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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) 2020年度 数理科学 I [4]

Author

Miyake

Description

Kai

(1)

まず、 \(y(0)=0\) から \(C_0=0\) がわかる。 よって、

\[ \begin{aligned} y(x) &= \sum_{k=1}^\infty C_k x^k \\ \frac{dy(x)}{dx} &= \sum_{k=1}^\infty k C_k x^{k-1} \end{aligned} \]

となる。 これを与えられた微分方程式に代入すると、

\[ \begin{align} \sum_{k=1}^\infty k C_k x^{k-1} + \sum_{k=1}^\infty (-2 C_k) x^{k+1} = 2x^3 \tag{A} \label{A} \end{align} \]

となる。

(\(\ref{A}\))式の定数項に注目すると、 \(1 C_1 = 0\) であるから、 \(C_1=0\) がわかる。

(\(\ref{A}\))式の \(x\) の項に注目すると、 \(2C_2=0\) であるから、 \(C_2=0\) がわかる。

(\(\ref{A}\))式の \(x^2\) の項に注目すると、 \(3C_3-2C_1=0\) であるから、 \(C_1=0\) より \(C_3=0\) がわかる。

(\(\ref{A}\))式の \(x^3\) の項に注目すると、 \(4C_4-2C_2=2\) であるから、 \(C_2=0\) より \(C_4=1/2\) がわかる。

(2)

\(j\) を非負の整数とする。 (\(\ref{A}\))式の \(x^{2j+2}\) の項に注目すると、

\[ \begin{aligned} (2j+3) C_{2j+3} - 2 C_{2j+1} &= 0 \end{aligned} \begin{aligned} \therefore \ \ C_{2j+3} &= \frac{2}{2j+3} C_{2j+1} \end{aligned} \]

がわかる。 さらに \(C_1=0\) であるから、

\[ \begin{aligned} C_{2j+1} &= 0 \end{aligned} \]

がわかる。

(3)

\(j\)\(2\) 以上の整数とする。 (\(\ref{A}\))式の \(x^{2j+1}\) の項に注目すると、

\[ \begin{aligned} (2j+2) C_{2j+2} - 2 C_{2j} &= 0 \end{aligned} \begin{aligned} \therefore \ \ C_{2j+2} &= \frac{1}{j+1} C_{2j} \end{aligned} \]

がわかる。 さらに \(C_4=1/2\) であるから、

\[ \begin{aligned} C_{2j} &= \frac{1}{j!} \end{aligned} \]

がわかる。

(4)

(1), (2), (3) より、

\[ \begin{aligned} y(x) &= \sum_{j=2}^\infty \frac{1}{j!} x^{2j} \\ &= \sum_{j=0}^\infty \frac{1}{j!} \left( x^2 \right)^j - \left( 1 + x^2 \right) \\ &= \exp \left( x^2 \right) - x^2 - 1 \end{aligned} \]

を得る。 これが与えられた微分方程式と条件を満たすことも確かめられる。