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大阪大学 基礎工学研究科 数理科学 (システム創成専攻) 2019年度 数理科学 I [4]

Author

Miyake

Description

Kai

(1)

\[ \begin{aligned} \lim_{t \ \downarrow \ 0} \frac{d^2 y(t)}{dt^2} &= \lim_{t \ \downarrow \ 0} \left( 2 x(t) - 2 \right) = -2 \\ \lim_{t \to \infty} \frac{d^2 y(t)}{dt^2} &= \lim_{t \to \infty} \left( 2 x(t) - 2 \right) = 0 \end{aligned} \]

(2)

(D) の2番目の式を \(t\) で2回微分して、1番目の式を使うと、

\[ \begin{aligned} \frac{d^4 y(t)}{dt^4} - 2 \cdot \left( - 2 y(t) \right) &= 0 \\ \therefore \ \ \frac{d^4 y(t)}{dt^4} + 4 y(t) &= 0 \end{aligned} \]

を得る。

(3)

\(y(t) = e^{kt}\) を (2) で得た微分方程式に代入すると、 特性方程式

\[ \begin{aligned} k^4 + 4 = 0 \end{aligned} \]

を得る。 したがって、特性根は、

\[ \begin{aligned} k = 1+i, 1-i, -1+i, -1-i \end{aligned} \]

である。

(4)

(2) で得た微分方程式の独立な特殊解は、 (3) より、

\[ \begin{aligned} e^{(1+i)t}, e^{(1-i)t}, e^{(-1+i)t}, e^{(-1-i)t} \end{aligned} \]

であるが、実数値関数の

\[ \begin{aligned} e^t \sin t, e^t \cos t, e^{-t} \sin t, e^{-t} \cos t \end{aligned} \]

も同様である。 したがって、実数解 \(y(t)\) は、実数 \(A, B, C, D\) を使って、

\[ \begin{aligned} y(t) = A e^t \sin t + B e^t \cos t + C e^{-t} \sin t + D e^{-t} \cos t \end{aligned} \]

と書ける。

条件 \(\lim_{t \to \infty} y(t) = 0\) より \(A=B=0\) であり、 条件 \(\lim_{t \ \downarrow \ 0} y(t) = 0\) より \(D=0\) であることがわかる。 よって、

\[ \begin{aligned} y(t) = C e^{-t} \sin t \end{aligned} \]

となり、

\[ \begin{aligned} \frac{dy(t)}{dt} &= C e^{-t} (\cos t - \sin t) \\ \frac{d^2 y(t)}{dt^2} &= -2C e^{-t} \cos t \end{aligned} \]

となる。

ここで、条件 \(\lim_{t \ \downarrow \ 0} d^2 y(t) / dt^2 = -2\) より \(C=1\) がわかり、

\[ \begin{aligned} y(t) &= e^{-t} \sin t \\ \frac{d^2 y(t)}{dt^2} &= -2 e^{-t} \cos t \end{aligned} \]

を得る。 これは、条件 \(\lim_{t \to \infty} d^2 y(t) / dt^2 = 0\) を満たす。

また、このとき、

\[ \begin{aligned} x(t) &= \frac{1}{2} \frac{d^2 y(t)}{dt^2} + 1 \\ &= - e^{-t} \cos t + 1 \end{aligned} \]

となる。

以上より、求める実数解 \(x(t), y(t)\) は、

\[ \begin{aligned} x(t) &= - e^{-t} \cos t + 1 \\ y(t) &= e^{-t} \sin t \end{aligned} \]

である。