ラプラス変換に関する問題

ラプラス変換に関する問題

■問題

次の式をラプラス変換を用いて,一般解を求めなさい.

y ″ −5 y ′ +4y=0

(初期条件: y 0 =0 , y ′ 0 =−1 )

■答

y= 1 3 e t − 1 3 e 4t

■ヒント

ラプラス変換の微分則を用いて解く

■解き方

ラプラス変換すると

y → L Y s

y ′ → L sY s −y 0

y ″ → L s 2 Y s −s⋅y 0 − y ′ 0

となり,これらを式に代入

s 2 Y s −sy 0 − y ′ 0 −5( sY s −y 0 ) +4Y s =0

初期条件より

s 2 Y s +1−5 sY s +4Y s =0

( s 2 − 5s+ 4 )Y s +1 =0

Y s =− 1 ( s−1 )( s−4 )

ここで,部分分数分解をする.

Y s = k 1 ( s−1 ) + k 2 ( s−4 )

k 1 = lim s→1 ( s−1 ){ − 1 ( s−1 )( s−4 ) } = 1 3

k 2 = lim s→4 ( s−4 ){ − 1 ( s−1 )( s−4 ) } =− 1 3

よって

Y s = 1 3 ⋅ 1 ( s−1 ) − 1 3 ⋅ 1 ( s−4 )

逆ラプラス変換をする ⇒ラプラス変換表はこちら

y= 1 3 e t − 1 3 e 4t

■別解

定数係数線形同次微分方程式の解法を用いて解く.

特性方程式

λ 2 −5λ+4=0

より

( λ−1 )( λ−4 )=0

λ=1,4

よって一般解は

y= C 1 e t + C 2 e 4t  (ただし C 1 , C 2 は任意定数)

y ′ = C 1 e t +4 C 2 e 4t

初期条件より

y 0 = C 1 + C 2  ・・・・・・(1)

y ′ 0 = C 1 +4 C 2  ・・・・・・(2)

(1),(2)より

C 1 = 1 3 , C 2 =− 1 3

よって

y= 1 3 e t − 1 3 e 4t

 

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最終更新日: 2023年6月6日