パンルヴェ方程式

数学においてパンルヴェ方程式（パンルヴェほうていしき、テンプレート:Lang）は、（動く特異点が極であるという）パンルヴェ性 テンプレート:Lang を備えた特定の種類の二階非線型の複素常微分方程式である。パンルヴェ方程式は一般には初等関数の範囲で解くことはできず、パンルヴェ方程式の解としてパンルヴェ超越関数 テンプレート:Lang と呼ばれる複素変数の特殊関数が定義される。名の由来は後にフランス首相の座に就くポール・パンルヴェの著した論文 テンプレート:Harvs から。

歴史

パンルヴェ超越関数の起源は、常微分微分方程式の解としてしばしば現れる特殊関数の研究および、線型常微分方程式の等モノドロミー変形の研究にある。たとえば楕円関数などは特殊関数のクラスのなかでも特に有用なものの一つである。パンルヴェ超越関数は、方程式の特異点がパンルヴェ性を満たす二階常微分方程式の解として定められる。ここで、パンルヴェ性とは「動く特異点は極に限る」というものである。線型常微分方程式はつねにパンルヴェ性を持つが、非線型方程式でパンルヴェ性を持つものは稀である。アンリ・ポアンカレとラザルス・フックスはパンルヴェ性を持つ一階方程式が、必ずワイエルシュトラス方程式かリッカチ方程式に変形できることを示した（これらの方程式は求積法と既知の特殊関数によって明示的に解ける）。エミール・ピカールは一階よりも高階の動く真性特異点をもつ方程式に着目して、パンルヴェ性をもつ新たな例を探ろうとしたが失敗に終わっている（二階より高階の方程式では、解が動く自然境界を持ち得る）。1900年頃に、ポール・パンルヴェは動く特異点を持たない二階常微分方程式を研究していて、そのような方程式で有理関数 R を用いて

$y^{″}=R(y^{\prime },y,t)$

の形に表されるものは、適当な変形を加える違いを除けば50個の「標準形」で表せることを発見した（一覧表が テンプレート:Harv にある）。さらに テンプレート:Harvs では、先の50の「標準形」のうちの44個については既知の関数を用いて解けるので削減できることが判明し、解を表すのに新たな特殊関数の導入を必要とする方程式として残るのはわずか6個だけであることを示した（実はパンルヴェの成果にはいくつかの計算間違いがあり、のちに弟子のガンビエとフックスによって修正されている）。それ以後長らくの間、これら6個の方程式が一般のパラメータの値に対してこれ以上の簡約が不能であるかどうか（特殊なパラメータの値については、方程式が簡約化されてしまう場合もある。後述）ということが議論となる未解決問題であったが、最終的には テンプレート:Harvtxt および テンプレート:Harvs によって解決された。これら6つの非線型二階常微分方程式はパンルヴェ方程式と呼ばれ、それらの解はパンルヴェ超越関数と呼ばれる。

パンルヴェが見逃していた最も一般の形の第六方程式は、1905年に（ラザルス・フックスの息子）リチャード・フックスによって、モノドロミーを保つ変形のもとで P¹ 上に4つの正常特異点をもつ二階のフックス型方程式の特異性によって満たされる微分方程式として発見された。これは テンプレート:Harvs でパンルヴェ方程式のリストに加えられている。

パンルヴェの結果をより高階の方程式に対して拡張する試みがテンプレート:Harvsでなされて、パンルヴェ性を満たす三階の方程式がいくつか発見されている。

テンプレート:Anchorsパンルヴェ方程式の分類

以下の6種類の方程式に、伝統的にパンルヴェ I から VI までの番号が振られている（括弧内は発見者）。

I (Painlevé)

$\frac{d^{2}y}{d{t}^2}=6y^2+t$

II (Painlevé)

$\frac{d^{2}y}{d{t}^2}=2y^3+ty+\alpha$

III (Painlevé)

$\frac{d^{2}y}{d{t}^2}=\frac{1}{y}{\left(\frac{dy}{dt}\right)}^2-\frac{1}{t}\frac{dy}{dt}+\frac{1}{t}(\alpha y^2+\beta )+\gamma y^3+\frac{\delta }{y}$

IV (Gambier)

$\frac{d^{2}y}{d{t}^2}=\frac{1}{2y}{\left(\frac{dy}{dt}\right)}^2+\frac{3}{2}{y}^3+4t{y}^2+2(t^2-\alpha )y+\frac{\beta }{y}$

V (Gambier)

$\begin{array}{cc}\frac{d^{2}y}{d{t}^2}& =(\frac{1}{2y}+\frac{1}{y-1}){\left(\frac{dy}{dt}\right)}^2-\frac{1}{t}\frac{dy}{dt}\\ & +\frac{(y-1{)}^2}{t}(\alpha y+\frac{\beta }{y})+\gamma \frac{y}{t}+\delta \frac{y(y+1)}{y-1}\end{array}$

VI (R. Fuchs)

$\begin{array}{cc}\frac{d^{2}y}{d{t}^2}& =\frac{1}{2}(\frac{1}{y}+\frac{1}{y-1}+\frac{1}{y-t}){\left(\frac{dy}{dt}\right)}^2-(\frac{1}{t}+\frac{1}{t-1}+\frac{1}{y-t})\frac{dy}{dt}\\ & +\frac{y(y-1)(y-t)}{t^2(t-1{)}^2}\{\alpha +\beta \frac{t}{y^2}+\gamma \frac{t-1}{(y-1{)}^2}+\delta \frac{t(t-1)}{(y-t{)}^2}\}\end{array}$

ここでパラメータ α, β, γ, δ は複素定数である。III-型方程式では y と t をスケール変換してパラメータをふたつ減らすことができ、同様に V-型はパラメータをひとつ減らせる。つまりこれらの方程式では本当の意味での独立なパラメータはそれぞれ2つ、および3つである。

特異点

パンルヴェ方程式が持ち得る特異点は次のようなものである。

• 動く極
• 無限遠点 ∞
• 点 0 （III, V, VI-型）
• 点 1 （VI-型）

パンルヴェ I-型では、特異点は動く二位の極か留数 0 の点になり、その解は複素平面上にそのような極を無限個持つ。z₀ に二位の極を持つ関数は、z₀ の近傍で収束するローラン展開

$(z-z_0{)}^{-2}-\frac{z_0}{10}(z-z_0{)}^2-\frac{1}{6}(z-z_0{)}^3+h(z-z_0{)}^4+\frac{z_0^2}{300}(z-z_0{)}^6+\cdots$

をもつ（h は適当な複素数）。極の場所は テンプレート:Harvs に詳しく載っている。半径 R の球に含まれる極の数は、だいたい R^5/2 の定数倍程度増加する。

II-型では全ての特異点が（動く）一位の極である。

テンプレート:Anchorsパンルヴェ系の退化の系列

パンルヴェ I から V まではパンルヴェ VI の退化した場合になっている。もう少し詳しくは、以下の図式の如くだが、この図式は対応するガウスの超幾何関数の退化の系列をも与えている。

				III Bessel
			$\nearrow$		$\searrow$
VI Gauss	→	V Kummer				II Airy	→	I None
			$\searrow$		$\nearrow$
				IV Hermite-Weber

ハミルトン系

パンルヴェ方程式は何れもハミルトン系として表現することができる。

例:

$q=y,p=y^{\prime }+y^2+t/2$

とおくと、パンルヴェ II 方程式

$y^{″}=2y^3+ty+b-1/2$

はハミルトニアン

$H=p(p-2q^2-t)/2-bq$

に対するハミルトン系

$q^{\prime }=\frac{\partial H}{\partial p}=p-q^2-t/2$

$p^{\prime }=-\frac{\partial H}{\partial q}=2pq+b$

に同値である。

テンプレート:Anchorsパンルヴェ系の対称性

テンプレート:仮リンクは独立変数・従属変数を変換して、微分方程式を相似な微分方程式に変換するものだが、パンルヴェ方程式は何れもベックルント変換からなる離散群の作用を持ち、ベックルント変換によりパンルヴェ方程式の既知の解から別の新しい解を得ることができる。

テンプレート:Anchorsパンルヴェ I の例

パンルヴェ第 I 方程式

$y^{″}=6y^2+t$

の解全体の成す集合には位数 5 の対称性を持つ変換 y → ζ³y, t → ζt が作用する（ここで ζ は 1 の5乗根）。この変換で不変な解が二つあり、ひとつは原点 0 に二位の極をもち、いま一つは原点 0 に三位の零点をもつ。

テンプレート:Anchorsパンルヴェ II の例

パンルヴェ II-型方程式

$y^{″}=2y^3+ty+b-1/2$

のハミルトニアンによる定式化

$q=y,p=y^{\prime }+y^2+t/2$

において二種類のベックルント変換が

$(q,p,b)\to (q+b/p,p,-b)$

および

$(q,p,b)\to (-q,-p+2q^2+t,1-b)$

で与えられる。これらは共に位数 2 の変換でベックルント変換からなる無限二面体群（後述するように、これは実は A₁-型のアフィンワイル群である）を生成する。b = 1/2 ならば方程式は y = 0 を解に持つ。これにベックルント変換を施せば、

y = 1/t, y = 2(t³−2)/t(t³−4), ...

のように有理関数の無限族が得られる。岡本和夫は、各パンルヴェ方程式のパラメータ空間を半単純リー環のカルタン部分環に同一視することができ、そこでのアフィンワイル群の作用をパンルヴェ方程式のベックルント変換に持ち上げられることを発見した。P_I, P_II, P_III, P_IV, P_V, P_VI に対応するリー環はそれぞれ 0, A₁, A₁⊕A₁, A₂, A₃, D₄ である。

他分野との関係

求積可能な偏微分方程式系はすべてパンルヴェ方程式に帰着できる（テンプレート:Harvsを見よ）。

自己双対ヤン＝ミルズ方程式はすべてパンルヴェ方程式に帰着される。

パンルヴェ方程式は、非対称単純排他過程、二次元イジング模型、テンプレート:仮リンクの定式化におけるランダム行列理論や、二次元の量子重力論などにも現れる。

参考文献

• テンプレート:SpringerEOM
• テンプレート:Citation
• テンプレート:Citation
• テンプレート:Citation
• テンプレート:Dlmf
• テンプレート:Citation
• Robert M. M. Conte:The Painlevé Handbook, Springer, テンプレート:ISBN2, (2014).
• Robert M. M. Conte:The Painlevé Handbook, Springer; 2nd ed, ISBN 978-3030533397, (2022).
• テンプレート:Citation See sections 7.3, chapter 8, and the Appendices
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• テンプレート:Citation.
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• Martin A. Guest , Claus Hertling: Painlevé III: A Case Study in the Geometry of Meromorphic Connections, Springer, LNM, vol.2198, ISBN 9783319665269, (2017).
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• Alexander R. Its, Victor Yu. Novokshenov: The Isomonodromic Deformation Method in the Theory of Painlevé Equations, Springer, LNM 1191, ISBN 9783540398233, (1986).
• テンプレート:Citation
• Katsunori Iwasaki, Hironobu Kimura, Shun Shimomura, and Masaaki Yoshida: From Gauss to Painlevé: A Modern Theory of Special Functions, Springer, ISBN 978-3-322-90163-7 (1991).
• テンプレート:Citation
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• テンプレート:Citation
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• テンプレート:SpringerEOM
• テンプレート:Citation
• テンプレート:Citation

和書

• 岡本和夫 (1985)：「パンルヴェ方程式序説」、上智大学数学講究録、19.
• 野海正俊 (2000)：「パンルヴェ方程式-対称性からの入門」、すうがくの風景 4、朝倉書店、ISBN 978-4-254-11554-3.
• 野海正俊："パンルヴェ方程式とは？：対称性の観点から"；上野健爾、志賀浩二、砂田利一（編）：『現代数学の展望』、日本評論社、ISBN 4-535-78332-2 (2001年8月10日)、頁131－149。
• 岡本和夫：「パンルヴェ方程式」、岩波書店、ISBN 978-4-00-005836-0 (2009年9月25日).
• 眞野智行：「平坦構造と複素鏡映群・パンルヴェ方程式」、森北出版、ISBN 978-4-627-08381-3（2022年12月）.

外部リンク

• Kanehisa Takasaki Painlevé Equations
• テンプレート:Mathworld
• テンプレート:Mathworld
• テンプレート:Cite journal
• テンプレート:Cite journal
• テンプレート:Cite journal

関連項目

• ガルニエ系
• 複素微分方程式
• 超幾何微分方程式