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定数変化法

必ず標準形 y+p(x)y+q(x)y=r(x)y''+p(x)y'+q(x)y=r(x) へ直し、同次方程式の基本解系を y1,y2y_1,y_2 とします。yp=u1y1+u2y2y_p=u_1y_1+u_2y_2 と置きます。未知関数が2つある自由度を整理するため u1y1+u2y2=0u_1'y_1+u_2'y_2=0 を補助条件にします。微分して方程式へ代入すると u1y1+u2y2=r.u_1'y_1'+u_2'y_2'=r. したがって (y1y2y1y2)(u1u2)=(0r).\begin{pmatrix}y_1&y_2\\y_1'&y_2'\end{pmatrix}\begin{pmatrix}u_1'\\u_2'\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}0\\r\end{pmatrix}.

基本解の順序を交換すると WW の符号も変わり、最終的な特殊解は同値になります。初期値問題では、x0x_0 から xx までの定積分を使うと特殊解とその導関数が x0x_0 で0になり、定数決定が整理しやすくなります。これは後にグリーン関数へつながります。

Q基本:公式の確認★☆☆
y+y=r(x)y''+y=r(x)y1=cosx,y2=sinxy_1=\cos x,y_2=\sin xu1,u2u_1',u_2' を求めてください。
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W=1W=1
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u1=r(x)sinx,u2=r(x)cosxu_1'=-r(x)\sin x, u_2'=r(x)\cos x
Q標準:指数基本解★★☆
yy=1xy''-y=\frac{1}{x}x>0x>0)の特殊解を積分表示してください。
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y1=ex,y2=ex,W=2y_1=e^x,y_2=e^{-x},W=-2
ANS解答を見る
u1=ex2x,u2=ex2xu_1'=\frac{e^{-x}}{2x}, u_2'=-\frac{e^x}{2x}。したがって yp=ex2exxdxex2exxdxy_p=\frac{e^x}{2}\int \frac{e^{-x}}{x}\,dx-\frac{e^{-x}}2\int \frac{e^x}{x}\,dx。初等関数に積分できなくても有効です。
Q発展:完全計算★★★
y+y=cscxy''+y=\csc x0<x<π0<x<\pi)の特殊解を求めてください。
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u1=1,u2=cotxu_1'=-1, u_2'=\cot x
ANS解答を見る
u1=x,u2=log(sinx)u_1=-x,u_2=\log(\sin x) と選び、yp=xcosx+sinxlog(sinx)y_p=-x\cos x+\sin x\log(\sin x)。公式から構成したので代入すると yp+yp=cscxy_p''+y_p=\csc x