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定数係数二階同次方程式

a≠0a\ne0 として ay′′+by′+cy=0ay''+by'+cy=0 を考えます。指数関数は微分しても定数倍なので y=erxy=e^{rx} を代入すると (ar2+br+c)erx=0.(ar^2+br+c)e^{rx}=0. erx≠0e^{rx}\ne0 より ar2+br+c=0ar^2+br+c=0 が特性方程式です。

重根では erxe^{rx} が1本しか得られないため、線形独立な第2解 xerxxe^{rx} が必要です。複素根ではオイラーの公式 eiθ=cos⁡θ+isin⁡θe^{i\theta}=\cos\theta+i\sin\theta により実部・虚部を実数解として使います。

実部が負なら指数包絡は減衰し、正なら増大します。虚部 β\beta は角振動数です。実根の符号も増大・減衰を決めますが、係数による打ち消しや初期条件も確認します。

Q基本:異なる実根★☆☆
y′′+y′−2y=0y''+y'-2y=0 を解いてください。
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(r+2)(r−1)=0(r+2)(r-1)=0。
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y=C1ex+C2e−2xy=C_1e^x+C_2e^{-2x}。
Q標準:重根の初期値★★☆
y′′+4y′+4y=0,y(0)=1,y′(0)=0y''+4y'+4y=0, y(0)=1,y'(0)=0。
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y=(C1+C2x)e−2xy=(C_1+C_2x)e^{-2x}。
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C1=1C_1=1、y′(0)=C2−2C1=0y'(0)=C_2-2C_1=0 より C2=2C_2=2。y=(1+2x)e−2xy=(1+2x)e^{-2x}。
Q発展:複素根★★★
y′′−2y′+5y=0y''-2y'+5y=0 の一般解と長時間挙動を述べてください。
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根は 1±2i1\pm2i。
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y=ex(C1cos⁡2x+C2sin⁡2x)y=e^x(C_1\cos2x+C_2\sin2x)。非零解は角振動数2で振動し、包絡 exe^x に従い増大します。