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< 2 階線形微分方程式 >

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Academic year: 2021

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2010年度「数学3」 −32−

< 2

階線形微分方程式

>

与えられた関数a(t),b(t),F(t)に対し,未知関数yに関する微分方程式

(∗)1 d2y

dt2 +a(t)dy

dt +b(t)y =F(t)

を2階線形微分方程式という。この形の微分方程式は場合に応じて解の形が違うが,共通して次の基本 定理が成り立つ。

<基本定理>

任意の数t0と定数α,βに対して

(∗)2 y(t0) =α, y0(t0) =β

を満たす(∗)1の解y=y(t)がただ一つ存在する。

通常はt0= 0の場合を考えるので,条件(∗)2を初期条件という。

(∗)1でF(t) = 0の場合の微分方程式 (∗)0

d2y

dt2 +a(t)dy

dt +b(t)y = 0

を2階線形同次微分方程式という。基本定理から次のことが証明される。

定理 (∗)1の任意の解y=y(t)は

(∗)3 y(t) =y∗(t) +C1y1(t) +C2y2(t) (C1, C2は任意定数)

と表される。ここでy∗(t)は(∗)1の解であり,y1(t)とy2(t)は(∗)0の解でy2(t)

y1(t)は定数ではない。

この定理の証明は付録4(P.53)。y1(t)とy2(t)は同次微分方程式(∗)0の基本解という。y∗(t)は微分方程式 (∗)1の特殊解という。(∗)3を(∗)1の一般解と呼ぶ。

例 d2y

dt2 =−10の一般解はy(t) =−5t2+C1t+C2 (C1, C2は任意定数) 問 次の微分方程式の一般解を求めよ。

(1)d2y

dt2 = 8 (2)d2y

dt2 = 6t+ 2

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