九州大学 システム情報科学府 情報学専攻・情報知能工学専攻・電気電子工学専攻 共通 2013年度入学 数学 問2(微分方程式)
Author
思齐塾 , 祭音Myyura
Description
出典:九州大学公式問題(保存版) 。
次の微分方程式の一般解を求めよ.なお、 y ′ y' y ′ は関数 y ( x ) y(x) y ( x ) の x x x に関する1階導関数を表している。
(1) y ′ = 3 x + y − 5 x − 3 y − 5 y' = \frac{3x + y - 5}{x - 3y - 5} y ′ = x − 3 y − 5 3 x + y − 5
(2) y ′ ′ − 2 y ′ − 3 y = e x + e 3 x + cos x y'' - 2y' - 3y = e^x + e^{3x} + \cos x y ′′ − 2 y ′ − 3 y = e x + e 3 x + cos x
(3) y ′ ′ ′ ′ − 4 y ′ ′ ′ + 7 y ′ ′ − 6 y ′ + 2 y = 0 y'''' - 4y''' + 7y'' - 6y' + 2y = 0 y ′′′′ − 4 y ′′′ + 7 y ′′ − 6 y ′ + 2 y = 0
题目描述
求下列三个微分方程的通解,其中 y ′ y' y ′ 表示函数 y ( x ) y(x) y ( x ) 关于 x x x 的一阶导数,y ′ ′ , y ′ ′ ′ , y ′ ′ ′ ′ y'',y''',y'''' y ′′ , y ′′′ , y ′′′′ 依次表示更高阶导数:
y ′ = 3 x + y − 5 x − 3 y − 5 . y'=\frac{3x+y-5}{x-3y-5}. y ′ = x − 3 y − 5 3 x + y − 5 .
y ′ ′ − 2 y ′ − 3 y = e x + e 3 x + cos x . y''-2y'-3y=e^x+e^{3x}+\cos x. y ′′ − 2 y ′ − 3 y = e x + e 3 x + cos x .
y ′ ′ ′ ′ − 4 y ′ ′ ′ + 7 y ′ ′ − 6 y ′ + 2 y = 0. y''''-4y'''+7y''-6y'+2y=0. y ′′′′ − 4 y ′′′ + 7 y ′′ − 6 y ′ + 2 y = 0.
Kai
(1) y ′ = 3 x + y − 5 x − 3 y − 5 y' = \frac{3x + y - 5}{x - 3y - 5} y ′ = x − 3 y − 5 3 x + y − 5
Let x = X + h , y = Y + k x = X + h, y = Y + k x = X + h , y = Y + k . Then y ′ = d Y d X y' = \frac{dY}{dX} y ′ = d X d Y .
d Y d X = 3 ( X + h ) + ( Y + k ) − 5 ( X + h ) − 3 ( Y + k ) − 5 = 3 X + Y + 3 h + k − 5 X − 3 Y + h − 3 k − 5 \frac{dY}{dX} = \frac{3(X+h) + (Y+k) - 5}{(X+h) - 3(Y+k) - 5} = \frac{3X + Y + 3h + k - 5}{X - 3Y + h - 3k - 5} d X d Y = ( X + h ) − 3 ( Y + k ) − 5 3 ( X + h ) + ( Y + k ) − 5 = X − 3 Y + h − 3 k − 5 3 X + Y + 3 h + k − 5
Choose h h h and k k k such that 3 h + k − 5 = 0 3h + k - 5 = 0 3 h + k − 5 = 0 and h − 3 k − 5 = 0 h - 3k - 5 = 0 h − 3 k − 5 = 0 .
Solving these equations gives h = 2 , k = − 1 h = 2, k = -1 h = 2 , k = − 1 .
So x = X + 2 , y = Y − 1 x = X + 2, y = Y - 1 x = X + 2 , y = Y − 1 .
Then d Y d X = 3 X + Y X − 3 Y \frac{dY}{dX} = \frac{3X + Y}{X - 3Y} d X d Y = X − 3 Y 3 X + Y .
Let Y = v X Y = vX Y = v X . Then d Y d X = v + X d v d X \frac{dY}{dX} = v + X\frac{dv}{dX} d X d Y = v + X d X d v .
v + X d v d X = 3 X + v X X − 3 v X = 3 + v 1 − 3 v v + X\frac{dv}{dX} = \frac{3X + vX}{X - 3vX} = \frac{3 + v}{1 - 3v} v + X d X d v = X − 3 v X 3 X + v X = 1 − 3 v 3 + v
X d v d X = 3 + v 1 − 3 v − v = 3 + v − v + 3 v 2 1 − 3 v = 3 + 3 v 2 1 − 3 v X\frac{dv}{dX} = \frac{3 + v}{1 - 3v} - v = \frac{3 + v - v + 3v^2}{1 - 3v} = \frac{3 + 3v^2}{1 - 3v} X d X d v = 1 − 3 v 3 + v − v = 1 − 3 v 3 + v − v + 3 v 2 = 1 − 3 v 3 + 3 v 2
1 − 3 v 3 + 3 v 2 d v = d X X \frac{1 - 3v}{3 + 3v^2}dv = \frac{dX}{X} 3 + 3 v 2 1 − 3 v d v = X d X
∫ 1 − 3 v 3 ( 1 + v 2 ) d v = ∫ d X X \int \frac{1 - 3v}{3(1 + v^2)}dv = \int \frac{dX}{X} ∫ 3 ( 1 + v 2 ) 1 − 3 v d v = ∫ X d X
1 3 ∫ 1 1 + v 2 d v − ∫ v 1 + v 2 d v = ln ∣ X ∣ + C 1 \frac{1}{3} \int \frac{1}{1 + v^2}dv - \int \frac{v}{1 + v^2}dv = \ln|X| + C_1 3 1 ∫ 1 + v 2 1 d v − ∫ 1 + v 2 v d v = ln ∣ X ∣ + C 1
1 3 arctan ( v ) − 1 2 ln ( 1 + v 2 ) = ln ∣ X ∣ + C 1 \frac{1}{3} \arctan(v) - \frac{1}{2} \ln(1 + v^2) = \ln|X| + C_1 3 1 arctan ( v ) − 2 1 ln ( 1 + v 2 ) = ln ∣ X ∣ + C 1
1 3 arctan ( Y X ) − 1 2 ln ( 1 + ( Y X ) 2 ) = ln ∣ X ∣ + C 1 \frac{1}{3} \arctan(\frac{Y}{X}) - \frac{1}{2} \ln(1 + (\frac{Y}{X})^2) = \ln|X| + C_1 3 1 arctan ( X Y ) − 2 1 ln ( 1 + ( X Y ) 2 ) = ln ∣ X ∣ + C 1
1 3 arctan ( Y X ) − 1 2 ln ( X 2 + Y 2 X 2 ) = ln ∣ X ∣ + C 1 \frac{1}{3} \arctan(\frac{Y}{X}) - \frac{1}{2} \ln(\frac{X^2 + Y^2}{X^2}) = \ln|X| + C_1 3 1 arctan ( X Y ) − 2 1 ln ( X 2 X 2 + Y 2 ) = ln ∣ X ∣ + C 1
1 3 arctan ( Y X ) − 1 2 ln ( X 2 + Y 2 ) + 1 2 ln ( X 2 ) = ln ∣ X ∣ + C 1 \frac{1}{3} \arctan(\frac{Y}{X}) - \frac{1}{2} \ln(X^2 + Y^2) + \frac{1}{2} \ln(X^2) = \ln|X| + C_1 3 1 arctan ( X Y ) − 2 1 ln ( X 2 + Y 2 ) + 2 1 ln ( X 2 ) = ln ∣ X ∣ + C 1
1 3 arctan ( Y X ) − 1 2 ln ( X 2 + Y 2 ) + ln ∣ X ∣ = ln ∣ X ∣ + C 1 \frac{1}{3} \arctan(\frac{Y}{X}) - \frac{1}{2} \ln(X^2 + Y^2) + \ln|X| = \ln|X| + C_1 3 1 arctan ( X Y ) − 2 1 ln ( X 2 + Y 2 ) + ln ∣ X ∣ = ln ∣ X ∣ + C 1
1 3 arctan ( Y X ) − 1 2 ln ( X 2 + Y 2 ) = C 1 \frac{1}{3} \arctan(\frac{Y}{X}) - \frac{1}{2} \ln(X^2 + Y^2) = C_1 3 1 arctan ( X Y ) − 2 1 ln ( X 2 + Y 2 ) = C 1
1 3 arctan ( y + 1 x − 2 ) − 1 2 ln ( ( x − 2 ) 2 + ( y + 1 ) 2 ) = C 1 \frac{1}{3} \arctan(\frac{y+1}{x-2}) - \frac{1}{2} \ln((x-2)^2 + (y+1)^2) = C_1 3 1 arctan ( x − 2 y + 1 ) − 2 1 ln (( x − 2 ) 2 + ( y + 1 ) 2 ) = C 1
This arctangent expression is local to intervals with x ≠ 2 x\ne2 x = 2 . More generally, choose a continuous argument θ = Arg ( ( x − 2 ) + i ( y + 1 ) ) \theta=\operatorname{Arg}((x-2)+i(y+1)) θ = Arg (( x − 2 ) + i ( y + 1 )) along the solution and write
θ 3 − 1 2 log ( ( x − 2 ) 2 + ( y + 1 ) 2 ) = C 1 . \frac{\theta}{3}-\frac12\log\bigl((x-2)^2+(y+1)^2\bigr)=C_1. 3 θ − 2 1 log ( ( x − 2 ) 2 + ( y + 1 ) 2 ) = C 1 .
This also describes regular solutions crossing x = 2 x=2 x = 2 with y ≠ − 1 y\ne-1 y = − 1 . The original differential equation requires x − 3 y − 5 ≠ 0 x-3y-5\ne0 x − 3 y − 5 = 0 ; the point ( 2 , − 1 ) (2,-1) ( 2 , − 1 ) is excluded.
(2) y ′ ′ − 2 y ′ − 3 y = e x + e 3 x + cos x y'' - 2y' - 3y = e^x + e^{3x} + \cos x y ′′ − 2 y ′ − 3 y = e x + e 3 x + cos x
The homogeneous equation is y ′ ′ − 2 y ′ − 3 y = 0 y'' - 2y' - 3y = 0 y ′′ − 2 y ′ − 3 y = 0 .
The characteristic equation is r 2 − 2 r − 3 = 0 r^2 - 2r - 3 = 0 r 2 − 2 r − 3 = 0 .
( r − 3 ) ( r + 1 ) = 0 (r - 3)(r + 1) = 0 ( r − 3 ) ( r + 1 ) = 0 . So r = 3 , − 1 r = 3, -1 r = 3 , − 1 .
The homogeneous solution is y h = c 1 e 3 x + c 2 e − x y_h = c_1 e^{3x} + c_2 e^{-x} y h = c 1 e 3 x + c 2 e − x .
For e x e^x e x , try A e x Ae^x A e x . Then A e x − 2 A e x − 3 A e x = e x Ae^x - 2Ae^x - 3Ae^x = e^x A e x − 2 A e x − 3 A e x = e x . So − 4 A = 1 -4A = 1 − 4 A = 1 , and A = − 1 4 A = -\frac{1}{4} A = − 4 1 .
For e 3 x e^{3x} e 3 x , try B x e 3 x Bxe^{3x} B x e 3 x . Then B ( 6 e 3 x + 9 x e 3 x ) − 2 B ( e 3 x + 3 x e 3 x ) − 3 B x e 3 x = e 3 x B(6e^{3x} + 9xe^{3x}) - 2B(e^{3x} + 3xe^{3x}) - 3Bxe^{3x} = e^{3x} B ( 6 e 3 x + 9 x e 3 x ) − 2 B ( e 3 x + 3 x e 3 x ) − 3 B x e 3 x = e 3 x . So 4 B = 1 4B = 1 4 B = 1 , and B = 1 4 B = \frac{1}{4} B = 4 1 .
For cos x \cos x cos x , try C cos x + D sin x C\cos x + D\sin x C cos x + D sin x . Then ( − C cos x − D sin x ) − 2 ( − C sin x + D cos x ) − 3 ( C cos x + D sin x ) = cos x (-C\cos x - D\sin x) - 2(-C\sin x + D\cos x) - 3(C\cos x + D\sin x) = \cos x ( − C cos x − D sin x ) − 2 ( − C sin x + D cos x ) − 3 ( C cos x + D sin x ) = cos x .
− 4 C − 2 D = 1 , 2 C − 4 D = 0 -4C - 2D = 1, 2C - 4D = 0 − 4 C − 2 D = 1 , 2 C − 4 D = 0 . So C = 2 D C = 2D C = 2 D . − 8 D − 2 D = 1 -8D - 2D = 1 − 8 D − 2 D = 1 . So D = − 1 10 D = -\frac{1}{10} D = − 10 1 and C = − 1 5 C = -\frac{1}{5} C = − 5 1 .
The general solution is y = c 1 e 3 x + c 2 e − x − 1 4 e x + 1 4 x e 3 x − 1 5 cos x − 1 10 sin x y = c_1 e^{3x} + c_2 e^{-x} - \frac{1}{4} e^x + \frac{1}{4}xe^{3x} - \frac{1}{5}\cos x - \frac{1}{10} \sin x y = c 1 e 3 x + c 2 e − x − 4 1 e x + 4 1 x e 3 x − 5 1 cos x − 10 1 sin x .
(3) y ′ ′ ′ ′ − 4 y ′ ′ ′ + 7 y ′ ′ − 6 y ′ + 2 y = 0 y'''' - 4y''' + 7y'' - 6y' + 2y = 0 y ′′′′ − 4 y ′′′ + 7 y ′′ − 6 y ′ + 2 y = 0
The characteristic equation is r 4 − 4 r 3 + 7 r 2 − 6 r + 2 = 0 r^4 - 4r^3 + 7r^2 - 6r + 2 = 0 r 4 − 4 r 3 + 7 r 2 − 6 r + 2 = 0 .
By inspection, r = 1 r = 1 r = 1 is a root twice. So ( r − 1 ) 2 = r 2 − 2 r + 1 (r-1)^2 = r^2 - 2r + 1 ( r − 1 ) 2 = r 2 − 2 r + 1 is a factor.
( r 4 − 4 r 3 + 7 r 2 − 6 r + 2 ) ÷ ( r 2 − 2 r + 1 ) = r 2 − 2 r + 2 (r^4 - 4r^3 + 7r^2 - 6r + 2) \div (r^2 - 2r + 1) = r^2 - 2r + 2 ( r 4 − 4 r 3 + 7 r 2 − 6 r + 2 ) ÷ ( r 2 − 2 r + 1 ) = r 2 − 2 r + 2 .
So r 2 − 2 r + 2 = 0 r^2 - 2r + 2 = 0 r 2 − 2 r + 2 = 0 . r = 2 ± 4 − 8 2 = 1 ± i r = \frac{2 \pm \sqrt{4 - 8}}{2} = 1 \pm i r = 2 2 ± 4 − 8 = 1 ± i .
Therefore the general solution is y = c 1 e x + c 2 x e x + c 3 e x cos x + c 4 e x sin x y = c_1 e^x + c_2 xe^x + c_3 e^x \cos x + c_4 e^x \sin x y = c 1 e x + c 2 x e x + c 3 e x cos x + c 4 e x sin x .