京都大学 情報学研究科 数理工学専攻 2021年8月実施 力学系数学
Author
Casablanca
Description
日本語版
a(t),b(t) を t のある有理式として次の実微分方程式を考える.
dtd2x+a(t)dtdx+b(t)x=0
以下の問いに答えよ.
(i) k≧1 をある整数として,x=tk が式 (1) の解であるための a(t),b(t) に関する必要十分条件を求めよ.
以下では,ある整数 k≧1 に対して (i) で求めた条件が成り立つものとし,ϕ(t) を tk と線形独立な解として,
p(t)=tdtdϕ(t)−kϕ(t)
とおく.
(ii) a(t),b(t) を p(t) を用いて表わせ.
(iii) p(t)=t のとき a(t),b(t) を定めよ.
(iv) 式 (1) のすべての解が定数でない多項式のとき,a(t),b(t) は多項式でないことを示せ.
English Version
Kai
(i)
If k=1, then a(t)=tb(t)=0.
If k≥2, then k(k−1)+kta(t)+t2b(t)=0.
Easy to see k(k−1)+kta(t)+t2b(t)=0 is neccessary and sufficient.
(ii)
Let Φ(t)=u(t)tk,u(t)≡Constant,
Φ′(t)=ktk−1u(t)+tku′(t)
Φ′′(t)=tku′′(t)+2ktk−1u′(t)+k(k−1)tk−2u(t)
then
p(t)=tk−1u′(t),p′(t)=(k−1)tk−2u′(t)+tk−1u′′(t)
And we can obtain:
tu′′(t)+(2k+a(t)t)u′(t)=0
Therefore
a(t)=−u′(t)u′′(t)−t2k=−tp(t)(3k−1)p′(t)
b(t)=t22k2−tp(t)kp′(t)
(iii)
a(t)=−t1,b(t)=t21
(iv)
Let x1, x2 be 2 independent particular solutions, then
x1′′=−a(t)x1′−b(t)x1,x2′′=−a(t)x2′−b(t)x2
and we have
(x1′x2−x1x2′)′=x1′′x2−x1x2′′=−a(t)x1′x2+a(t)x1x2′=−a(t)(x1′x2−x1x2′)
so we get
x1′x2−x1x2′=Ce∫a(t)dt
Let A(t) denote ∫a(t)dt.
Since a(t) is a polynomial, and Ce−A(t) is a polynomial for x1′x2−x1x2′ is a polynomial, we obtain a(t)≡0.
Then, consider
dt2d2x+b(t)x=0
If x1,x2 are independent polynomials, and b(t) is polynomials, suppose that x(t) is m times and b(t) is n times, then b(t)≡0.
Thus a(t),b(t) can't be polynomials.