y"-2y'+1=xsinxの特殊解の求め方がわからないのですが・・・
★希望★完全解答★
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一般解込みで解く場合…、
煩雑な計算だけ、前準備として計算しておきます。
1. ∫sinx・e^(-x)dx
∫sinx・e^(-x)dx
= -sinx・e^(-x) + ∫cosx・e^(-x)dx …(1)
= -sinx・e^(-x) - cosx・e^(-x) - ∫sinx・e^(-x)dx …(2)
(2)より
2∫sinx・e^(-x)dx = -sinx・e^(-x)-cosx・e^(-x)
これより
∫sinx・e^(-x)dx = -\(\frac{1}{2}\)・(sinx+cosx)e^(-x) + C …(3)
2. ∫cosx・e^(-x)dx
(1)より、
∫cosx・e^(-x)dx = sinx・e^(-x) +∫sinx・e^(-x)dx
(3)とあわせて、
∫cosx・e^(-x)dx = \(\frac{1}{2}\)・(sinx-cosx)・e^(-x) + C …(4)
3. ∫x・sinx・e^(-x)dx
∫x・sinx・e^(-x)dx
= -\(\frac{1}{2}\)・x(sinx+cosx)・e^(-x) + \(\frac{1}{2}\)・∫(sinx+cosx)・e^(-x) dx
(3),(4)を適用して
∫x・sinx・e^(-x)dx
= -\(\frac{1}{2}\)・x(sinx+cosx)・e^(-x)
+ \(\frac{1}{4}\)・( -(sinx+cosx)+(sinx-cosx) )・e^(-x) + C
= -\(\frac{1}{2}\)・(xsinx+xcosx+cosx)・e^(-x) + C …(5)
4. ∫x・cosx・e^(-x)dx
∫x・cosx・e^(-x)dx
= \(\frac{1}{2}\)・x(sinx-cosx)・e^(-x) - \(\frac{1}{2}\)・∫(sinx-cosx)・e^(-x) dx
(3),(4)を適用して
∫x・sinx・e^(-x)dx
= \(\frac{1}{2}\)・x(sinx-cosx)・e^(-x)
- \(\frac{1}{4}\)・( -(sinx+cosx)-(sinx-cosx) )・e^(-x) + C
= \(\frac{1}{2}\)・(xsinx-xcosx+sinx)・e^(-x) + C
y''-2y'+y=0 の解の一つは y=\(e^{x}\)
今、y=u・\(e^{x}\) と置く時、与方程式は、
(u・\(e^{x}\))''-2(u・\(e^{x}\))'+u・\(e^{x}\)=xsinx
( u''+2u'+u-2(u'+u)+u )\(e^{x}\)=xsinx
u''・\(e^{x}\)=xsinx
u''=x・sinx・e^(-x)
よって、
u' = ∫x・sinx・e^(-x) dx = -\(\frac{1}{2}\)・(xsinx+xcosx+cosx)・e^(-x) + C
C=-2aと置くと、
u
= -\(\frac{1}{2}\)・∫( (xsinx+xcosx+cosx)・e^(-x)-2a )dx
= -\(\frac{1}{2}\)・( -\(\frac{1}{2}\)・(xsinx+xcosx+cosx)・e^(-x)
+ \(\frac{1}{2}\)・(xsinx-xcosx+sinx)・e^(-x)
+ \(\frac{1}{2}\)・(sinx-cosx)・e^(-x) -2ax ) + b
= -\(\frac{1}{2}\)・( -(xcosx+cosx-sinx)・e^(-x) -2ax ) + b
= \(\frac{1}{2}\)・(xcosx+cosx-sinx)・e^(-x) + ax + b
よって、
y= u・\(e^{x}\) =\(\frac{1}{2}\)・(xcosx+cosx-sinx)+(ax+b)\(e^{x}\)
特殊解に絞って解く場合…
特殊解 y=Axcosx+Bxsinx+Ccosx+Dsinx が存在すると仮定する。
その時、
y'=Bxcosx-Axsinx+(A+D)cosx+(B-C)sinx
y''=-Axcosx-Bxsinx+(2B-C)cosx-(2A+D)sinx
与方程式に代入すると、
-2Bxcosx+2Axsinx-2(A-B+D)cosx-2(A+B-C)sinx=xsinx
よって、
-2B=0, 2A=1, A-B+D=0, A+B-C=0 の時、与方程式を満たす
これを解いて
A=\(\frac{1}{2}\), B=0, C=\(\frac{1}{2}\), D=-\(\frac{1}{2}\)
ゆえに、
y=\(\frac{1}{2}\)・(xcosx+cosx-sinx)
は、与方程式の解である。
後は一般解 (ax+b)\(e^{x}\) を足してあげれば終わり。