定数係数線形微分方程式の非同次項がe^(ax)のときの解の導出

定数係数線形微分方程式の非同次項が e ax のときの解の導出

定数係数線形微分方程式

f( D )y=k e ax ・・・・・・(1)

について

(2)   f ( a ) = 0 であり , t = a 特性方程式 f ( t ) = 0 の1重の解であれば,この微分方程式 y = A x e a x という形の特殊解をもつ.

■導出1

f( t ) n 次の多項式とする.(ただし t n の係数は1とする)

f( t )=0 t=a で1重の解であるとすると

f( t )=( ta )g( t )          g( a )0

と表すことができる.

(1)の解を逆演算子を用いて表すと

y = 1 f ( D ) k e a x = 1 ( Da )g( D ) k e ax

となる.

1 g( D ) k e ax

この公式より 

=k 1 g( D ) e ax

g( a )0 より,この公式を利用すると

=k 1 g( a ) e ax = k g( a ) e ax

よって

y = 1 Da { k g( a ) e ax }

この公式より 

= k g( a ) 1 Da e ax

この公式より

= k g( a ) e ax 1 D e ax e ax = k g( a ) e ax 1 D 1 = k g( a ) e ax x = k g( a ) x e ax

k g( a ) =A とおくと

y=Ax e ax

■導出2

f( t ) n 次の多項式とする.(ただし t n の係数は1とする)

f( t )=0 の解を a, b 1 , b 2 ,, b n1 とすると,(ただし a b i i=1,2,,n1 )

f( t )=( t b n1 )( t b 2 )( t b 1 )( ta )  ・・・・・・(2)

と表すことができる.

(1)式を逆演算子を使って解を表すと

y = 1 f( D ) k e ax

この公式より

=k 1 f( D ) e ax

(2)より

=k 1 ( D b n1 )( D b 2 )( D b 1 )( Da ) e ax

=k 1 ( D b n1 )( D b 2 )( D b 1 ) [ 1 Da e ax ]

この公式より

=k 1 ( D b n1 )( D b 2 )( D b 1 ) [ e ax 1 D e ax e ax ]

e ax e ax = 1 e ax e ax =1 より

=k 1 ( D b n1 )( D b 2 )( D b 1 ) [ e ax 1 D 1 ]

1この公式より

=k 1 ( D b n1 )( D b 2 )( D b 1 ) [ e ax dx ]

=k 1 ( D b n1 )( D b 2 )( D b 1 ) [ e ax x ]

=k 1 ( D b n1 )( D b 2 )( D b 1 ) x e ax

=k 1 ( D b n1 )( D b 2 ) [ 1 D b 1 x e ax ]

この公式より

=k 1 ( D b n1 )( D b 2 ) [ e b 1 x 1 D e b 1 x x e ax ]

指数法則より

=k 1 ( D b n1 )( D b 2 ) [ e b 1 x 1 D x e ( a b 1 )x ]

この公式より

=k 1 ( D b n1 )( D b 2 ) [ e b 1 x x e ( a b 1 )x dx ]

積分のやり方はこちら

=k 1 ( D b n1 )( D b 2 ) [ e b 1 x { 1 a b 1 x e ( a b 1 )x 1 ( a b 1 ) 2 e ( a b 1 )x } ]

e b 1 x e ( a b 1 )x = e ax より

=k 1 ( D b n1 )( D b 2 ) [ 1 a b 1 x e ax 1 ( a b 1 ) 2 e ax ]

分配法則より

=k 1 ( D b n1 )( D b 2 ) ( 1 a b 1 x e ax ) k 1 ( D b n1 )( D b 2 ) ( 1 ( a b 1 ) 2 e ax )

= k a b 1 1 ( D b n1 )( D b 2 ) x e ax k ( a b 1 ) 2 1 ( D b n1 )( D b 2 ) e ax

= k a b 1 1 ( D b n1 )( D b 2 ) x e ax k ( a b 1 ) 2 ( a b n1 )( a b 2 ) e ax

k ( a b 1 ) 2 ( a b n1 )( a b 2 ) e ax  は f( D )y=0 の一般解

y= c 1 e ax + c 2 e b 1 x + c 3 e b 2 x ++ c n e b n1 x

に含まれる.すなわち(1)の一般解に含まれる.

よって,特殊解としては,これを省略し

y = k a b 1 1 ( D b n1 )( D b 2 ) x e ax

= k a b 1 1 ( D b n1 )( D b 3 ) [ 1 D b 2 x e ax ]

となる.この式を上と同様にして解くと

y= k ( a b 1 )( a b 2 ) 1 ( D b n1 )( D b 3 ) x e ax k ( a b 1 ) ( a b 2 ) 2 ( a b n1 )( a b 3 ) e ax

となる.同様に第2項は一般解に含まれる.よって省略すると

y= k ( a b 1 )( a b 2 ) 1 ( D b n1 )( D b 3 ) x e ax

同様にして計算を繰り返すと

y= k ( a b 1 )( a b 2 )( a b n1 ) x e ax

となる.ここで

k ( a b 1 )( a b 2 )( a b n1 ) =A

とおくと

y=Ax e ax

となる.

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最終更新日: 2024年5月17日