東京大学 工学系研究科 2016年8月実施 数学 第1問
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I、以下の定積分を求めよ。
I=∫24(x−2)(4−x)dx(1)
II、以下の微分方程式の一般解と特異解を求めよ。
y=xdxdy+dxdy+(dxdy)2(2)
III、以下の微分方程式の一般解を求めよ。
x2dx2d2y−xdxdy−8y=x2(3)
Kai
(I)
I=∫24(x−2)(4−2)dx=∫241−(x−3)2dx=∫−π/2π/21−sin2θcosθdθ(置換:x−3=sinθ)=∫−π/2π/2dθ=2π−(−2π)=π
(II)
y=xdxdy+dxdy+(dxdy)2y=xy′+y′+(y′)2
xで微分して
y′=y′+xy′′+y′′+2y′y′′y′′(x+1+2y′)=0
(i)
y′′=0 のとき,
となり, 式(2)に代入すると,
ax+bb=a(x+1)+a2=a2+a
である, よって一般解 y=ax+a2+a を得る。
(ii)
x+1+2y′=0 のとき,
y′y=−21(x+1)=−41x2−21x+C
となり, 式(2)に代入すると,
−41x2−21x+CC=(x+1)(−21x−21)+(−21x−21)2=−41
である, よって特異解 y=−41x2−21x−41 を得る。
(III)
x2dx2d2y−xdxdy−8y=x2
x=et とおくと,
dtdxxdxdydx2d2y=et=x,dxdt=x1=xdtdydxdt=dtdy=dxd(x1dtdy)=−x21dtdy+x1dtddxdtdtdy=−x21textdtdy+x21dt2d2y∴x2dx2d2y=dt2d2y−dtdy
であるから,式(3)は,
dt2d2y−dtdy−dtdy−8ydt2d2y−2dtdy−8y=e2t=e2t(4)
となる。特性方程式 λ2−2λ−8=0 の解は,
(λ−4)(λ+2)=0∴λ=−2,4
だから, 斉次の一般解は y=C1e−2t+C2e4t。
一方, 特解を y=Ae2t と予想して式(4)に代入すると,
4Ae2t−4Ae2t−8Ae2t=e2t∴A=−81
となり, 特解 y=−81e2t を得る。よって求める一般解は,
y=C1e−2t+C2e4t−81e2t=C1x−2+C2x4−81x