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線形微分方程式
Hanpen Robot
3階線形微分方程式 𝑦‴
− 2𝑦″
= 0 を考える.
• 問1:基本解を 𝑦 = 𝑒 𝜆𝑥 とおく. この時,𝑦′, 𝑦″, 𝑦‴を求め
よ!
• 解答
• 普通に指数関数を微分していけばOk.
• よって,以下のようになる
• 𝑦′ = 𝜆𝑒 𝜆𝑥
• 𝑦″
= 𝜆2
𝑒 𝜆𝑥
• 𝑦‴ = 𝜆3 𝑒 𝜆𝑥
3階線形微分方程式 𝑦‴
− 2𝑦″
= 0 を考える.
• 問2:特性方程式𝐿(𝜆)=0を求めよ!
• 解答
• 問1で求めた,𝑦″
= 𝜆2
𝑒 𝜆𝑥
,𝑦‴ = 𝜆3
𝑒 𝜆𝑥
を微分方程式
• 𝑦‴
− 2𝑦″
= 0 に代入して,整理すればOk! つまり・・・
• 𝜆3 𝑒 𝜆𝑥 − 2𝜆2 𝑒 𝜆𝑥 = 0 ⇒ 𝜆3 − 2𝜆2 = 0
• (𝑒 𝜆𝑥 ≠ 0なので 両辺を𝑒 𝜆𝑥で割りました.)
• よって,特性方程式は𝐿(𝜆)=𝜆3
− 2𝜆2
= 0
3階線形微分方程式 𝑦‴
− 2𝑦″
= 0 を考える.
• 問3:基本解を3つ求めよ!
• 解答
• 𝐿(𝜆)=𝜆3 − 2𝜆2 = 𝜆2 𝜆 − 2 = 0
• ∴特性方程式の解は 𝜆 = 0 (2重解), 𝜆 = 2 (1重解)となる.
• あとは,公式(*)を使うだけ.
• ゆえに,基本解は 1, 𝑥, 𝑒2𝑥 となる.
公式(*)
• 特性方程式の解 𝜆 = 𝛼 が1重解なら,
• 基本解𝑦 = 𝑒 𝛼𝑥 が対応する.
• 特性方程式の解 𝜆 = 𝛽 が2重解なら,
• 基本解𝑦 = 𝑒 𝛽𝑥, 𝑦 = 𝑥𝑒 𝛽𝑥 が対応する.
• 公式(*)のポイント
• 特性方程式の解の重複度と,基本解の個数が対応する.
3階線形微分方程式 𝑦‴
− 2𝑦″
= 0 を考える.
• 問4:一般解を求めよ!
• 解答
• 問3で求めた基本解を,適当に定数倍して足せばOk! よって,
• 一般解は 𝑦 = 𝐴 + 𝐵𝑥 + 𝐶𝑒2𝑥
(𝐴, 𝐵, 𝐶 は適当な定数)
3階線形微分方程式 𝑦‴
− 2𝑦″
= 0 を考える.
• 問5:求めた𝑦が微分方程式を満たすか検算せよ!
• 解答
• 一般解は 𝑦 = 𝐴 + 𝐵𝑥 + 𝐶𝑒2𝑥
• 𝑦′
= 𝐵 + 2𝐶𝑒2𝑥
• 𝑦″ = 4𝐶𝑒2𝑥
• 𝑦‴ = 8𝐶𝑒2𝑥
• 𝑦‴
− 2𝑦″
= 8𝐶𝑒2𝑥
− 2 ∙ 4𝐶𝑒2𝑥
= 0
• 確かに,求めた一般解は微分方程式を満たす. 検算終
3階線形微分方程式 𝑦‴
− 2𝑦″
= 0 を考える.
• 問6:初期条件𝑦 0 = 2, 𝑦′ 0 = 4, 𝑦″ 0 = 4 の時の解𝑦を求め
よ!
• 解答
• 𝑦 0 = 𝐴 + 𝐶 = 2 (1)
• 𝑦′(0) = 𝐵 + 2𝐶 = 4 (2)
• 𝑦″(0) = 4𝐶 = 4 (3)
• 上の連立方程式を解いて𝐴, 𝐵, 𝐶 を求めればOk!
• (3)式から,𝐶 = 1 そんで, 𝐴, 𝐵を求めると・・・
3階線形微分方程式 𝑦‴
− 2𝑦″
= 0 を考える.
• 問6:初期条件𝑦 0 = 2, 𝑦′ 0 = 4, 𝑦″ 0 = 4 の時の解𝑦を求め
よ!
• 解答
• 𝐴 = 1, 𝐵 = 2, 𝐶 = 1
• ∴𝑦 = 1 + 2𝑥 + 𝑒2𝑥
END

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  • 2. 3階線形微分方程式 𝑦‴ − 2𝑦″ = 0 を考える. • 問1:基本解を 𝑦 = 𝑒 𝜆𝑥 とおく. この時,𝑦′, 𝑦″, 𝑦‴を求め よ! • 解答 • 普通に指数関数を微分していけばOk. • よって,以下のようになる • 𝑦′ = 𝜆𝑒 𝜆𝑥 • 𝑦″ = 𝜆2 𝑒 𝜆𝑥 • 𝑦‴ = 𝜆3 𝑒 𝜆𝑥
  • 3. 3階線形微分方程式 𝑦‴ − 2𝑦″ = 0 を考える. • 問2:特性方程式𝐿(𝜆)=0を求めよ! • 解答 • 問1で求めた,𝑦″ = 𝜆2 𝑒 𝜆𝑥 ,𝑦‴ = 𝜆3 𝑒 𝜆𝑥 を微分方程式 • 𝑦‴ − 2𝑦″ = 0 に代入して,整理すればOk! つまり・・・ • 𝜆3 𝑒 𝜆𝑥 − 2𝜆2 𝑒 𝜆𝑥 = 0 ⇒ 𝜆3 − 2𝜆2 = 0 • (𝑒 𝜆𝑥 ≠ 0なので 両辺を𝑒 𝜆𝑥で割りました.) • よって,特性方程式は𝐿(𝜆)=𝜆3 − 2𝜆2 = 0
  • 4. 3階線形微分方程式 𝑦‴ − 2𝑦″ = 0 を考える. • 問3:基本解を3つ求めよ! • 解答 • 𝐿(𝜆)=𝜆3 − 2𝜆2 = 𝜆2 𝜆 − 2 = 0 • ∴特性方程式の解は 𝜆 = 0 (2重解), 𝜆 = 2 (1重解)となる. • あとは,公式(*)を使うだけ. • ゆえに,基本解は 1, 𝑥, 𝑒2𝑥 となる.
  • 5. 公式(*) • 特性方程式の解 𝜆 = 𝛼 が1重解なら, • 基本解𝑦 = 𝑒 𝛼𝑥 が対応する. • 特性方程式の解 𝜆 = 𝛽 が2重解なら, • 基本解𝑦 = 𝑒 𝛽𝑥, 𝑦 = 𝑥𝑒 𝛽𝑥 が対応する. • 公式(*)のポイント • 特性方程式の解の重複度と,基本解の個数が対応する.
  • 6. 3階線形微分方程式 𝑦‴ − 2𝑦″ = 0 を考える. • 問4:一般解を求めよ! • 解答 • 問3で求めた基本解を,適当に定数倍して足せばOk! よって, • 一般解は 𝑦 = 𝐴 + 𝐵𝑥 + 𝐶𝑒2𝑥 (𝐴, 𝐵, 𝐶 は適当な定数)
  • 7. 3階線形微分方程式 𝑦‴ − 2𝑦″ = 0 を考える. • 問5:求めた𝑦が微分方程式を満たすか検算せよ! • 解答 • 一般解は 𝑦 = 𝐴 + 𝐵𝑥 + 𝐶𝑒2𝑥 • 𝑦′ = 𝐵 + 2𝐶𝑒2𝑥 • 𝑦″ = 4𝐶𝑒2𝑥 • 𝑦‴ = 8𝐶𝑒2𝑥 • 𝑦‴ − 2𝑦″ = 8𝐶𝑒2𝑥 − 2 ∙ 4𝐶𝑒2𝑥 = 0 • 確かに,求めた一般解は微分方程式を満たす. 検算終
  • 8. 3階線形微分方程式 𝑦‴ − 2𝑦″ = 0 を考える. • 問6:初期条件𝑦 0 = 2, 𝑦′ 0 = 4, 𝑦″ 0 = 4 の時の解𝑦を求め よ! • 解答 • 𝑦 0 = 𝐴 + 𝐶 = 2 (1) • 𝑦′(0) = 𝐵 + 2𝐶 = 4 (2) • 𝑦″(0) = 4𝐶 = 4 (3) • 上の連立方程式を解いて𝐴, 𝐵, 𝐶 を求めればOk! • (3)式から,𝐶 = 1 そんで, 𝐴, 𝐵を求めると・・・
  • 9. 3階線形微分方程式 𝑦‴ − 2𝑦″ = 0 を考える. • 問6:初期条件𝑦 0 = 2, 𝑦′ 0 = 4, 𝑦″ 0 = 4 の時の解𝑦を求め よ! • 解答 • 𝐴 = 1, 𝐵 = 2, 𝐶 = 1 • ∴𝑦 = 1 + 2𝑥 + 𝑒2𝑥
  • 10. END