九州大学 システム情報科学府 共通 2015年8月実施 微分方程
Author
思齐塾, 祭音Myyura
Description
x>0 で定義された関数 y(x) に関する以下の微分方程式において,変数変換 x=et を用いて一般解を求めよ.なお, y′ は関数 y(x) の x に関する1階導関数を表している.
(1) x2y′′−xy′−x−3y=0
(2) x3y′′′+6x2y′′+4xy′−4y=0
题目描述
设 y(x) 定义在 x>0 上。使用变量代换
求下列微分方程的通解;其中 y′,y′′,y′′′ 分别表示 y(x) 关于 x 的一、二、三阶导数:
x2y′′−xy′−x−3y=0.
x3y′′′+6x2y′′+4xy′−4y=0.
Kai
Solution to (1): x2y′′−xy′−x−3y=0
Let x=et , then t=lnx . We have:
dxdy=dtdy⋅dxdt=dtdy⋅x1=e−tdtdy
y′=e−tdtdy
dx2d2y=dxd(e−tdtdy)=dtd(e−tdtdy)⋅dxdt=(−e−tdtdy+e−tdt2d2y)⋅e−t=e−2t(dt2d2y−dtdy)
y′′=e−2t(dt2d2y−dtdy)
Substitute into the original equation:
e2t⋅e−2t(dt2d2y−dtdy)−et⋅e−tdtdy−et−3y=0
dt2d2y−dtdy−dtdy−et−3y=0
dt2d2y−2dtdy−3y=et
Let D=dtd . The characteristic equation is D2−2D−3=0 , so (D−3)(D+1)=0 . Thus D=3 or D=−1 .
The homogeneous solution is yh=c1e3t+c2e−t .
For the particular solution, let yp=Aet . Then yp′=Aet and yp′′=Aet .
Aet−2Aet−3Aet=et
−4Aet=et , so A=−41 . Thus yp=−41et .
The general solution is y=c1e3t+c2e−t−41et=c1x3+xc2−41x .
Solution to (2): x3y′′′+6x2y′′+4xy′−4y=0
Let x=et , then t=lnx . We have:
y′=e−tdtdy
y′′=e−2t(dt2d2y−dtdy)
y′′′=e−3t(dt3d3y−3dt2d2y+2dtdy)
Substitute into the original equation:
e3te−3t(dt3d3y−3dt2d2y+2dtdy)+6e2te−2t(dt2d2y−dtdy)+4ete−tdtdy−4y=0
dt3d3y−3dt2d2y+2dtdy+6dt2d2y−6dtdy+4dtdy−4y=0
dt3d3y+3dt2d2y+0dtdy−4y=0
dt3d3y+3dt2d2y−4y=0
Let D=dtd . The characteristic equation is D3+3D2−4=0 , so (D−1)(D+2)2=0 . Thus D=1 or D=−2 .
The general solution is y=c1et+c2e−2t+c3te−2t=c1x+x2c2+x2c3lnx .