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≪定数係数の2階線形微分方程式≫(非同次)
(前頁のまとめ)
■非同次方程式とは
【定数係数の2階線形同次形微分方程式の一般解】 a, bを定数とするとき,微分方程式 y”+ay’+by=0…(1) の一般解は,2次方程式 r2+ar+b=0 …(*) の解によって表すことができ,
1. (*)が異なる2つの実数解p, qをもつとき
となる.
y=C1epx+C2eqx 2. (*)が異なる2つの虚数解h±kiをもつとき y=ehx(C1coskx+C2sinkx) 3. (*)が重解pをもつとき y=epx(C1+C2x)
○ 次の式
y''+P(x)y'+Q(x)y=0 を「2階線形同次微分方程式」というのに対して, y''+P(x)y'+Q(x)y=R(x) を「2階線形非同次微分方程式」といいます. ○ 定数係数の2階線形微分方程式については,同次方程式は次の(1)の形,非同次方程式は(2)の形になります.(a, bは定数の係数) y''+ay'+by=0…(1) y''+ay'+by=R(x)…(2) ⇒ y'', y', y以外に関数R(x)が付いているのが「非同次形」 ○ 微分方程式を満たす1つの解を特殊解(特別解)という.…これはたまたま見つかった1つの解でよい. 非同次方程式(2)の一般解について,次の定理が成り立ちます.
【定理】
(解説)非同次方程式 y''+ay'+by=R(x)…(2) の特殊解に, 同次方程式 y''+ay'+by=0…(1) の一般解を加えると,非同次方程式(2)の一般解が得られます. (2)式の特殊解をy0,(1)の一般解をy1とおくと, y0''+ay0'+by0=R(x) y1''+ay1'+by1=0 したがって,y=y0+y1とおくと, y''+ay'+by =(y0+y1)''+a(y0+y1)'+b(y0+y1) =(y0''+ay0'+by0)+(y1''+ay1'+by1) =R(x) が成り立ち,(1)の一般解y1は任意定数を2つ含んでいるから,このyは(2)の一般解になります. ※ (1)の一般解が上の(まとめ)のように求まるので,非同次方程式(2)の特殊解を(偶然でもよいからとにかく1つ)見つけると,それらの和により非同次方程式(2)の一般解が得られることになります.
【例1】
y''−3y'+2y=1の一般解を求めるには まず,同次方程式y''−3y'+2y=0の一般解を求めると
r2−3r+2=0の解はr=1, 2だから
次に,非同次方程式y''−3y'+2y=1の特殊解を求めると(どのように求めるかは後述)右のまとめ1.により y=C1ex+C2e2x y= ![]() これらの和を作ると,元の方程式の一般解は y= ![]()
【例2】
y''−4y'+4y=xの一般解を求めるには まず,同次方程式y''−4y'+4y=0の一般解を求めると r2−4r+4=0の解はr=2(重解)だから 上のまとめ3.により y=e2x(C1+C2x) 次に,非同次方程式y''−4y'+4y=xの特殊解を求める(どのように求めるかは後述) y= ![]() ![]() これらの和を作ると,元の方程式の一般解は y= ![]() ![]() |
■非同次方程式の特殊解の求め方
上記のように,2階線形非同次微分方程式の一般解を求めるためには,1つの特殊解を求めればよい.
この特殊解(1つの解)を「一発で求めよう」とすると,少し複雑なことを覚えなければならない.ここでは,もう少し気楽に考えて, 1回か2回なら失敗してもよい
と考える(試行錯誤を受け入れる)ことにより,覚えることを減らす作戦とします.
【要点】
(1)
ある関数y,その導関数y'及び第2次導関数y''の定数倍を加えたものは,元の関数yの形を反映している.
したがって,y''+ay'+byがR(x)に等しくなるのは,関数y自身がR(x)の形と深い関係があるときです.
○ yが多項式 ⇒ y', y''も多項式
⇒ y''+ay'+byは多項式 ○ y=ekx ⇒ y'=..ekx, y''=..ekx ⇒ y''+ay'+by=...ekx ○ y=sin kx ⇒ y'=..cos kx, y''=..sin kx ⇒ y''+ay'+by=...sin kx+...cos kx (2) …ここが試行錯誤ありの求め方…運が悪くても,2回の失敗で解答にたどり着けます
1) 多項式,指数関数,三角関数,...
で試してみて未定係数が定まればそれを解答とする. 2) 上記の係数a, b及びkの組合せにより未定係数が定まらないときは, x×多項式,x×指数関数,x×三角関数,... を試してみます. 3) それでもダメなときは, x2×多項式,x2×指数関数,x2×三角関数,... を試してみます. ※ 限りなく続くわけではなく,3)までで解けます.
【例-右辺が多項式のもの1】
(解答)y''+y'+2y=3の1つの特殊解を求めてください. 右辺R(x)=3の形に合わせて y=A の形で試してみる(未定係数Aを求めることが,ここでの目標) y'=0 y''=0 となるから y''+y'+2y=0+0+2A=2A
(検算)
これが3に等しくなるにはy= ![]() y'=y''=0だから y''+y'+2y=0+0+2× ![]() が成り立ちます. 2A=3 A= ![]() ゆえに y= ![]()
【例-右辺が多項式のもの2】
y''+3y'=2の1つの特殊解を求めてください.
y''+ay'+by=c (≠0)(a, b, cは与えられた係数)において,b=0のときは,y=A(Aは未定係数)とおいたとしても,y'=y''=0により
(解答)左辺y''+ay'+by=0+0+bA=bAはc (≠0)に等しくなることはできません. (A= ![]() この場合は,y=Axを試します.
(試してみてダメな部分)
右辺R(x)=2の形に合わせて y=A の形で試してみると, y'=0 y''=0 となるから y''+3y'=0+0となって,どんな定数Aを持ってきてもc (≠0)に等しくなることはできません.
y=Axとおくと
y'=A y''=0 となるから y''+3y'=0+3A=3A これが,右辺の2に等しくなるには 3A=2 A= ![]() ゆえに y= ![]()
(検算)
y= ![]() y'= ![]() y''+3y'=0+3× ![]() が成り立ちます.
【例-右辺が多項式のもの3】
y''+4y'−5y=6x の1つの特殊解を求めてください.
○ 右辺が1次式のときは,一般の1次式y=Ax+Bを試します.
(解答)○ 右辺が2次式のときは,一般の2次式y=Ax2+Bx+Cを試します. ○ 3次以上のときも同様です.
y=Ax+Bとおくと
y'=A y''=0 となるから
y''+4y'−5y
これが,右辺の6xに等しくなるには=0+4A−5(Ax+B) =(−5A)x+(4A−5B) ![]() 4A−5B=0 …(2) A= − ![]() B= − ![]() ゆえに y= − ![]() ![]()
【例-右辺が多項式のもの4】
(解答)y''−3y'+y=2x2 の1つの特殊解を求めてください.
y=Ax2+Bx+Cとおくと
y'=2Ax+B y''=2A となるから
y''−3y'+y
これが,右辺の2x2に等しくなるには=2A−3(2Ax+B)+(Ax2+Bx+C) =Ax2+(−6A+B)x+(2A−3B+C) ![]() −6A+B=0 …(2) 2A−3B+C=0 …(3) A=2, B=12, C=32 ゆえに y=2x2+12x+32 …(答)
【例-右辺が多項式のもの5】
y''−2y'=3x−4 の1つの特殊解を求めてください.
y=Ax+Bとおくと,係数A, Bが定まりませんので,
(解答)y=x(Ax+B)で試します.
y=x(Ax+B)=Ax2+Bxとおくと
y'=2Ax+B y''=2A となるから
y''−2y'
これが,右辺の3x−4に等しくなるには=2A−2(2Ax+B) =(−4A)x+(2A−2B) ![]() 2A−2B=−4 …(2) A=− ![]() ![]() ゆえに y=x(− ![]() ![]() |
○ y=ekxを微分するとy'やy''にekxが登場しますので,R(x)=..ekxのときは,y=Aekxを試してみます
【例-右辺が指数関数のもの1】
(解答)y''+2y'−3y=e2x の1つの特殊解を求めてください.
y=Ae2xとおくと
y'=2Ae2x y''=4Ae2x となるから
y''+2y'−3y
これが,右辺のe2xに等しくなるには=4Ae2x+4Ae2x−3Ae2x=5Ae2x 5A=1 A= ![]() ゆえに y= ![]()
【例-右辺が指数関数のもの2】
(解答)y''−4y'−5y=e5x の1つの特殊解を求めてください.
y''+ay'+by=c edx(a,b,c≠0,d≠0は与えられた定数)
y=Axe5xとおくとにおいて,y=Aedxとおくと y'=dAedx y''=d2Aedx となるから y''+ay'+by=A(d2+ad+b)edx となり,これが方程式の右辺のc edxと等しくなるためには A(d2+ad+b)=c (≠0) でなければなりませんが, d2+ad+b=0 (←dが特性方程式の解であるとき) のときは,係数Aが定まらないので,y=Axedxを試します y'=A(e5x+5xe5x)=Ae5x(1+5x) y''=A(5e5x(1+5x)+e5x(5))=Ae5x(10+25x) となるから
y''−4y'−5y
これが,右辺のe5xに等しくなるには=Ae5x(10+25x−4−20x−5x)=6Ae5x 6A=1 A= ![]() ゆえに y= ![]() ○ sin kxやcos kxを微分するとcos kxとsin kxが交互に登場しますので,R(x)=sin kxだからといって,y=A sin kxだけで解決するとは限らず,R(x)=cos kxだからといって,y=A cos kxだけで解決するとは限りません.特に,b≠0のとき,逆の側が登場します. ⇒ 三角関数が登場する場合には,y=Asin kx+Bcos kxを想定して係数を合わせます.
【例-右辺が三角関数のもの1】
(解答)y''−3y'+2y=20sin 2x の1つの特殊解を求めてください. y=Asin 2x+Bcos 2xとおくと y'=2Acos 2x−2Bsin 2x y''=−4Asin 2x−4Bcos 2x となるから
y''−3y'+2y
=(−4Asin 2x−4Bcos 2x)−3(2Acos 2x−2Bsin 2x) +2(Asin 2x+Bcos 2x) =(−2A+6B)sin 2x+(−6A−2B)cos 2x
(*) 一般に,p,q,r,sが未定係数であるとき,次のように係数比較できます.
これが,右辺の20sin 2xに等しくなるにはp sin nx+q cos nx=0が恒等式(1つのxに対してでなく,すべてのxに対して成り立つとき) ⇔ p=q=0 p sin nx+q cos nx=r sin nx+s cos nxが恒等式 ⇔ p=r, q=s ![]() −6A−2B=0 …(2) A=−1, B=3 ゆえに y=−sin 2x+3cos 2x …(答)
上記の(*)の証明 三角関数の合成公式により p sin nx+q cos nx= ![]() と書けるから,これがつねに0となるのはp=q=0の場合に限る. (別の証明) p sin nx+q cos nx=0がすべてのxに対して成り立つならば,当然x=0, x= ![]() x=0を代入するとq=0
x= ![]()
逆に,p=q=0のときp sin nx+q cos nx=0が成り立つのは明らか.(十分条件も満たす)
(2番目の式)
p sin nx+q cos nx=r sin nx+s cos nx ⇔ (p−r) sin nx+(q−s) cos nx=0だから, 上の結果により p sin nx+q cos nx=r sin nx+s cos nx ⇔ p=r, q=s |
y=1
y=2
y=![]() ![]() ![]()
(選択問題なので,順に代入してもわかりますが,ここでは「未知の関数を求める」という立場で解いてみる.以下の問題も同様)
y=Aとおくと y'=y''=0 となるから y''+2y'+3y=0+0+3A=3A そこで 3A=4 を解きます
y=
y=1
y=−![]() ![]() ![]() ![]() ![]()
y=Aとおくと係数が定まらないので,y=Axとおきます.
このとき y'=A, y''=0 となるから y''−2y'=0−2A そこで −2A=1 を解きます
y=−
![]() y= ![]() ![]() y=e3x y=x e3x y= ![]()
y=Ae3xとおくと
y'=3Ae3x, y''=9Ae3x となるから y''−2y'+y =(9A−6A+A)e3x=4Ae3x そこで 4A=1 を解きます
y=
y=![]() ![]() ![]() ![]() y= ![]() ![]()
この問題のようにenxのn=2が特性方程式d2+ad+b=0の重解になっているときは,y=Ae2xでもy=Axe2xでも係数は定まらず,y=Ax2e2xまで調べる必要があります.
y=Ax2e2xとおくと y'=Ae2x(2x+2x2) y''=Ae2x(2+8x+4x2) となるから y''−4y'+4y=2Ae2x そこで 2A=1 を解きます
y=
![]() |
y=sin 2x
y=![]() ![]() y=− ![]() ![]()
y=Asin 2x+Bcos 2xとおくと
y'=2Acos 2x−2Bsin 2x y''=−4Asin 2x−4Bcos 2x となるから y''+y=(−3A)sin 2x+(−3B)cos 2x そこで ![]() −3B=0 …(2) を解きます
A=−
![]() となるから y=− ![]() ※この問題のようにy'の項がないときは,R(x)と同じ方の1つのy=Asin nxだけでy, y''を合わせることができます. y= ![]() ![]() ![]() ![]() y=− ![]() ![]() ![]() ![]()
y=Asin x+Bcos xとおくと
y'=Acos x−Bsin x y''=−Asin x−Bcos x となるから y''−2y'+3y=(2A+2B)sin x+(−2A+2B)cos x そこで ![]() −2A+2B=1 …(2) を解きます
A=−
![]() ![]() となるから y=− ![]() ![]() |
○ 非同次方程式において,右辺が幾つかの関数の和差及びそれらの定数倍になっているとき,元の非同次方程式の特殊解は,個別に求めた特別解の和差及びそれらの定数倍により求められます.
【重ね合わせの原理】
非同次方程式 y''+ay'+by=R1(x)…(1) の解をy1とし, 非同次方程式 y''+ay'+by=R2(x)…(2) の解をy2とするとき, y=C1y1+C2y2 は,非同次方程式 y''+ay'+by=C1R1(x)+C2R2(x)…(3) の解となる.
例えば,
(証明)y''+ay'+by=4e3x+5cos 2x の特殊解を求めたいとき y''+ay'+by=e3x の特殊解y1と y''+ay'+by=cos 2x の特殊解y2をそれぞれ求めておくと, 元の方程式の解は y=4y1+5y2で得られます. ※ これにより,別々に求めて定数倍の和差を作ればよい. y1''+ay1'+by1=R1(x) y2''+ay2'+by2=R2(x) のとき y=C1y1+C2y2 とおくと y''+ay'+by=(C1y1''+C2y2'') +a(C1y1'+C2y2') +b(C1y1+C2y2) =C1(y1''+ay1'+by1)+C2(y2''+ay2'+by2) =C1R1(x)+C2R2(x) が成り立ちます.
【例】
(解答)y''−4y'+8y=3x+5e2x の1つの特殊解を求めてください. (1) y''−4y'+8y=xの特殊解y1を求める. y1=Ax+Bとおくと y1'=A y''=0 となるから
y1''−4y1'+8y1=−4A+8(Ax+B)=(8A)x+(−4A+8B)
これが,xに等しくなるには![]() −4A+8B=0 A= ![]() ![]() したがって, y1= ![]() ![]() (2) y''−4y'+8y=e2xの特殊解y2を求める. y2=Ae2xとおくと y2'=2Ae2x y''=4Ae2x となるから
y2''−4y2'+8y2=4Ae2x
これが,e2xに等しくなるには4A=1 A= ![]() したがって, y2= ![]() (1)(2)より 3y1+5y2= ![]() ![]() ![]() |
y=![]() ![]() ![]() y= ![]() ![]() ![]() y=2x+3+ ![]() y=2x−3+ex(sin x−cos x)
y''−3y'+2y=xの特殊解を求めると
y1= ![]() ![]() y''−3y'+2y=excos xの特殊解は,右辺の形から Aexsin x+Bexcos xの形で求めます. y2=− ![]() ![]()
4y1−y2=2x+3+ex(sin x+cos x)…(答)
y= ![]() ![]() ![]() y=− ![]() ![]() ![]() y= ![]() ![]() ![]() y=− ![]() ![]() ![]()
y''+3y'−2y=xの1つの特殊解は
y1=− ![]() ![]() y''+3y'−2y=exの1つの特殊解は y2= ![]() y''+3y'−2y=sin xの1つの特殊解は y3=− ![]()
y1+4y2−5y3=−
![]() ![]() ![]() |
○ この頁の先頭部分で述べましたように,非同次方程式の特殊解と同次方程式の一般解がわかれば,非同次方程式の一般解が求められます. ○ 一般解が求まれば,与えられた初期条件を満たす特殊解も求められることになります. y=2+3e−x+C1ex+C2e−2x y=−1− ![]() y=−1− ![]() y=2+3e−x+C1e−x+C2e2x
(1) 同次方程式y''−y'−2y=0の特性方程式
r2−r−2=0 は,異なる2つの実数解r=2, −1を持つから、同次方程式 y''−y'−2y=0 の一般解は C1e−x+C2e2x (2) 非同次方程式 y''−y'−2y=1 の1つの特殊解は y1=− ![]() (3) 非同次方程式 y''−y'−2y=exの1つの特殊解は y2=− ![]()
(1)(2)(3)より,元の方程式の一般解は
2y1+3y2+C1e−x+C2e2x =−1− ![]() y=− ![]() ![]() ![]() y=− ![]() ![]() ![]() y= ![]() ![]() ![]() y= ![]() ![]() ![]()
(1) 同次方程式y''−y=0の特性方程式
r2−1=0 は,異なる2つの実数解r=−1, 1を持つから、同次方程式 y''−y=0 の一般解は C1e−x+C2ex (2) 非同次方程式 y''−y=sin x の1つの特殊解は y1=− ![]() (3) 非同次方程式 y''−y=xの1つの特殊解は y2=−x (1)(2)(3)より,元の方程式の一般解は − ![]()
初期条件を用いて,任意定数C1 ,C2の値を定めると
C1=− ![]() ![]() y=− ![]() ![]() ![]() ※(参考) wxMaximaでこの微分方程式の一般解を求めるには ode2('diff(f(x),x,2)-f(x)=sin(x)+x, f(x),x); と入力します.このとき得られる解は 初期条件を入れて解を求めるには ic2(y=-1/2*sin(x)-x+%k1*%e^(-x)+%k2*%e^x, x=0, y=0, 'diff(y,x)=0); と入力します.このとき得られる解は となります. |
定数係数.2階線形.非同次.微分方程式[例と解]
R(x)が
1. 定数や多項式, 2. 指数関数, 3. 三角関数,
のできるだけ多くの組合せで方程式と一般解を示す.4. これらの組合せ
1.(1)1…R(x)が定数,
一つの特殊解を求める
したがって,一つの特殊解は,
2次方程式
結局,初めの非同次方程式 |
1.(1)2…R(x)が1次式,
一つの特殊解を求める
係数比較により したがって,一つの特殊解は,
2次方程式
結局,初めの非同次方程式 |
1.(2)1…R(x)が2次式,
一つの特殊解を求める
係数比較により したがって,一つの特殊解は, |
1.(3)1…R(x)が2次式,
一つの特殊解を求める
係数比較により したがって,一つの特殊解は, |
2.(1)1…R(x)が指数関数,
一つの特殊解を求める
右辺が
次に,同次方程式係数比較により したがって,一つの特殊解は,
2次方程式
結局,初めの非同次方程式 |
2.(2)1…R(x)が指数関数,
一つの特殊解を求める
右辺が
次に,同次方程式係数比較により したがって,一つの特殊解は,
2次方程式
結局,初めの非同次方程式 |
2.(3)1…R(x)が指数関数,
一つの特殊解を求める
係数比較により したがって,一つの特殊解は, |
3.(1)1…R(x)が三角関数,
一つの特殊解を求める
係数比較により したがって,一つの特殊解は,
2次方程式
結局,初めの非同次方程式 |
3.(2)1…R(x)が三角関数,
一つの特殊解を求める
係数比較により したがって,一つの特殊解は,
2次方程式
結局,初めの非同次方程式 |
3.(3)1…R(x)が三角関数,
一つの特殊解を求める
係数比較により この連立方程式を解くと したがって,一つの特殊解は, |
4.(1)1…R(x)が多項式,指数関数,三角関数の組合せ,
【重ね合わせの原理】を利用して,特殊解を分けて求める(1) 係数比較により この連立方程式を解くと したがって,一つの特殊解は, だから (消せるものは消して簡単にすると) 係数比較により したがって,一つの特殊解は,
2次方程式
結局,初めの非同次方程式 |
4.(2)1…R(x)が多項式,指数関数,三角関数の組合せ,
【重ね合わせの原理】を利用して,特殊解を分けて求める(1) 係数比較により この連立方程式を解くと したがって,一つの特殊解は, だから (消せるものは消して簡単にすると) 係数比較により したがって,一つの特殊解は,
2次方程式
結局,初めの非同次方程式 |
4.(3)1…R(x)が多項式,指数関数,三角関数の組合せ,
を解くと 一つの特殊解は,
4.(3)2…R(x)が多項式,指数関数,三角関数の組合せ,
途中経過を省略すると 一つの特殊解は, |
(参考) 定数係数.2階.線形.微分方程式で右辺の非同次の項R(x)が, などを含んでいると,とても難しい問題になる. 筆算で解くには,次のような結果を覚えていると解けるが,これを自分で思いつくのは大変 の1つの特殊解は この式が解になっていることを確かめるには,実際に
(1)
1つの特殊解は一般解は なお,この積分は初等的には表せない.
(2)
1つの特殊解は一般解は なお,この積分は初等的には表せない.
(3)
1つの特殊解は一般解は なお,この積分は初等的には表せない. |
![]() ![]() |
■[個別の頁からの質問に対する回答][定数係数の2階線形微分方程式(非同次)について/17.7.10]
定数係数の2階非同次微分方程式について、y" +2y' +y = (e^(-x))*ln(x) のような、右辺にln(x)を含む方程式についてはどのようなアプローチをするべきでしょうか。
ln(x)については、解いている感じだとln(x)に対してx^2を乗じた A*(x^2)*ln(x) を特殊解としておくとうまくいっている気がします。しかしln(x)を含む方程式はロンスキアンを用いる解法が良いという話も聞きます。
■[個別の頁からの質問に対する回答][定数係数の2階線形微分方程式(非同次)について/17.7.3]
=>[作者]:連絡ありがとう.右辺に対数関数がある場合も,ロンスキアンも当教材で想定している範囲を超えています. 別頁に解説していますようにwxMaximaをインストールして,wxMaximaを起動し,画面上で空打ちすると入力画面になります.そこで
ode2('diff(y,x,2)+2*'diff(y,x,1)+y =%e^(-1*x)*log(x),y,x); (←diff の前にカンマを忘れないように!)
のように入力すると が得られます.これは を表しています. 【例-右辺が指数関数のもの2】
y''-4y'-5y=e5x
の1つの特殊解を求めてください.
のAは1/4でないでしょうか?
ごかくにんいただけると幸いです。
■[個別の頁からの質問に対する回答][定数係数の2階線形微分方程式(非同次)について/17.5.8]
=>[作者]:連絡ありがとう.教材の途中経過に一部余計な係数が付いていましたが,結果については間違いはありませんでした.A=1/6 定数係数の2階非同次微分方程式について、y"+y=tanx のときは特殊解の候補をどのように置けばいいのでしょうか?
■[個別の頁からの質問に対する回答][定数係数2階線形非同次微分方程式について/16.12.23]
=>[作者]:連絡ありがとう.右辺がtan xの場合は,この頁で想定している初歩的な解き方の範囲外です.すなわち,特殊解を求める簡単な方法がありませんので,そのアプローチでは無理でしょう. 解くためには,一般解を求めてから「定数変化法」を試みることになるでしょう. 同次方程式の一般解は という条件を勝手に追加します.このようにすると,(1)がうまく働いて, (1)(2)より などとなって,理屈の上では解けますが,(3)(4)の計算も結構大変です. 2階線形非同次微分方程式のページの問題5の解答が間違っていると思われますので,確認をお願いします.
■[個別の頁からの質問に対する回答][定数係数の2階線形微分方程式(非同次)について/16.10.27]
=>[作者]:連絡ありがとう.あなたが考える解答をお知らせください. 分かりやすくて助かりました。
ありがとうございました。
=>[作者]:連絡ありがとう. |
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