東京大学 新領域創成科学研究科 人間環境学専攻 2024年8月実施 微分方程
Author
思齐塾, 祭音Myyura
Description
以下の微分方程式 1), 2), 3), 4) について一般解をそれぞれ求めよ。
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dx3d3y−9dx2d2y+27dxdy−27y=0
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dx2d2y+y=sin3x
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dx3d3y−3dx2d2y=0
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(x−y)dx+(2x2y+x)dy+4x2zdz=0
题目描述
分别求下列四个微分方程的通解:
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求解:
dx3d3y−9dx2d2y+27dxdy−27y=0.
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求解:
dx2d2y+y=sin3x.
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求解:
dx3d3y−3dx2d2y=0.
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求解:
(x−y)dx+(2x2y+x)dy+4x2zdz=0.
Kai
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The characteristic equation is r3−9r2+27r−27=0 , which can be factored as (r−3)3=0 . Thus, r=3 is a triple root. The general solution is y(x)=c1e3x+c2xe3x+c3x2e3x .
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The homogeneous equation is dx2d2y+y=0 . The characteristic equation is r2+1=0 , so r=±i . The homogeneous solution is yh(x)=c1cosx+c2sinx . For the particular solution, let yp(x)=Acos3x+Bsin3x . Then yp′(x)=−3Asin3x+3Bcos3x and yp′′(x)=−9Acos3x−9Bsin3x . Substituting into the differential equation gives −9Acos3x−9Bsin3x+Acos3x+Bsin3x=sin3x . Thus, −8A=0 and −8B=1 , so A=0 and B=−81 . Therefore, yp(x)=−81sin3x . The general solution is y(x)=c1cosx+c2sinx−81sin3x .
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The characteristic equation is r3−3r2=0 , so r2(r−3)=0 . The roots are r=0 (double root) and r=3 . The general solution is y(x)=c1+c2x+c3e3x .
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x=0 の領域で積分因子 μ=x−2 を掛けると
(x1−x2y)dx+(2y+x1)dy+4zdz=0.
この微分形式は完全であり、
∂x∂(log∣x∣+xy+y2+2z2)=x1−x2y,
∂y∂(log∣x∣+xy+y2+2z2)=x1+2y,∂z∂(log∣x∣+xy+y2+2z2)=4z.
したがって一般積分は
log∣x∣+xy+y2+2z2=C(x=0).
また x=0 は、もとの微分形式の引き戻しが恒等的に零となる特異積分面である。