東京大学 新領域創成科学研究科 海洋技術環境学専攻 2023年8月実施 第1問
Author
祭音Myyura
Description
以下の微分⽅程式を解け。
dx2d2y+y=sin2x
ただし、x=0 のとき y=dxdy=0。
Solve the following differential equation:
dx2d2y+y=sin2x
where y=dxdy=0 at x=0.
Kai
Step 1. Solve the homogeneous equation
y′′+y=0.
Characteristic equation:
r2+1=0⇒r=±i.
So homogeneous solution:
yh(x)=C1cosx+C2sinx.
Step 2. Find a particular solution
Try yp(x)=Asin2x+Bcos2x.
yp′′=−4Asin2x−4Bcos2x.
Plug into LHS:
yp′′+yp=(−4Asin2x−4Bcos2x)+(Asin2x+Bcos2x)=(−3A)sin2x+(−3B)cos2x.
We want this to equal sin2x.
So:
−3A=1⇒A=−31,−3B=0⇒B=0.
Thus:
yp(x)=−31sin2x.
Step 3. General solution
y(x)=C1cosx+C2sinx−31sin2x.
Step 4. Apply initial conditions
y(0)=C1⋅1+C2⋅0−31sin0=C1=0.
y′(x)=−C1sinx+C2cosx−32cos2x.
y′(0)=−C1⋅0+C2⋅1−32⋅1=C2−32=0.
C2=32.
Final Answer
y(x)=32sinx−31sin2x