☆ 2階線型微分方程式 ☆ |
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〓 2階/線型/微分方程式 〓
◆ x=x(t) 2階/線型/微分方程式 x''+p(t)*x'+q(t)*x=f(t) 線型 x^2 , x'^3 などを含まない f(t)=0 斉次のときの解 x1,x2 非斉次特殊解 x3 ■ 一般解 y=C1*x1+C2*x2+x3 ★ {確かめ} x1;;+p(t)*x1;+q(x)*x1=0 & x2;;+p(t)*x2;+q(x)*x2=0 x3;;+p(t)*x3;+q(x)*x3=f(t) このとき、 (C1*x1+C2*x2+x3);;+p*(C1*x1+C2*x2+x3);+q*(C1*x1+C2*x2+x3) C1*x1+C2*x2+x3 は、元の2階線型微分方程式の解
◆ 2階/線型/線型/微分方程式 x''+p(t)*x'+q(t)*x=0 の解 x1 , x2 ■ ロンスキー行列式=x1*x2'-x1'*x2≠0 ⇔ x1 と x2 が独立 ☆Wronskii |
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〓 特殊解を見つける 〓 ◎ x''+p*x'+q*x=定数 ◇ 2階線型定数係数微分方程式の基本解 x1,x2 特殊解 x3 一般解 x ★ x''+x=1 x1=cos(t) , x2=sin(t) x3=定数 と仮定して求めると x3=1 x=C1*cos(t)+C2*sin(t)+1 ★ x''-2*x'=6 x1=exp(2*t) , x2=1 x3=A*t+B と仮定して求めると x3=-3*t+B x=C1*exp(2*t)+C2-3*t |
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〓 特殊解を見つける-2- 〓 ◎ x''+p*x'+q*x=(tの1次式) ◇ 2階線型定数係数微分方程式の基本解 x1,x2 特殊解 x3 一般解 x ★ x''+3*x'+2*x=t x1=exp(-2*t) , x2=exp(-t) x3=A*t+B と仮定して求めると x3=t/2-3/4 x=C1*exp(-2*t)+C2*exp(-t)+t/2-3/4 |
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〓 特殊解を見つける-3- 〓 ◎ x''+p*x'+q*x=三角関数 ◇ 2階線型定数係数微分方程式の基本解 x1,x2 特殊解 x3 一般解 x ★ x''+x'+x=cos(t) 固有値 h=(-1±i*root3)/2 x1=exp(-t/2)*expi(root3*t/2) , x2=exp(-t/2)*expi(-root3*t/2) x3=sin(t) ★ x''+2*x'+x=sin(t) x1=exp(-t) , x2=t*exp(-t) x3=A*cos(t) と仮定して求めると x3=-cos(t)/2 x=C1*exp(-t)+C2*t*exp(-t)-cos(t)/2 ★ x''+w0^2*x=A*cos(w*t) 〔w0,w,A:定数 すべて実数〕 ●
x''+b^2*x=0 の基本解は、次の3通りの書き方がある x1=cos(w0*t) , x2=sin(w0*t) x3=B*cos(w*t) と仮定して求めると x3=cos(w*t)*A/(w0^2-w^2) x=C1*cos(w0*t)+C2*sin(w0*t)+cos(w*t)*A/(w0^2-w^2) ※ C1*cos(w0*t)+C2*sin(w0*t) の所は C3*cos(w0*t+C4) でもよい |
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〓 特殊解を見つける-4- 〓 ◎ x''+p*x'+q*x=複素指数関数 ◇ 2階線型定数係数微分方程式の基本解 x1,x2 特殊解 x3 一般解 x ★ x''+x=expi(2*t) x1=expi(t) , x2=expi(-t) ※ 基本解 cos(t),sin(t) としてもいいけど… x3=A*expi(2*t) と仮定して求めると x3=-expi(2*t)/3 x=C1*expi(t)+C2*expi(-t)-expi(2*t)/3 ★ x''+w0^2*x=A*expi(w*t) 〔w0,A,w:定数〕 x1=expi(w0*t) , x2=expi(-w0*t) x3=B*expi(w*t) と仮定して求めると x3=A*expi(w*t)/(w0^2-w^2) x=C1*expi(w0*t)+C2*expi(-w0*t)+A*expi(w*t)/(w0^2-w^2) |
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〓 1階に直して解く 〓 ★ x''+x=expi(2*t) t=0 で x=x'=0 , x''=1
左辺=x''+i*x'-i*x'+x=(x'+i*x)'-i*(x'+i*x) ここで x'+i*x=X と置くと X'-i*X=expi(2*t) 1階になった t=0 で x=x'=0 , x''=1 より t=0 で X=0 , X'=1
X'-i*X=expi(2*t) t=0 で X=0 , X'=1 P=-i*t X1=expi(t) X2 X=C*expi(t)-i*expi(2*t) 初期値より C=i X=i*[expi(t)-expi(2*t)] X'=-expi(t)+2*expi(2*t) 元の式に戻して x'+i*x=i*[expi(t)-expi(2*t)] P=i*t x1=expi(-t) x2 x=C1*expi(-t)+expi(t)/2-expi(2*t)/3 t=0 で x=C1+1/2-1/3=0 C1=-1/6 x=expi(t)/2-expi(-t)/6-expi(2*t)/3 {素晴らしい!できた!2014/7} ★ x''+w0^2*x=A*expi(w*t)〔w0,A,w:定数〕 左辺=(x'+i*w0*x)'-i*w0*(x'+i*w0*x) ここで x'+i*w0*x=X と置けば X'-i*w0*X=A*expi(w*t) P=-i*w0*t X1=expi(w0*t) X2 X=C*expi(w0*t)-i*expi(w*t)*A/(w-w0) 元の式に戻して x'+i*w0*x=C*expi(w0*t)-i*expi(w*t)*A/(w-w0) x1=expi(-w0*t) x2 x=C1*expi(-w0*t)-i*C*expi(w0*t)/(2*w0)-expi(w*t)*A/(w^2-w0^2) 積分定数を整理して、 x=C1*expi(w0*t)+C2*expi(-w0*t)+expi(w*t)*A/(w0^2-w^2) |
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