跳到主要内容

千葉大学 融合理工学府 数学情報科学専攻 数学・情報数理学コース 2017年8月実施 専門 B6

Author​

祭音Myyura (co-authored with GPT 6 Astra)

Description​

x≥0x\ge0 で次の初期値問題を解け。

(1)

(y′)2=12y4−y2+12,y(0)=2,(y')^2=\tfrac12y^4-y^2+\tfrac12,\qquad y(0)=2,

ただしすべての x≥0x\ge0 で y>1,y′≤0y>1,y'\le0 を満たす解を求める。

(2)

y′′=y3−y,y(0)=0,y′(0)=1/2.y''=y^3-y,\qquad y(0)=0,\qquad y'(0)=1/\sqrt2.

题目描述​

在 x≥0x\ge0 上解上述两个初值问题。(1) 另要求处处 y>1,y′≤0y>1,y'\le0。(2) 满足给定二阶方程和初始位置、初始导数。

Kai​

(1) (y′)2=(y2−1)2/2(y')^2=(y^2-1)^2/2 と符号条件から y′=−(y2−1)/2y'=-(y^2-1)/\sqrt2。変数分離すると

12log⁡y−1y+1=−x2−12log⁡3.\frac12\log\frac{y-1}{y+1}=-\frac{x}{\sqrt2}-\frac12\log3.

したがって

y(x)=3+e−2x3−e−2x.\boxed{y(x)=\frac{3+e^{-\sqrt2x}}{3-e^{-\sqrt2x}}}.

この式は x≥0x\ge0 で定義され、y>1,y′<0y>1,y'<0 を満たす。

(2) 方程式に 2y′2y' を掛けて積分し初期条件を用いると、(y′)2=(1−y2)2/2(y')^2=(1-y^2)^2/2。初期点では正の平方根をとり、y′=(1−y2)/2y'=(1-y^2)/\sqrt2 を解くと

y(x)=tanh⁡(x/2)=1−e−2x1+e−2x.\boxed{y(x)=\tanh(x/\sqrt2)=\frac{1-e^{-\sqrt2x}}{1+e^{-\sqrt2x}}}.

この関数を代入すれば元の二階方程式と両初期条件を満たす。連立系 (y,v)′=(v,y3−y)(y,v)'=(v,y^3-y) の右辺は局所 Lipschitz 連続なので、初期値問題の一意性によりこれが求める解である。