■1階線形 微分方程式 → 印刷用PDF版は別頁 次の形の常微分方程式を1階線形常微分方程式といいます.. y'+P(x)y=Q(x) …(1) 方程式(1)の右辺: Q(x) を 0 とおいてできる同次方程式 (この同次方程式は,変数分離形になり比較的容易に解けます). y'+P(x)y=0 …(2) の1つの解を u(x) とすると,方程式(1)の一般解は. y=u(x)( dx+C) …(3) で求められます. 参考書には 上記の u(x) の代わりに, e − ∫ P(x)dx のまま書いて y=e − ∫ P(x)dx ( Q(x)e ∫ P(x)dx dx+C) …(3') と書かれているのが普通です.この方が覚えやすい人は,これで覚えるとよい.ただし,赤と青で示した部分は,定数項まで同じ1つの関数の符号だけ逆のものを使います. 筆者は,この複雑な式を見ると頭がクラクラ(目がチカチカ)して,どこで息を継いだらよいか困ってしまうので,上記の(3)のように同次方程式の解を u(x) として,2段階で表すようにしています. (解説) 同次方程式(2)は,次のように変形できるので,変数分離形です.. y'+P(x)y=0. =−P(x)y. =−P(x)dx 両辺を積分すると. =− P(x)dx. log |y|=− P(x)dx. |y|=e − ∫ P(x)dx+A =e A e − ∫ P(x)dx =Be − ∫ P(x)dx とおく. y=±Be − ∫ P(x)dx =Ce − ∫ P(x)dx …(4) 右に続く→ 理論の上では上記のように解けますが,実際の積分計算 が難しいかどうかは u(x)=e − ∫ P(x)dx や dx がどんな計算 になるかによります. 線形微分方程式. すなわち, P(x) や の形によっては, 筆算では手に負えない問題になることがあります. →続き (4)式は, C を任意定数とするときに(2)を満たすが,そのままでは(1)を満たさない. このような場合に,. 同次方程式 y'+P(x)y=0 の 一般解の定数 C を関数に置き換えて ,. 非同次方程式 y'+P(x)y=Q(x) の解を求める方法を 定数変化法 という. なぜ, そんな方法を思いつくのか?自分にはなぜ思いつかないのか?などと考えても前向きの考え方にはなりません.思いついた人が偉いと考えるとよい.
= 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. 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. 一階線型微分方程式とは - 微分積分 - 基礎からの数学入門. = 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.
積の微分法により y'=z' cos x−z sin x となるから. z' cos x−z sin x+z cos x tan x= ( tan x)'=()'= dx= tan x+C. z' cos x=. z'=. =. dz= dx. z= tan x+C ≪(3)または(3')の結果を使う場合≫ 【元に戻る】 …よく使う. e log A =A. log e A =A P(x)= tan x だから, u(x)=e − ∫ tan xdx =e log |cos x| =|cos x| その1つは u(x)=cos x Q(x)= だから, dx= dx = tan x+C y=( tan x+C) cos x= sin x+C cos x になります.→ 1 【問題3】 微分方程式 xy'−y=2x 2 +x の一般解を求めてください. 1 y=x(x+ log |x|+C) 2 y=x(2x+ log |x|+C) 3 y=x(x+2 log |x|+C) 4 y=x(x 2 + log |x|+C) 元の方程式は. y'− y=2x+1 と書ける. 同次方程式を解く:. log |y|= log |x|+C 1 = log |x|+ log e C 1 = log |e C 1 x|. |y|=|e C 1 x|. 【微分方程式】よくわかる 2階/同次/線形 の一般解と基本例題 | ばたぱら. y=±e C 1 x=C 2 x そこで,元の非同次方程式の解を y=z(x)x の形で求める. 積の微分法により y'=z'x+z となるから. z'x+z− =2x+1. z'x=2x+1 両辺を x で割ると. z'=2+. z=2x+ log |x|+C P(x)=− だから, u(x)=e − ∫ P(x)dx =e log |x| =|x| その1つは u(x)=x Q(x)=2x+1 だから, dx= dx= (2+)dx. =2x+ log |x|+C y=(2x+ log |x|+C)x になります.→ 2 【問題4】 微分方程式 y'+y= cos x の一般解を求めてください. 1 y=( +C)e −x 2 y=( +C)e −x 3 y= +Ce −x 4 y= +Ce −x I= e x cos x dx は,次のよう に部分積分を(同じ向きに)2回行うことにより I を I で表すことができ,これを「方程式風に」解くことによって求めることができます.
関数 y とその 導関数 ′ , ″ ‴ ,・・・についての1次方程式 A n ( x) n) + n − 1 n − 1) + ⋯ + 2 1 0 x) y = F ( を 線形微分方程式 という.また, F ( x) のことを 非同次項 という. x) = 0 の場合, 線形同次微分方程式 といい, x) ≠ 0 の場合, 線形非同次微分方程式 という. 線形微分方程式に含まれる導関数の最高次数が n 次だとすると, n 階線形微分方程式 という. ■例 x y = 3 ・・・ 1階線形非同次微分方程式 + 2 + y = e 2 x ・・・ 2階線形非同次微分方程式 3 + x + y = 0 ・・・ 3階線形同次微分方程式 ホーム >> カテゴリー分類 >> 微分 >> 微分方程式 >>線形微分方程式 学生スタッフ作成 初版:2009年9月11日,最終更新日: 2009年9月16日
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.
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。
=− dy. log |x|=−y+C 1. |x|=e −y+C 1 =e C 1 e −y. x=±e C 1 e −y =C 2 e −y 非同次方程式の解を x=z(y)e −y の形で求める 積の微分法により x'=z'e −y −ze −y となるから,元の微分方程式は. z'e −y −ze −y +ze −y =y. z'e −y =y I= ye y dx は,次のよう に部分積分で求めることができます. I=ye y − e y dy=ye y −e y +C 両辺に e y を掛けると. z'=ye y. z= ye y dy. =ye y −e y +C したがって,解は. x=(ye y −e y +C)e −y. =y−1+Ce −y 【問題5】 微分方程式 (y 2 +x)y'=y の一般解を求めてください. 1 x=y+Cy 2 2 x=y 2 +Cy 3 x=y+ log |y|+C 4 x=y log |y|+C ≪同次方程式の解を求めて定数変化法を使う場合≫. (y 2 +x) =y. = =y+. − =y …(1) と変形すると,変数 y の関数 x が線形方程式で表される. 同次方程式を解く:. log |x|= log |y|+C 1 = log |y|+ log e C 1 = log |e C 1 y|. |x|=|e C 1 y|. x=±e C 1 y=C 2 y そこで,元の非同次方程式(1)の解を x=z(y)y の形で求める. x'=z'y+z となるから. z'y+z−z=y. z'y=y. z'=1. z= dy=y+C P(y)=− だから, u(y)=e − ∫ P(y)dy =e log |y| =|y| Q(y)=y だから, dy= dy=y+C ( u(y)=y (y>0) の場合でも u(y)=−y (y<0) の場合でも,結果は同じになります.) x=(y+C)y=y 2 +Cy になります.→ 2 【問題6】 微分方程式 (e y −x)y'=y の一般解を求めてください. 1 x=y(e y +C) 2 x=e y −Cy 3 x= 4 x= ≪同次方程式の解を求めて定数変化法を使う場合≫. (e y −x) =y. = = −. + = …(1) 同次方程式を解く:. =−. log |x|=− log |y|+C 1. log |x|+ log |y|=C 1. log |xy|=C 1.
自転車のペダルを取り外そう、 ペダルの交換くらい簡単だろう。 そう思い、いざ目の前にしてみると 意外とむずかしそう… 外し方がまったくわからない! やり方はあってるはずなのに 全然外れない! そんなとき、無理に外そうとすると ネジがバカになってしまったり 壊れてしまう 可能性も…!
子供が駒無し自転車に乗れるようになりました。乗れるようになるタイミングって突然やってきますよ。 子供用自転車の選び方 ホームセンターで自転車を購入した時に貰った リーフレット「駒無し(補助輪無し)自転車の乗り方」 の通りに子供と練習してみました。 時間はかかりましたが見事に補助輪を外して自転車に乗ることができましたよ!
自転車の乗り方、ペダルを外す練習方法 緑が美しい季節になってきました。初夏模様に誘われ、お子さんに自転車の乗り方を伝授しようと考えるパパも多いのではないでしょうか。昔から自転車の練習といえば「荷台を支えながら走るお父さん」をイメージしがちですが、どうやら最近はそれが一番の近道ではないようです。 今回は、子どもに自転車の乗り方を教えるときに効果的な練習方法のポイントを整理してみました。さっそく写真入りで解説していきます。 自転車の乗り方、ペダルを外す練習方法のポイント ペダルレンチは必須アイテムです! ■ ポイント1 ペダルを外す! 補助輪があるときとそうでないときとで、最も違う点はバランスです。バランスを崩して転ぶことが怖いのですから、まずはバランス感覚を身につける練習から。そのために邪魔になるのがペダルです。思い切って外しましょう。ペダルを外す際に必要な工具は「ペダルレンチ」のみ。サイクルショップなどで1000~2000円程度で買えます。 サドルは両足が地面につく高さに! ■ ポイント2 サドルは両足がしっかりと地面につく高さに! バランス感覚を覚えるのですから、まずはサドルに腰をかけたときの姿勢に安定感がなくてはいけません。両足が地面にしっかりとつく位置までサドルを下げてあげましょう。 地面を蹴って走ってみよう! ■ ポイント3 地面を蹴って走ってみよう! まずはバランス感覚を身に付けるために、自転車に乗ったまま地面を蹴って走ったり、ブレーキを握って両足を上げた状態で何秒数えられるかなど、簡単なゲームを楽しみましょう。 風を感じて走ってみよう! ■ ポイント4 風を感じて走ってみよう! 今度は子供に風を切って走る爽快感を味わってもらいましょう。パパはしっかりと荷台を支え、ゆっくりと会話ができる程度の速度で走ります。また、止まる時には必ずブレーキを使う練習をしましょう。 視線は目標方向!前へ、前へ! 初めての自転車にチャレンジ（2）ペダルをこぐ | 子育てに役立つ情報満載【すくコム】 | NHKエデュケーショナル. ■ ポイント5 視線は目標方向!前へ、前へ! 自転車の練習をするときに足元を気にしていてはいけません。進む目標はどこですか?目標をしっかりと認識させ、子どもの目線を前へ前へと向けていきましょう。 ペダルをつけて走ってみよう! ■ ポイント6 ペダルをつけて走ってみよう! バランス感覚が身に付き、ブレーキにも慣れてきたら、いよいよペダルをつけるときです。補助輪つきの自転車でペダリングはマスターしているので、スタートの数メートルはパパがアシスト。繰り返し、ブレーキを使って止まる練習をしましょう。 最後にスタートの練習!
固く閉まってしまった自転車のペダルを外すのに苦戦した経験はありませんか?