京都大学 情報学研究科 数理工学専攻 2021年8月実施 力学系数学
Author
Casablanca
Description
日本語版
\(a(t), b(t)\) を \(t\) のある有理式として次の実微分方程式を考える.
以下の問いに答えよ.
(i) \(k \geqq 1\) をある整数として,\(x = t^k\) が式 (1) の解であるための \(a(t), b(t)\) に関する必要十分条件を求めよ.
以下では,ある整数 \(k \geqq 1\) に対して (i) で求めた条件が成り立つものとし,\(\phi(t)\) を \(t^k\) と線形独立な解として,
とおく.
(ii) \(a(t), b(t)\) を \(p(t)\) を用いて表わせ.
(iii) \(p(t) = t\) のとき \(a(t), b(t)\) を定めよ.
(iv) 式 (1) のすべての解が定数でない多項式のとき,\(a(t), b(t)\) は多項式でないことを示せ.
English Version
Kai
(i)
If \(k = 1\), then $a(t) = tb(t) = 0.
If \(k \geq 2\), then \(k(k-1) + kta(t) + t^2b(t) = 0\).
Easy to see \(k(k-1) + kta(t) + t^2b(t) = 0\) is neccessary and sufficient.
(ii)
Let \(\Phi(t) = u(t)t^k, u(t) !\equiv \text{Constant}\),
$$ \Phi '(t) = kt^{k-1}u(t) + t^ku'(t) $$,
then
And we can obtain:
Therefore
(iii)
(iv)
Let \(x_1\), \(x_2\) be 2 independent particular solutions, then
and we have
so we get
Let \(A(t)\) denote \(\int a(t)dt\). Since \(a(t)\) is a polynomial, and \(Ce^{-A(t)}\) is a polynomial for \(x_1'x_2 - x_1x_2'\) is a polynomial, we obtain \(a(t) \equiv 0\).
Then, consider
If \(x_1, x_2\) are independent polynomials, and \(b(t)\) is polynomials, suppose that \(x(t)\) is \(m\) times and \(b(t)\) is \(n\) times, then \(b(t) \equiv 0\). Thus \(a(t), b(t)\) can't be polynomials.