4m1+28ρ 40mp …
0 0 3 8π1 5mユ十45P・・
エωを比較する。 田
非線形撒分方程式としては α。=1とすると臼から次のような連立方程式を得る。虚=ゴ 抽 一 を考える。〔7)において,A=−1, B=0とする。
エ
φ(エ]=Σ〕α.上1.(エ1 {19 P■o
エ ヰコ
ただし.dφ{エ}厄エ=Στα,f∫..1(エ)のとき 「−t
1 0 0 0 0
= m1十P 4mP 6P1 0 ρコー・90 ・ 29π十12打12十6P 12打1P 241]・ 0 ・ 1 47n十1 3m2十15p 24π1p 30ρ「 ・
0 2 6m+14m薯+28P 肋叩 ・
0 0 3 8m+1 5m1十45P・・φ〔エ)一撃ヱー繋}ゴー一φ国 偉d 聞
鋤を次数1〜5について解くと,φ(副は一意に求めら
繋エー艶鞠合・〔エ) 倒れる・また,⑳より
φ{エω)=已r「φ{エω} 幽 とすると
なのでエ{ωを与えると,φ{エ{引}の値が求まる。この値 且9{ヱ〕」∫」エ)顧エ)dエ _ β・=畑.・ωωωdエ をφ(エ{£壮書く・逆変換によるエ川の近似値エωにつ 聞 いては次のように.ニュートン怯iを用いて解く。
ハ ザコ
己≧…白・LH・−1(エ)エ あ「・{エ)ω{エ)dエ ロ甥,鵠より £:Hr3(エ)ω{エ}dエ w
Σα.栂エω}一φ〔エ川}=0 閤 また 「司
なのでその繰り返し式は各1に対し
ピ=H苫{エ)+2η1H1(エ}+m・十P ㈱より・ 酬㌍蜘一琶蠕{1)剛工削 。。
一缶一島一〔∫1買醐1〔工蹴)+・刷工} 恥佐蜘
+㎡+・一⇒/∫:艀{エ)ω肱剖蕊:ラ三蕊)蕊婆慧筆謂
エルミート多項式の3重積分の公式ユ己り とした。
真値エωは,(8〕の場合,解析的に
∫:鍋輪}螺工}ω(エ)dエ
ー1
」ローが聞+止一2s、バ 副)=1一論 ゜噂
1・ 制+此幽又は で与えられる.
>5、」>5,左>s)⑳
82 高田 等・内野英治・堀振一郎
時刻tまでの評価として,誤差の2乗の積分
」ω
川一『{エω一≡〔・)アd・ 1・−4
一1°砦「{エ{.、)一品{τ1))・刀1000 岡 .[
を選んだ・ lr・
重み関数の対称点mとしては,π1=0.5を選んだ。
図弓は,初期値がエ⑪=0.5のときの真値エωと計
算値田引のグラブである。,。τ些レ・!
、st/
/
図 2・蹴P=°{:おけるテーラー級数において・ 1。−1・
初期値がそれぞれ,エ{0}=0.5,0.4のときのZ−」(‡)
のグラフである。
図一4,5は,エルミート多項式系で初期値がそれぞれ
エ(0}=0.5,0.4のときの,p−」{0」〕のグラフである。 10−1ざ
1到一6は、P=0におけるテーラー級数において, T
=0・1におけるエ{°}−」(T〕のグラフである・ 。 。.。, 。.1
図一2 」ωwhenユ{0}=0.51n Taylor sen8s、
xω
0.54
o.52
2nd−order
, 」ω 1『4
拙5也一輌輌輌 ン/
4/ 1r・
/ /
・ 1st−order
/
10−1210−16
1、r・・巴一一
.一 .//婆蝶一
/ ゴ.. 5th
〆 ,φ
〃
!ゾ
O.50 1 1 0 0.1 0,2 0 0.05 0」
図一1Tru6 valu6加d 6v81uat白d v且1凹e8
図一ヨ 」ωwh6n凪Ol=0.41n Taylor 8白蘭8・
wllgnヱ{0)=:0.5in T8y}or{}6dO8,
貞0.1) 」(0.】)
Z 10°
』 圃
10−4 15t−°「de「 /
]o−8 1 u
2nd−ord〔≧r ____一___
、 10 R 3rd−order
1『1コ
41h−−order J
■■■・■■一■輪 10−12 、
5th−order
ユ5t−order
ノ
\ −
/バ誼
1r・ 1r・10−・10−110・♪ 鴫0〕
−4 0 4 図一4』0・1}・臼・sus♪wh白n即}=°・51n 図_6」。.1)一、詞0}1, T、yl。, s9,i。,.
H6mite polynomials,
」0.1}
10 4
10−8
1『12
2nd−ord{1r
3了d−order 、
3.2 2変数の場合
まず,2次元エルミート多項式系田け ,r:}(エ牌,、,,.。
を導入する。{21,{引において.π=2とすると.
∠
4 H(0・0){エ}=1
㌔ 」仔(L⑪)〔エ)=エ1一πIl ・ H〔0.1)(x)=工1一π1:
H{2.⑪}〔エ]==(エ、−7π1}1−Pl l H(L川エ)=(エ1一π111(エ・一肥}
ロ ぞ 1r H(0.2){エ}=(エ1一アn1)1−P2
H(3,0〕{:r〕=〔エt−7π1)]−3(エ1一η11〕P,
正∫(2.1H」ご}=1(エ −fn 1)オーP 1(エま一mま}
H{1.2Xエ}=〔エ1一π11)1〔エΣ一?π7〕1−P」
f{0.3Xエ)=(エビーm1〕,−3{品一m3b,
Jf〔4,0)(エ)==〔エ −7n,) −6(:τ1一πhPPI十3p12 ∫∫(3.P(エ]=1(エ、−m1)L3〔エ1−7n、)P 肛エ2−7n・1 1。一・1。一・1。一・1。一・1。1♪ @ H(2,2)ω一1{エ1−m、戸一・、ll(エ,…・)LPll
H{L3}ω=(エ,−m1}1(エ.−m,}一3(エ・−7η・)P・i
図一5
F1㍑蒜。蒜式゜}=α41n H(・、4)(エ}一』□[−P・1+3・〜
H(5、OXエHエ1−mllL10(エ1−mll P・+15〔エ1−ml)P11
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H(4,1Hエ}=1(品一m1}一6{エ1一π1部p」+3p川{晶一πLJ とする。
H(3・2HエH{エ1−m・)L3〔エrm・〕・・1{{エ・¶・]一P・1 ヱ1一工1−H{仇1)+m,
正「(2・3X工戊=1{エ1−m1)富一PI ll〔エ・一π1・)±−3〔陥一m・)Pd 土3=ε{1_エ1・}エゴ_エ、
ff(1.㎡4 Hエ戊=(エ1−7孔1‖1エ3−7π8}4−6(エ1−7η11)・ρ8十3ρ〜1
=ε11−{H⑩,1Xエ)十m〜1旧(0.1〕〔エ)十m・l H(0・5Hエ)=(エ・−m・)L1°【…m・}エρ・+15』肌・)ρ・
@ −IH(LO)(エ)+mll
随
=E H(2,1〕〔エ)十E2H{1,1}〔エ)十E1∫∫〔2.0}(エ}
十E H〔0,1)(エ}十」E H{1,0}(エ)十E.∫f{0,ω{エ1(401 2次元エルミート多項式1fr(九rオXエ)i㌫,,.。の次数N
ただし,
=ア1+ア,を1次から5次まで変化したときの本手法に
よる計算値ヱと真値エωを比較する。 E,=_ε
非線形微分方程式としては,Van der Polの方程式 E、=−27π1ε ゜ E3=−7π2ε芸一・{1一ピ馨+エー・ ㈱ E、一,(1一ρ1¶1・)
E5=一(2πい77hε十1)
を考える。β4から
E.=ε(1−P1一πhつm,−7π ㈹
に:::一輌_[品_悟汗国一醐・姻は
が得られるぷにおいて ・、(エ)一∂響工1+∂蜜ヱ・
且七 :2〕・一〔1] −1ぶ。A、嚇,郷一L杣1肌1}已1楓1
十1 Σ 此7α {止 ,此・)H(左1,占2−1}}
とすると R,・竃.一・
lEIH 〔2,1}(エ]十E1月「{1.1)(エ)
妾[1::カー己:訂 ㈹ :::::1:::::1:::::::1::::}
ただし ば=1.2) 囮 φ、国=£。、悟。捌。1,。、Hエ) 鱒のβ拓・・)は
rl† ,一●
β力
三念:∴綱 一=∫翌iil蒜芸ご
( =1,2) {43)
砲{エ)一∂砦)島+∂麗…)品一一由{エ)
㈱ 働,㈲,㈹より
φ培{エ)一∂竃i三}島+∂砦)島一一2φ已(エ} , 押
一輌Σ吋f,.r,)H(Th r,Hエ}=Σβ (r、, r,}H〔rl山輪)
となる。 「 ◆皐゜ 1両 ° 自4}
これに, エルミート多項式の三重積分の公式口を用いる
幽一誓]島+繋}毒へ弘・{祠臨綱 と,各・、(角,粥係数は
σ=1,2)働
一
ヨ ロ
L{鵠
ロ,{0.0〕
σ (LO〕
血 lo,!}
…
ロ (14)
α1 α7 … C{.田 C;1 α2 … C;,田 C;t α± … C三.11
α。.1 已。.才 … 窃・.訓 αい1 C;け … α肇.訓
r「吋o、ω ニュートン法を用いて次のように逆変換を行う。舗よ
叫{⑪」} 鮮一小{⊇
. 劔エhエ1旙 αJI,4〕 =
ロま「o,51
ピ
[]
Σα1(r1,r}〕H(行,告託エhエ1}一φt{エ匡.ヱ1=0
一 −1「芝−屯
よ£町コ{吟、rま}聞丁1,r調エ晦崎)一φオ1識瞥品
r・呼r1.卓
鱒
{∫=1.21 昏口
左辺を移項して とおく。
C;1 C;苫 … C;.}1 軌10」}
とするとき
ロ ヨ
c㍍ ・c㌔‥ CLヨ・・{1・4) 三 φ1{8)一註 口{麟±】脚{王性)} 61]
ci、. C;1.言 H・ C』.g1÷夢白 〔(}、5)
∫は.ニュートン法の繰り返L回数で,元P〔引として,
ぱ=1渤 細 託一醐酎を与え,註計鱈る{τ一側。
くi}α f仏ω=1とおくと,(ji}鰺は次のようにな また,真値エ川としては,ルンゲ・クッタ法よ句求
る。 める。α・ α± 一・ α一コ,
CL+』 C㍍ … C;オ】
己1 α1+輌… α.☆
・ ■ , ● ■ +
Ck.苫 ασ.1 … c;o.罰
σ fL⑪1 血,{⑪コ1
叫(2.o}
αよ(0.5}
Cl,÷匡 α.
α,
C;,.、
時刻1までの評魎として、誤差の2乗の積分
」ωイ1(品1・ト云〔・げ+{エ」・}一三油11d・
=1°c/「1{エ,{τ、}一エ,{。、}聞エ,{τ、}一エ.{τ麟丁∫10⑪o よ■
臼
(」=L到 楠 を選人だ。各重み関数の対称点飛,m、としてπ1、=0.5.賄
㈲は寵から,第21行を朗除している。どの行を削除して
=o..05を還んだ。
も・縞市}闇す縫立騰式を作ることができる・
@図,.醐鞭楓、已5.醐一。.。5のときのこれらの操酷}と紬鞠期閲糖与えることを意
卲墲ニ盲酬訓のグラフである.誕一8は顛
味する・結馴を解臓向(MIが求まる・ @ エ、ωと雌猶緬のグラフである。
次数麟・ 図一9、mは、 P1一陪一〇におけるテーラー鯉で
‥・のとき…(・・°}・ {口}α・(°・11 ある.初囎は,図一油・エ11⑪}一・.5.エ,{・〕一・.・5.
押一肋とき・・鵡伽・{1・°〕… ・・{0・2} 図一1。がエ、1。H.ILエ、(昨認としたときの
討一3のとき.・鳳o)・識0ト・一・遮3} ξ_」出のグラフである。㌍4のとき.・諭伽・{L⑪←… ・典4} 図.Uは,エルミート多項式において初期値抵
丹一5のとき.・,{0,0〕・・(LOトー・・(05) エ1(0}一⑪.5.エ,{0}=0.05,および図一12ξま初期値が まで考える。 :吋0}=0、7.訂0}=・0.砺のときの.{p,=p、}−」て0.1}
識より のグラフである。
酬8L幽}一酬輪識{。)}(H2}嬢 図一蹴P・=防=°に耕るテーラー鰍におい
て、エ,⑩1=Tη のときの,却Ol−」{{工1}のゲラフであ エ ⑩},エ}io}を与えると,φ1{エ曇α}.苫μ]}が求まる。 る凸
86 高田 等・内野英治・堀振一郎
エ1ω
0.5025
o.5⑪05
」ω 10−4
/ 1・』8
ノ 匝竺
4d、,5th−order, trUe value
10 1コ
1『16 0.4985
0 0.05 0.1 0 0.05 0.1
図一7 Trug valu8 andθval岨led∨alues 図一9 J竹ノwh部エ1{0}=:0.5and功{0}=0.05 。f町{0}wh・・珂〔0}=0・5and魂{0}=0・05 1. T、yl。, sθH.、.
in Taylo「58d8s.
エメの 0.05
0.03
0.01
一〇,01
1st−order
\
、
1『4
\
∨\、 1r12
2。a_。,d,r ・\咋、 \
3rd、4th、5th−order, 、、
m肥題』e 、、
、
、
、、 10−16
0 ・
0.05 0 ] 0 0・05 0・11 1
図_8丁蝋,訓。a,d。,al、、t。d val、e・ 図一10」ωwh。・』{0}=LO・・d口{0}=0・15 。fΩωwhe圓{0)=0.5前d範{0〕=0』5 1n Tayl。・8・・i…
佃丁8ylo「8e「i68.
]ヨt−order
」(⑪.1)
1⑪゜
』
」(o」)
15t−order .
,。d−。,d,r 1〜 1。一・
一一一 一一一一一一一一 A、
、、「
3rd−order 41h−order
1『8
5th−order角=毎
工.〔o}
_5 0 5 図_11』0.1)v白,su8角r wh・・町(0)−0・5and 図一13」0・1}v6・su・哩(Oll・T・yl。「seTies・
壇{Ol=0.051n Hermlt●polynomla鳳
4.重み関敷mの再構成
』0.1〕
100
2〜3節では.最終時刻丁が小さい場合について考
察した。しかし,Tが大きくなると.エがm点より遠ざかることから誤差が急激に増加する。エがm点か ら離れた時にmを与え直し,フーリエ展開し直す必要 がある。ここでは.一変数でP−oけ一ラー展開)・
, およびB=Oについて再構成法を考える。すなわち
一一一…士9竺一一一一一、、 亡∫〔エ)・ β田
3rd■−order 、
に対し,線形化式は
.…』虹=2∵一一一、、 φ(エ)−Aφ(エ〕 副
5・h−。・d・・ φ〔エω)一・A φ{エ(o)1 臼
である。まず, 1=0,エニm点での級数展間によ
る形式的線形化を行う。(8}に対応する解を角=白
1r・ lr5 10−3 10−1 101 φ(エ)r+α・{エーm)+副工一m) +・・{エーηのコ
図_12川},.,一一酬h・…{・}一・・7・・d +・・{エーml +・・』m〕5+ 6θ
凪0}=0.051n H8rml1白P。lyn。mi日!6・
88 高田 等・内野英治・堀振一郎
とすれば、1=T(0<T≦T〕のとき 」ω
φ{エ{η}=e」「φ〔エ(0)} 聞
である。このときの計算値田ε)を品と群く占すなわち 10−4
φ{エ{T「))=φ{元) {58
である。次にこの王点で線形化し直す。鯛に対し線形
化式を ]0−E
ψ(エ}=Aψ(エ) 15曾
と書く。エ=王点での{8)に対応する形式的線形化関数
を 10一ロ
ψ1エ)=1+β1(エー田+β、(エー5E〕:+β,(エー王〕1
+β、(エー王ド+β、(エー元)5+… (6d
1・・づ三」 !
.z
! ! ・ ♂ 51h−・・oヒτ
とする。本来線形化閲数φ(エ}は定義区問上唯一に定め 0 0.5 1,0 たい。そこで少なくとも孟=丁点で倒から定めた解と 図一14Jrμwh帥ヰ0}=0.521n Taylor 8e閨s,
鵠から定めた解を一致させたいφ故に時刻1=Tの近
傍では,㈹にφ(勤なる定数倍した値鼠目が真値訂引へ近づいていくことがわかる。また,
醐=φ〔輌エ) ㈹ 初酬エ(。}が嘔閲数の対称肋の近傍に選1訊た場
を闘の代わりに用いる。 合において,計算値の精度が良いことが確認できる。な
図一14は,初期値エ{Ol=0.52で最終時間が1秒のと お, p=0のテーラー級数の近傍において計算値の精
きの圭一Jωのグラフである。これは,Tが0.1秒増加 度が安定していることもわかる。
することに,重み間数肌を与え直したときの結果であ
る。 書 考 文 猷
1)末岡清市1叫紐数および直交閲数系 ,コロナ社,1957
5.結言 2〕几M㎜叩湘…A・P・兄lm・冨・・… MATEMATH−
t1ECKH白AHA∫1H3∴Hay槌」963 {宮声敏雄,松野武,
以上,非線形微分方程式に対しエルミート多項式を用 組斎由太郎訳:現代応用数学ハンドブック】・解析学1)
3) LS. Gmd5hteyn.1. M. Pyzhik l匂Table o口ntegmls,
いて,1階偏微分方程式に変換する方法について考察し SeH臼, and Pr[吻ct,㌦ACADEMIC PRESS.1鰯 た。これにより,非線形問題は、線形問題に帰着された。 4)洲之内治掲寺田文行.四条忠雄: FORTRANによる
そ蠣噸と2変数の場合において,さらに具体的 ㍑欝r;嚇蒜㌶、ll;『.綱立端列の
な構成法と例題による数値実験も行った。それによると, 導入による連立線形微分方程式への変換 ,九州工業大学研 考慮するエルミ・一ト多項式の次数の増加とともに,計算 究報告第35号・1977