ブリタニカ国際大百科事典 小項目事典 「線形微分方程式」の解説 線形微分方程式 せんけいびぶんほうていしき linear differential equation 微分 方程式 d x / dt = f ( t , x) で f が x に関して1次のとき,すなわち f ( t , x)= A ( t) x + b ( t) の形のとき,線形という。連立をやめて,高階の形で書けば の形のものである。 偏微分方程式 でも,未知関数およびその 微分 に関する1次式になっている場合に 線形 という。基本的な変化のパターンは,線形 微分方程式 で考えられるので,線形微分方程式が方程式の基礎となるが,さらに現実には 非線形 の 現象 による特異な状況を考慮しなければならない。むしろ,線形問題に関しては構造が明らかになっているので,それを基礎として非線形問題になるともいえる。 出典 ブリタニカ国際大百科事典 小項目事典 ブリタニカ国際大百科事典 小項目事典について 情報 ©VOYAGE MARKETING, Inc. All rights reserved.
= e 6x +C y=e −2x { e 6x +C}= e 4x +Ce −2x …(答) ※正しい 番号 をクリックしてください. それぞれの問題は暗算では解けませんので,計算用紙が必要です. ※ブラウザによっては, 番号枠の少し上の方 が反応することがあります. 【問題1】 微分方程式 y'−2y=e 5x の一般解を求めてください. 1 y= e 3x +Ce 2x 2 y= e 5x +Ce 2x 3 y= e 6x +Ce −2x 4 y= e 3x +Ce −2x ヒント1 ヒント2 解答 ≪同次方程式の解を求めて定数変化法を使う場合≫ 同次方程式を解く:. =2y. =2dx. =2 dx. log |y|=2x+C 1. |y|=e 2x+C 1 =e C 1 e 2x =C 2 e 2x. y=±C 2 e 2x =C 3 e 2x そこで,元の非同次方程式の解を y=z(x)e 2x の形で求める. 積の微分法により y'=z'e 2x +2e 2x z となるから. z'e 2x +2e 2x z−2ze 2x =e 5x. 一階線型微分方程式とは - 微分積分 - 基礎からの数学入門. z'e 2x =e 5x 両辺を e 2x で割ると. z'=e 3x. z= e 3x +C ≪(3)または(3')の結果を使う場合≫ P(x)=−2 だから, u(x)=e − ∫ (−2)dx =e 2x Q(x)=e 5x だから, dx= dx= e 3x dx. = e 3x +C y=e 2x ( e 3x +C)= e 5x +Ce 2x になります.→ 2 【問題2】 微分方程式 y' cos x+y sin x=1 の一般解を求めてください. 1 y= sin x+C cos x 2 y= cos x+C sin x 3 y= sin x+C tan x 4 y= tan x+C sin x 元の方程式は. y'+y tan x= と書ける. そこで,同次方程式を解くと:. =−y tan x tan x= =− だから tan x dx=− dx =− log | cos x|+C. =− tan xdx. =− tan x dx. log |y|= log | cos x|+C 1. = log |e C 1 cos x|. |y|=|e C 1 cos x|. y=±e C 1 cos x. y=C 2 cos x そこで,元の非同次方程式の解を y=z(x) cos x の形で求める.
普通の多項式の方程式、例えば 「\(x^2-3x+2=0\) を解け」 ということはどういうことだったでしょうか。 これは、与えられた方程式を満たす \(x\) を求めるということに他なりません。 一応計算しておきましょう。「方程式 \(x^2-3x+2=0\) を解け」という問題なら、 \(x^2-3x+2=0\) を \((x-1)(x-2)=0\) と変形して、この方程式を満たす \(x\) が \(1\) か \(2\) である、という解を求めることができます。 さて、それでは「微分方程式を解く」ということはどういうことでしょうか? これは 与えられた微分方程式を満たす \(y\) を求めること に他なりません。言い換えると、 どんな \(y\) が与えられた方程式を満たすか探す過程が、微分方程式を解くということといえます。 では早速、一階線型微分方程式の解き方をみていきましょう。 一階線形微分方程式の解き方
例題の解答 以下の は定数である。これらは微分方程式の初期値が与えられている場合に求めることができる。 例題(1)の解答 を微分方程式へ代入して特性方程式 を得る。この解は である。 したがって、微分方程式の一般解は 途中式で、以下のオイラーの公式を用いた オイラーの公式 例題(2)の解答 したがって一般解は *指数関数の肩が実数の場合はこのままでよい。複素数の場合は、(1)のようにオイラーの関係式を使うと三角関数で表すことができる。 **二次方程式の場合について、一方の解が複素数であればもう一方は、それと 共役な複素数 になる。 このことは方程式の解の形 より明らかである。 例題(3)の解答 特性方程式は であり、解は 3. これらの微分方程式と解の意味 よく知られているように、高校物理で習うニュートンの運動方程式 もまた2階線形微分方程式である。ここで扱った4つの解のタイプは「ばねの振動運動」に関係するものを選んだ。 (1)は 単振動 、(2)は 過減衰 、(3)は 減衰振動 である。 詳細については、初期値を与えラプラス変換を用いて解いた こちら を参照されたい。 4. まとめ 2階同次線形微分方程式が解ければ 階同次線形微分方程式も解くことができる。 この次に学習する内容としては以下の2つであろう。 定数係数のn階同次線形微分方程式 定数係数の2階非同次線形微分方程式 非同次系は特殊解を求める必要がある。この特殊解を求める作業は、場合によっては複雑になる。
ここでは、特性方程式を用いた 2階同次線形微分方程式 の一般解の導出と 基本例題を解いていく。 特性方程式の解が 重解となる場合 は除いた。はじめて微分方程式を解く人でも理解できるように説明する。 例題 1.
定数変化法は,数学史上に残るラグランジェの功績ですが,後からついていく我々は,ラグランジェが発見した方法のおいしいところをいただいて,節約できた時間を今の自分に必要なことに当てたらよいと割り切るとよい. ただし,この定数変化法は2階以上の微分方程式において,同次方程式の解から非同次方程式の解を求める場合にも利用できるなど適用範囲の広いものなので,「今度出てきたら,真似してみよう」と覚えておく値打ちがあります. (4)式において,定数 C を関数 z(x) に置き換えて. u(x)=e − ∫ P(x)dx は(2)の1つの解. y=z(x)u(x) …(5) とおいて,関数 z(x) を求めることにする. 積の微分法により: y'=(zu)'=z'u+zu' だから,(1)式は次の形に書ける.. z'u+ zu'+P(x)y =Q(x) …(1') ここで u(x) は(2)の1つの解だから. u'+P(x)u=0. zu'+P(x)zu=0. zu'+P(x)y=0 そこで,(1')において赤で示した項が消えるから,関数 z(x) は,またしても次の変数分離形の微分方程式で求められる.. z'u=Q(x). u=Q(x). dz= dx したがって. z= dx+C (5)に代入すれば,目的の解が得られる.. y=u(x)( dx+C) 【例題1】 微分方程式 y'−y=2x の一般解を求めてください. この方程式は,(1)において, P(x)=−1, Q(x)=2x という場合になっています. (解答) ♪==定数変化法の練習も兼ねて,じっくりやる場合==♪ はじめに,同次方程式 y'−y=0 の解を求める. 【指数法則】 …よく使う. e x+C 1 =e x e C 1. =y. =dx. = dx. log |y|=x+C 1. |y|=e x+C 1 =e C 1 e x =C 2 e x ( e C 1 =C 2 とおく). y=±C 2 e x =C 3 e x ( 1 ±C 2 =C 3 とおく) 次に,定数変化法を用いて, 1 C 3 =z(x) とおいて y=ze x ( z は x の関数)の形で元の非同次方程式の解を求める.. y=ze x のとき. y'=z'e x +ze x となるから 元の方程式は次の形に書ける.. z'e x +ze x −ze x =2x.
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