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京都大学 情報学研究科 数理工学専攻 2016年8月実施 力学系数学

Author

Casablanca

Description

日本語版

\(n\) を自然数、\(ij\) 成分が

\[ a_{ij}(t) = \begin{cases} &1 &(\text{for } i=j) \\ &t &(\text{for } i=j+1) \\ &0 &\text{otherwise} \end{cases} \]

\(n\) 次正方行列を \(A(t)\) として、\(t > 0\) において \(n\) 元連立線形微分方程式

\[ \frac{dx}{dt} = \frac{1}{t} A(t) x, \quad x \in \mathbb{R}^n \]

を考える。以下の問いに答えよ。

(i) \(n = 1\) のとき一般解を求めよ。

(ii) \(n = 2\) のとき一般解を求めよ。

(iii) 任意の自然数 \(n\) に対して一般解を求めよ。

English Version

Kai

(i)

\[ \frac{dx}{dt} = \frac{x}{t} \]
\[ x = kt, \quad k \text{ is a constant} \]

(ii)

\[ \frac {dx}{dt} = \begin{bmatrix} \frac 1t & 0 \\ 1 & \frac 1t \end{bmatrix} x \]

then

\[ \frac{dx_1}{dt} = \frac 1t x_1 \Rightarrow x_i = kt \]
\[ \frac{dx_2}{dt} = x_2 + \frac{x_2}{t} \Rightarrow kt^2 + mt \]

thus

\[ \boldsymbol{x}(t) = [kt, kt^2 + mt]^\top \]

(iii)

\[ \frac{dx}{dt} = \begin{bmatrix} \frac 1t & 0 &0 & \cdots &0 \\ 1 & \frac 1t &0 &\cdots & 0 \\ 0 & 1 & \frac 1t & \cdots &0 \\ \vdots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ 0 & 0 &0 & \cdots &\frac 1t \end{bmatrix} \]
\[ x_1 = c_1 t, \text{and } \frac{dx_{k+1}}{dt} = x_k + \frac {x_{k+1}}{t} \]

then we get

\[ x_{k+1} = u(t)t \]

thus

\[ x_{k+1} = (\int \frac{x_k}{t} dt + C)t \]
\[ x_{k} = \sum_{i=1}^{k} \frac{c_i}{(i-1)!} t^i \]

Therefore

\[ \boldsymbol{x}(t) = [x_1, x_2, \ldots, x_n]^\top \]