質問<3010>
「「微分方程式」」
日付 2006/3/5
質問者 デ・ロッシ


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★

お便り
日付 2006/3/20
回答者 angel


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。