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 非同次方程式の解法、未定係数法による解法 累乗、指数関数、三角関数、正弦と余弦、積

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)、(3)非同次方程式の解法、未定係数法による解法、問題11の解答を求めてみる。

1

特解の1つを

y p = a 0 + a 1 x + a 2 x 2

と推測。

dy p dx = a 1 + 2 a 2 x
d 2 y p dx 2 = 2 a 2
2 a 2 - 5 ( a 1 + 2 a 2 x ) + 4 ( a 0 + a 1 x + a 2 x 2 ) = x 2

これがすべてのx に対して成り立つには、

a 2 = 1 4
4 a 1 - 5 2 = 0 a 1 = 5 8
4 a 0 - 25 8 + 1 2 = 0 a 0 = 21 32

よって、

y p = 21 32 + 5 8 x + 1 4 x 2

同次微分方程式

y ' ' - 5 y ' + 4 y = 0

の特性方程式の解は、

λ 2 - 5 λ + 4 = 0 ( λ - 1 ) ( λ - 4 ) = 0 λ = 1 , 4

よって同次微分方程式の一般解は、

y g = c 1 e x + c 2 e 4 x

よって、 求める問題の非同次方程式の一般解は、

y = y p + y q = 21 32 + 5 8 x + 1 4 x 2 + c 1 e x + c 2 e 4 x

実際に確認。

1 2 + c 1 e x + 16 c 2 e 4 x - 5 ( 5 8 + 1 2 x + c 1 e x + 4 c 2 e 4 x ) + 1 4 ( 21 32 + 5 8 x + 1 4 x 2 + c 1 e x + c 2 e ) = x 2

2

y p = a e 2 x
4 a e 2 x - 4 a e 2 x + 2 a e 2 x = e 2 x
2 a = 1 a = 1 2
λ 2 - 2 λ + 2 = 0
λ = 1 ± 1 - 2 = 1 ± i
y g = e x ( C 1 cos x + C 2 sin x )
y = 1 2 e 2 t + e x ( C 1 cos x + C 2 sin x )

3

y p = A cos x + B sin x
- A cos x - B sin x - 6 ( - A sin x + B cos x ) + 8 ( A cos x + B sin x ) = cos x
- A - 6 B + 8 A = 1 - B + 6 A + 8 B = 0
7 A - 6 B = 1 6 A + 7 B = 0
42 A - 36 B = 6 42 A + 49 B = 0
13 B = 6 B = - 6 85 A = 7 6 · 6 85 = 7 85
y p = 7 85 cos x - 6 85 sin x
λ 2 - 6 λ + 8 = 0 ( λ - 2 ) ( λ - 4 ) = 0 x = 2 , 4
y g = c 1 e 2 x + c 2 e 4 x
y = 7 85 cos x - 6 85 sin x + c 1 e 2 x + c 2 e 4 x

4

y p = ( A cos x + B sin x ) e x
dy p dx = ( - A sin x + B cos x ) e x + ( A cos x + B sin x ) e x
= ( ( A + B ) cos x + ( B - A ) sin x ) e x
d 2 y p dx 2 = ( ( - A - B ) sin x + ( B - A ) cos x ) e x + ( ( A + B ) cos x + ( B - A ) sin x ) e x
= ( 2 B cos x - 2 A sin x ) e x
2 B + 5 ( A + B ) + 6 A = 0 - 2 A + 5 ( B - A ) + 6 B = 1
11 A + 7 B = 0 - 7 A + 11 B = 1
B = - 11 7 A
- 7 A - 121 7 A = 1
- 170 7 A = 1
A = - 7 170
B = 11 170
y p = ( - 7 170 cos x + 11 170 sin x ) e x
λ 2 + 5 λ + 6 = 0 λ = - 5 ± 25 - 24 2 = - 3 , - 2
y g = c 1 e - 3 x + c 2 e - 2 x
y = ( - 7 170 cos x + 11 170 sin x ) e x + c 1 e - 3 x + c 2 e - 2 x

コード(Wolfram Language)

y[x_] := 1/2 Exp[2x]+Exp[x](c1 Cos[x] + c2 Sin[x])
y''[x] -2y'[x]+2y[x] // Simplify
Output
y[x_] := 7/85 Cos[x]-6/85 Sin[x]+c1 Exp[2x] + c2 Exp[4x]
y''[x]-6y'[x]+8y[x] // Simplify
Output
y[x_] := (-7/170 Cos[x] + 11/170 Sin[x]) Exp[x] + c1 Exp[-3x] + c2 Exp[-2x]
y''[x] + 5y'[x] + 6y[x] // Simplify
Output