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大阪大学 情報科学研究科 情報数理学専攻 2020年度 情報数理学 数学解析

Author

Miyake

Description

Kai

1.

まず、 \(x_0(t) = e^{-t}\) は、すぐにわかる。 \(x_1(t)\) については、

\[ \begin{aligned} \frac{dx_1(t)}{dt} &= - x_1(t) + x_0(t) \\ &= - x_1(t) + e^{-t} \end{aligned} \]

なので、適当な関数 \(A(t)\) を使って \(x_1(t) = A(t) e^{-t}\) と書いて、 上の微分方程式に代入すると、

\[ \begin{aligned} \frac{dA(t)}{dt} = 1 \end{aligned} \]

となるので、積分定数を \(C\) として、

\[ \begin{aligned} A(t) &= t + C \\ \therefore \ \ x_1(t) &= (t + C) e^{-t} \end{aligned} \]

であるが、初期条件 \(x_1(0)=0\) を満たすようにするには、 \(C=0\) とすればよく、

\[ \begin{aligned} x_1(t) = t e^{-t} \end{aligned} \]

を得る。 同様にして、

\[ \begin{aligned} x_2(t) = \frac{1}{2} t^2 e^{-t} \end{aligned} \]

を得る。

以上より、 \(k=0,1,2,\cdots\) について、

\[ \begin{aligned} x_k(t) = \frac{1}{k!} t^k e^{-t} \end{aligned} \]

と予想できるが、これは確かに初期条件を満たし、 \(k=1,2,\cdots\) について、

\[ \begin{aligned} \frac{dx_k(t)}{dt} &= \frac{1}{(k-1)!} t^{k-1} e^{-t} - \frac{1}{k!} t^k e^{-t} \\ &= x_{k-1}(t) - x_k(t) \end{aligned} \]

であるから微分方程式も満たす。

2.

3.