定数係数線形微分方程式 の解の導出

定数係数線形微分方程式 の解の導出

定数係数線形微分方程式

y ( n ) + A n−1 y ( n−1 ) +⋯+ A 1 y ′ + A 0 y =F( x )

で F ( x ) が r 次の多項式であるとする. A 0 ≠ 0 ならば,これは r 次の多項式の特殊解をもつ.

■導出

y ( n ) + A n−1 y ( n−1 ) +⋯+ A 1 y ′ + A 0 y =f( D )y  

F( x ) = C r x r + C r−1 x r−1 +⋯+ C 1 x+ C 0  

とおく.

f( D )y=F( x )  より

y = 1 f( D ) F( x )

= 1 f( D ) ( C r x r + C r−1 x r−1 +⋯+ C 1 x+ C 0 )

= 1 f( D ) C r x r + 1 f( D ) C r−1 x r−1 +⋯+ 1 f( D ) C 1 x+ 1 f( D ) C 0

= C r 1 f( D ) x r + C r−1 1 f( D ) x r−1 +⋯+ C 1 1 f( D ) x+ C 0 1 f( D ) 1

1 f( D ) x i = 1 ( D− a n )( D− a n−1 )⋯( D− a 1 ) x i

= 1 ( D− a n )( D− a n−1 )⋯( D− a 2 ) e a 1 x ∫ e − a 1 x x i dx  ・・・・・・(1)

∫ e − a 1 x x i dx = I i  とおく

∫ e − a 1 x x i dx = ∫ ( − 1 a 1 e − a 1 x ) ′ x i dx

=− 1 a 1 e − a 1 x x i − ∫ ( − 1 a 1 e − a 1 x )i x i−1 dx

=− 1 a 1 e − a 1 x x i + i a 1 ∫ e − a 1 x x i−1 dx

I i =− 1 a 1 e − a 1 x x i + i a 1 I i−1  

I i−1 =− 1 a 1 e − a 1 x x i−1 + i−1 a 1 I i−2  

I i−2 =− 1 a 1 e − a 1 x x i−2 + i−2 a 1 I i−3  

I 0 = ∫ e − a 1 x dx= − 1 a 1 e − a 1 x  

I i ={ − 1 a 1 x i + ( − 1 a 1 ) 2 i x i−1 + ( − 1 a 1 ) 3 i( i−1 ) x i−2 +⋯+ ( − 1 a 1 ) i+1 i! } e − a 1 x  

e a 1 x ∫ e − a 1 x x i dx =− 1 a 1 x i + ( − 1 a 1 ) 2 i x i−1 + ( − 1 a 1 ) 3 i( i−1 ) x i−2 +⋯+ ( − 1 a 1 ) i+1 i! = g 1i ( x )  

とおく. g 1i ( x ) は i 次の多項式となる.

(1)に代入すると

1 f( D ) x i = 1 ( D− a n )( D− a n−1 )⋯( D− a 2 ) g 1i ( x )  

この計算より 1 D− a i の逆演算を行っても多項式の最高次数保存されることがわかる.

したがって

y= 1 f( D ) F( x )  は r 次の多項式となる.

 

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最終更新日: 2025年7月23日