物理学のブログ

微分方程式 2階微分方程式 定係数2階微分方程式 初期条件が付く場合の計算、特性方程式、重解、複素数解、三角関数、正弦と余弦、倍角、指数関数

力学・電磁気学・熱力学のための基礎数学 (松下 貢(著)、裳華房)の第3章(微分方程式)、3.3(2階微分方程式)、3.3.2(定係数2階微分方程式)、初期条件が付く場合の計算、問題10の解答を求めてみる。

1

特性方程式。

λ 2 - 4 λ + 3 = 0 ( λ - 1 ) ( λ - 3 ) = 0 λ = 1 , 3

一般解。

y = c 1 e x + c 2 e 3 x
dy dx = c 1 e x + 3 c 2 e 3 x

初期条件より、

c 1 + c 2 = 1 c 1 + 3 c 2 = - 2
2 c 2 = - 3 c 2 = - 3 2 c 1 = 5 2

よって求める特解は、

y = 5 2 e x - 3 2 e 3 x

2

λ 2 - 6 λ + 9 = 0 ( λ - 3 ) 2 = 0 λ = 3
y = ( c 1 + c 2 x ) e 3 x
dy dx = c 2 e 3 x + ( c 1 + c 2 x ) 3 e 3 x
c 1 = - 1 c 2 - 3 = 1 c 2 = 4
y = ( - 1 + 4 x ) e 3 x

3

λ 2 - 4 λ + 8 = 0 λ = 2 ± 4 - 8 = 2 ± 2 i
y = e 2 x ( c 1 cos 2 x + c 2 sin 2 x ) = A e 2 x cos ( 2 x + δ )
dy dx = A ( 2 e 2 x cos ( 2 x + δ ) - 2 e 2 x sin ( 2 x + δ ) ) = 2 A e 2 x ( cos ( 2 x + δ ) - sin ( 2 x + δ ) )
A cos δ = 0 2 A ( cos δ - sin δ ) = 4
cos δ = 0 δ = π 2 + n π - 2 A sin ( π 2 + n π ) = 4 ( - 1 ) n A = - 2 A = - 2 ( - 1 ) n = 2 ( - 1 ) n - 1
y = 2 ( - 1 ) n - 1 e 2 x cos ( 2 x + π 2 + n π )

コード(Wolfram Language)

DSolve[{y''[x] - 4y'[x] + 3y[x] == 0, y[0] == 1, y'[0] == -2}, y[x], x]
Output
y[x_] := 5/2Exp[x] - 3/2Exp[3x]
y[0]
1
y'[0]
-2
y''[x]-4y'[x]+3y[x]
Output
Simplify[%]
0
y[x_] := (-1+4x)Exp[3x]
y''[x]-6y'[x]+9y[x]
Output
Simplify[%]
0
y[0]
-1
y'[0]
1
y[x_] := 2(-1)^(n-1)Exp[2x]Cos[2x+Pi/2+n Pi]
y''[x]-4y'[x]+8y[x]
Output
Simplify[%]
0
y[0]
Output
Simplify[%, Element[n, Integers]]
0
Simplify[y'[0], Element[n, Integers]]
4