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. 線形微分方程式. =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.
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|. 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.
f=e x f '=e x g'=cos x g=sin x I=e x sin x− e x sin x dx p=e x p'=e x q'=sin x q=−cos x I=e x sin x −{−e x cos x+ e x cos x dx} =e x sin x+e x cos x−I 2I=e x sin x+e x cos x I= ( sin x+ cos x)+C 同次方程式を解く:. =−y. =−dx. =− dx. log |y|=−x+C 1 = log e −x+C 1 = log (e C 1 e −x). |y|=e C 1 e −x. y=±e C 1 e −x =C 2 e −x そこで,元の非同次方程式の解を y=z(x)e −x の形で求める. 積の微分法により. y'=z'e −x −ze −x となるから. z'e −x −ze −x +ze −x =cos x. z'e −x =cos x. z'=e x cos x. z= e x cos x dx 右の解説により. z= ( sin x+ cos x)+C P(x)=1 だから, u(x)=e − ∫ P(x)dx =e −x Q(x)=cos x だから, dx= e x cos x dx = ( sin x+ cos x)+C y= +Ce −x になります.→ 3 ○ 微分方程式の解は, y=f(x) の形の y について解かれた形(陽関数)になるものばかりでなく, x 2 +y 2 =C のような陰関数で表されるものもあります.もちろん, x=f(y) の形で x が y で表される場合もありえます. そうすると,場合によっては x を y の関数として解くことも考えられます. 【例題3】 微分方程式 (y−x)y'=1 の一般解を求めてください. この方程式は, y'= と変形 できますが,変数分離形でもなく線形微分方程式の形にもなっていません. しかし, = → =y−x → x'+x=y と変形すると, x についての線形微分方程式になっており,これを解けば x が y で表されます.. = → =y−x → x'+x=y と変形すると x が y の線形方程式で表されることになるので,これを解きます. 同次方程式: =−x を解くと. =−dy.
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【京阪神でスピーディーな新快速が琵琶湖線ではなぜあんなに停車駅が多いのか?!徹底解説!
JR西日本の在来線の代表的な存在である「新快速」について、琵琶湖線の区間の停車駅が多いと感じたことはないだろうか。滋賀県内に入ると途端にこまめに止まるようになる。どうしてここだけ通過駅が少ないのか。それには理由がある。 新快速の停車駅の推移 新快速は、誕生した1970年当初は西明石~京都だけを走っていた。滋賀県内の東海道線(今は琵琶湖線という名称)までは運行されていなかった。 翌1971年には草津駅まで延伸した。この時の途中の停車駅は大津と石山であった。 そして、1988年に彦根まで、1989年に米原駅まで乗り入れるようになった。途中の駅は守山・野洲・近江八幡・能登川であり、今と変わらない。 琵琶湖線区間の新快速の停車駅での変更は2011年の南草津駅への停車くらいである。昔とほとんど変わっていないといえる。 では、なぜ昔から滋賀県内では新快速の停車駅が多かったのだろうか。 JR独占区間だから!
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