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一階線形微分方程式系

定数行列 AA では etA=I+tA+t2A22!+⋯ ,qquadddtetA=AetA.e^{tA}=I+tA+\frac{t^2A^2}{2!}+\cdots,qquad \frac d{dt}e^{tA}=Ae^{tA}. 行列指数は成分ごとの指数ではありません。初期値解は x(t)=e(t−t0)Ax0\boldsymbol x(t)=e^{(t-t_0)A}\boldsymbol x_0。対角行列なら対角成分を指数化でき、A=PDP−1A=PDP^{-1} なら etA=PetDP−1e^{tA}=Pe^{tD}P^{-1} です。

基本行列 Φ\Phi は列が線形独立な解ベクトルで Φ′=A(t)Φ\Phi'=A(t)\Phi を満たす行列です。非同次系は x(t)=Φ(t)[c+∫t0tΦ(s)−1b(s) ds].\boldsymbol{x}(t)=\Phi(t)\left[\boldsymbol c+\int_{t_0}^t\Phi(s)^{-1}\boldsymbol b(s)\,ds\right]. 時間依存行列では一般に e∫A(t)dte^{\int A(t)dt} としてはいけません。

Q基本:成分表示★☆☆
A=(120−1)A=\begin{pmatrix}1&2\\0&-1\end{pmatrix} の x′=Ax\boldsymbol x'=A\boldsymbol x を成分表示してください。
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各行と列ベクトルの積です。
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x1′=x1+2x2,x2′=−x2x_1'=x_1+2x_2, x_2'=-x_2。
Q標準:対角系★★☆
x′=diag⁡(−1,3)x,x(0)=(21)\boldsymbol x'=\operatorname{diag}(-1,3)\boldsymbol x, \boldsymbol x(0)=\begin{pmatrix}2\\1\end{pmatrix}。
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各成分は独立です。
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x=(2e−te3t)\boldsymbol x=\begin{pmatrix}2e^{-t}\\e^{3t}\end{pmatrix}。微分すると AxA\boldsymbol x。
Q発展:三階から一階系★★★
y′′′+ay′′+by′+cy=0y'''+ay''+by'+cy=0 を一階系にしてください。
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(yy′y′′)\begin{pmatrix}y\\y'\\y''\end{pmatrix}。
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x′=(010001−c−b−a)x\boldsymbol x'=\begin{pmatrix}0&1&0\\0&0&1\\-c&-b&-a\end{pmatrix}\boldsymbol x。