質問<2881>
「「微分方程式について」」
日付 2006/1/24
質問者 五十路

次の微分方程式を解け。
1)y’’-2y’+2y=\(e^{x}\)・cosx
2)\(x^{2}\)・y’’+3xy’+y=(\(\frac{1}{1-x})^{2}\)
以上教えて下さい。

★希望★完全解答★

お返事(武田)
日付 2006/2/1
回答者 武田

(1)だけできましたが、(2)は右辺からの特殊解がうまく出せませんので、
途中までです。

(1)
y″-2y′+2y=\(e^{x}\)・cosxは二階線形微分方程式と言います。
まず、補助方程式(左辺=0としたもの)y″-2y′+2y=0の係数が
定数のときは、次のようにして一般解を求めます。

この補助方程式の固有方程式\(m^{2}\)-2m+2=0の判別式から
D=\((-2)^{2}\)-4・1・2=4-8=-4<0
このとき、一般解は、y=\(e^{αx}\)・{Asin(βx)+Bcos(βx)}
となる。ただし、α\(\pm\)βiは固有方程式の解となる。

(D>0のときは、y=A\(e^{mx}\)+B\(e^{nx}\)
         ただし、m,nは固有方程式の解である。
 D=0のときは、y=\(e^{mx}\)・(Ax+B)
         ただし、mは固有方程式の重解である。)
上のAとBは任意の定数

固有方程式\(m^{2}\)-2m+2=0を解くと、m=1\(\pm\)i
よって、α=1、β=1
したがって、一般解は、y=\(e^{x}\)・{Asin(x)+Bcos(x)}となる。

次に、特殊解を求めるのだが、
右辺\(e^{x}\)・cosxからy=\(e^{x}\)・(Esinx+Fcosx)とおいて、
           ^^^^  ^^^^^^^^^^^^^^^
            ↑      ↑
           \(e^{x}\)と同じ  三角関数のときはこの形

これで計算して求めるのだが、うまくいかないときは、次のようにする。
(今回の場合はうまくいかないので次のようにする)
y=x・\(e^{x}\)・(Esinx+Fcosx)とxを前につけて計算する。

y′=\(e^{x}\)・{(E+Ex-Fx)sinx+(F+Fx+Ex)cosx}
y″=\(e^{x}\)・{(2E-2F-2Fx)sinx+(2E+2F+2Ex)cosx}

y″-2y′+2y=\(e^{x}\)・cosxに代入して、
\(e^{x}\)・{(2E-2F-2Fx)sinx+(2E+2F+2Ex)cosx}
  -2\(e^{x}\)・{(E+Ex-Fx)sinx+(F+Fx+Ex)cosx}
    +2x・\(e^{x}\)・(Esinx+Fcosx)=\(e^{x}\)・cosx
左辺を計算した後、左右を見比べて、E=\(\frac{1}{2}\)、F=0
したがって、特殊解はy=x・\(e^{x}\)・\(\frac{1}{2}\)sinx

一般解+特殊解より、
y=\(e^{x}\)・{Asin(x)+Bcos(x)}+\(\frac{1}{2}\)x・\(e^{x}\)・sinx……(答)

(2)
\(x^{2}\)・y″+3xy′+y=\(\frac{1}{(1-x)^{2}}\)
補助方程式\(x^{2}\)・y″+3xy′+y=0の係数がxの関数なので、
(1)のようにはいかない。
そこで、x=\(e^{t}\) とおいて変形する。t=logx
\(\frac{dt}{dx}\)=\(\frac{1}{x}\)
y′=\(\frac{dy}{dx}\)=\(\frac{dy}{dt}\)・\(\frac{dt}{dx}\)=\(\frac{dy}{dt}\)\(\frac{1}{x}\)
したがって、xy′=\(\frac{dy}{dt}\)
同様にして、\(x^{2}\)・y″=\(\frac{d^{2}y}{dt^{2}}\)-\(\frac{dy}{dt}\)

これを代入して、
\(\frac{d^{2}y}{dt^{2}}\)-\(\frac{dy}{dt}\)+3\(\frac{dy}{dt}\)+y=0
\(\frac{d^{2}y}{dt^{2}}\)+2\(\frac{dy}{dt}\)+y=0
固有方程式 \(m^{2}\)+2m+1=0 の判別式D=0より、重解m=-1
したがって、一般解は
y=\(e^{-x}\)・(Ax+B)

右辺\(\frac{1}{(1-x)^{2}}\) から特殊解を出すわけだが、分数関数のときは、
どのようにおくのか、分からないので、ここでストップ………???

お便り
日付 2006/3/30
回答者 こうすけ


再質問:2881の(2)の特殊解についてどなたかわかる方、教えて下さい。

お便り
日付 2006/3/30
回答者 angel

2) x=\(e^{t}\) と置いてしまうと、x<0 の部分を無視する形になってしまうので、
別の考えで行きました。

y=\(\frac{u}{x}\) と置くと、
 y'=\(\frac{u'}{x}\) -\(\frac{u}{x^{2}}\)
 y''=\(\frac{u''}{x}\) - 2\(\frac{u'}{x^{2}}\) + 2\(\frac{u}{x^{3}}\)

これを与方程式に代入、
 \(x^{2}\)(\(\frac{u''}{x}\)-2\(\frac{u'}{x^{2}}\)+2\(\frac{u}{x^{3}}\)) + 3x(\(\frac{u'}{x}\)-\(\frac{u}{x^{2}}\)) + \(\frac{u}{x}\) = \(\frac{1}{(1-x)^{2}}\)
 xu''+u' = \(\frac{1}{(1-x)^{2}}\)

u'=\(\frac{v}{x}\) と置くと、
 u''=\(\frac{v'}{x}\)-\(\frac{v}{x^{2}}\)

これを代入
 x(\(\frac{v'}{x}\)-\(\frac{v}{x^{2}}\))+\(\frac{v}{x}\) = \(\frac{1}{(1-x)^{2}}\)
 v'=\(\frac{1}{(1-x)^{2}}\)

よって、v=\(\frac{1}{1-x}\) + \(C_1\)
u'=\(\frac{v}{x}\)=\(\frac{1}{x(1-x)}\)+ \(C_1\)\(\frac{1}{x}\) = \(\frac{1+C_1}{x}\)+ \(\frac{1}{1-x}\) より
u = (1+\(C_1\))log|x|-log|x-1| + \(C_2\)
A=1+\(C_1\), B=\(C_2\) と置きなおすと、
u = Alog|x|-log|x-1|+B
y = \(\frac{Alog|x|-log|x-1|+B}{x}\)

お便り
日付 2006/9/26
回答者 五十路


どなたか特殊解の解法を教えて下さい。

お便り
日付 2006/10/1
回答者 主夫

angelさんが既に解答されていますが,某テキストに忠実に解いてみます。
カッコの表現がわかりにくいので,一度紙面に書き直してみてください。

(\(x^{2}\))y''+3xy'+y=\(\frac{1}{(1-x)^{2}}\)
この微分方程式はオイラー型微分方程式である。
x=\(e^{t}\) とおいて\(\frac{d}{d}\)x=D を \(\frac{d}{d}\)t=Δ に移せば
(\(x^{2}\))y''+3xy'+y
=(\(x^{2}\))(\(D^{2}\))y+3xDy+y
=Δ(Δ-1)y+3Δy+y
={(Δ+1\()^{2}\)}y
つまり
{(Δ+1\()^{2}\)}y=\(\frac{1}{(1-e^{t})^{2}}\)

{(Δ+1\()^{2}\)}y=0 の一般解\(y_{c}\)は
\(y_{c}\)
=(C1+C2*t)\(e^{-t}\)
=\(\frac{C1+C2*log|x|}{x}\)

次に特殊解\(y_{0}\)は
{(Δ+1\()^{2}\)}\(y_{0}\)=\(\frac{1}{(1-e^{t})^{2}}\)より
\(y_{0}\)
=\(\frac{1}{(Δ+1)^{2}}\)*\(\frac{1}{(1-e^{t})^{2}}\)
=\(\frac{1}{Δ+1}\)*\(\frac{1}{Δ+1}\)*\(\frac{1}{(1-e^{t})^{2}}\)
=\(\frac{1}{Δ+1}\)*\(e^{-t}\)*\(\int\frac{e^{t}}{(1-e^{t})^{2}}\)dt
=\(\frac{1}{Δ+1}\)*\(e^{-t}\)*\(\frac{1}{1-e^{t}}\)
=\(e^{-t}\)*\(\int\frac{(e^{t})*(e^{-t})}{1-e^{t}}\)dt
=\(e^{-t}\)*\(\int\frac{1}{1-e^{t}}\)dt

\(e^{t}\)=uとおいてdt=(\(\frac{1}{e^{t}}\))du=(\(\frac{1}{u}\))duより
\(y_{0}\)
=\(e^{-t}\)*\(\int\frac{1}{u(1-u)}\)du
=\(e^{-t}\)*\(\int(\frac{1}{u}+\frac{1}{1-u}\))du
=\(e^{-t}\)*(log|u|-log|u-1|+C)
=\(e^{-t}\)*(log|\(e^{t}\)|-log|(\(e^{t}\))-1|+C)
=\(\frac{1}{x}\)*(log|x|-log|x-1|+C)

以上から
y
=\(y_{c}\)+\(y_{0}\)
=\(\frac{C_1+C_2*log|x|}{x}\)+(\(\frac{1}{x}\))*(log|x|-log|x-1|+C)

これをまとめて、\(C_1+C=C_3、C_2+1=C_4\)とおくと、
y=\(\frac{C_3+C_4*log|x|-log|x-1|}{x}\)・・・・(答)