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東京工業大学 環境・社会理工学院 融合理工学系 2022年度 午後 問題B [問題1]

Author

Miyake

Description

Kai

1.

(1)

\(f(t)=e^{\lambda t}\) を与えられた微分方程式に代入すると、

\[ \begin{aligned} \lambda^2 - 4 \lambda + 4 = (\lambda-2)^2 = 0 \end{aligned} \]

となるので、一般解は、積分定数を \(C_1, C_2\) として、

\[ \begin{aligned} f(t) = (C_1 + C_2 t) e^{2t} \end{aligned} \]

である。 初期条件を満たすためには、 \(C_1=3, C_2=-2\) とすればよく、

\[ \begin{aligned} f(t) = (3 - 2t) e^{2t} \end{aligned} \]

が求める解である。

(2)

与えられた微分方程式を斉次にした \(f''(t)-4f'(t)+3f(t)=0\) の一般解は、積分定数を \(C_1, C_2\) として、

\[ \begin{aligned} f(t) = C_1 e^t + C_2 e^{3t} \end{aligned} \]

である。 また、 \(f(t)=Ate^t\) を与えられた微分方程式に代入すると \(A = -1/2\) を得る。 よって、与えられた微分方程式の一般解は、

\[ \begin{aligned} f(t) = C_1 e^t + C_2 e^{3t} - \frac{1}{2} t e^t \end{aligned} \]

である。 初期条件を満たすためには、 \(C_1=-7/4, C_2=7/4\) とすればよく、

\[ \begin{aligned} f(t) = -\frac{7}{4} e^t + \frac{7}{4} e^{3t} - \frac{1}{2} t e^t \end{aligned} \]

が求める解である。

(3)

与えられた微分方程式を斉次にした \(f''(t)+3f'(t)+2f(t)=0\) の一般解は、積分定数を \(C_1, C_2\) として、

\[ \begin{aligned} f(t) = C_1 e^{-t} + C_2 e^{-2t} \end{aligned} \]

である。 また、 \(f(t)=At^2+Bt+C\) を与えられた微分方程式に代入すると \(A=4,B=-12,C=14\) を得る。 よって、与えられた微分方程式の一般解は、

\[ \begin{aligned} f(t) = C_1 e^{-t} + C_2 e^{-2t} + 4t^2 - 12t + 14 \end{aligned} \]

である。 初期条件を満たすためには、 \(C_1=-16, C_2=2\) とすればよく、

\[ \begin{aligned} f(t) = -16 e^{-t} + 2 e^{-2t} + 4t^2 - 12t + 14 \end{aligned} \]

が求める解である。

2.