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東京大学 工学系研究科 2017年度 数学 第5問

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\(t \ge 0\) で定義される関数 \(f(t)\) のラプラス変換 \(F(s) = L[f(t)]\)

\[ \begin{align} F(s) = \int_0^{\infty}f(t)e^{-st}\text{d}t \end{align} \]

で定義される。ただし, \(s\) は複素数, \(e\) は自然対数の底とする。以下の問いに答えよ。導出過程を示すこと。

I.

以下の関係式が成り立つことを示せ。

1.

\(n\) が自然数のとき, \(L[t^{n}] = \frac{n!}{s^{n+1}}\)

2.

\(f(t)\) が微分可能であるとき, \(L[\frac{\text{d}f(t)}{\text{d}t}] = sF(s) - f(0)\)

3.

\(a\) が実数のとき, \(L[e^{at}f(t) = F(s - a)]\)

II.

ラプラス変換を用いて, \(t \ge 0\) における以下の微分方程式の解を求めよ。

\[ \begin{align} t\frac{\text{d}^2f(t)}{\text{d}t^2} + (1 + 3t)\frac{\text{d}f(t)}{\text{d}t} + 3f(t) = 0,\quad f(0) = 1,\quad \frac{\text{d}f}{\text{d}t}\bigg|_{t = 0} = -3 \end{align} \]

ただし, \(L[tf(t)] = -\frac{\text{d}}{\text{d}s}F(s)\) の関係式を用いてよい。

III.

次の連立微分方程式を満足する点 \(P(x(t),y(t))\) が, \(t = 0\) のとき点 \((a,b)\) を通るとする。ただし, \(a ,b\) は実数とする。

\[ \left\{ \begin{align} \frac{\text{d}x(t)}{\text{d}t} &= -x(t) \\ \frac{\text{d}y(t)}{\text{d}t} &= x(t) - 2y(t) \nonumber \\ \end{align} \right. \]

1.

ラプラス変換を用いて, \(t \ge 0\) における式(3)の解を求めよ。

2.

問 III.1 の解から \(t\) を消去し, \(x\)\(y\) の関係式を示せ。

3.

\((a,b) = (1,1)\) および \((-1,1)\) のとき, \(t\)\(0\) から無限大まで連続的に変化させた場合の点 \(P\) の軌跡をそれぞれ図示せよ。

Kai

I.

1.

\[ \begin{aligned} L[t^{n}] &= \int_0^{\infty}t^{n} \cdot e^{-st}\text{d}t \\ &= -\frac{1}{s}\bigg[t^{n}e^{-st}\bigg]_0^{\infty} + \frac{n}{s}\int_0^{\infty} t^{n - 1} \cdot e^{-st} \text{d}t \\ &= \frac{n}{s}L[t^{n-1}] \\ &= \frac{n}{s} \cdot \frac{n - 1}{s}L[t^{n - 2}] \\ &= \frac{n}{s} \cdot \frac{n - 1}{s} \cdot \cdots \cdot \frac{n - (n - 1)}{s}L[t^0] \\ &= \frac{n!}{s^{n}} \int_0^{\infty} e^{-st}\text{d}t \\ &= \frac{n!}{s}\bigg[e^{-st}\bigg]_0^{\infty} \\ &= \frac{n!}{s} \cdot \frac{1}{s} = \frac{n!}{s^{n + 1}} \end{aligned} \]

2.

\[ \begin{aligned} L[\frac{\text{d}f(t)}{\text{d}t}] &= \int_0^{\infty} \frac{\text{d}f(t)}{\text{d}t} \cdot e^{-st} \text{d}t \\ &= \bigg[f(t)e^{-st}\bigg]_0^{\infty} + s \int_0^{\infty} f(t)e^{-st}\text{d}t \\ &= -f(0) + sF(s) \end{aligned} \]

3.

\[ \begin{aligned} L[e^{at}f(t)] &= \int_0^{\infty} e^{at}f(t) \cdot e^{-st} \text{d}t \\ &= \int_0^{\infty}f(t) \cdot e^{-(s - a)t}\text{d}t \\ &= F(s - a) \end{aligned} \]

II.

\[ \begin{aligned} t\frac{\text{d}^2f(t)}{\text{d}t^2} + (1 + 3t)\frac{\text{d}f(t)}{\text{d}t} + 3f(t) = 0,\\ f(0) = 1,\quad \frac{\text{d}f}{\text{d}t}\bigg|_{t = 0} = -3 \end{aligned} \]

両辺をラプラス変換すると,

\[ L\bigg[t\frac{\text{d}^2f}{\text{d}t^2}\bigg] + L\bigg[\frac{\text{d}f}{\text{d}t}\bigg] + 3L\bigg[t\frac{\text{d}f}{\text{d}t}\bigg] + 3L[f(t)] = 0 \]

ここで, \(L[tf(t)] = -\frac{\text{d}}{\text{d}s}F(s) = -\frac{\text{d}}{\text{d}s}L[f(t)]\) の関係を利用すると,

\[ \begin{aligned} L\bigg[t\frac{\text{d}^2f}{\text{d}t^2}\bigg] &= -\frac{\text{d}}{\text{d}s}L\bigg[\frac{\text{d}^2f}{\text{d}t^2}\bigg] \\ &= -\frac{\text{d}}{\text{d}s}L\bigg[\frac{\text{d}}{\text{d}t} \frac{\text{d}f}{\text{d}t} \bigg] \\ &= -\frac{\text{d}}{\text{d}s} \bigg\{sL\bigg[\frac{\text{d}f}{\text{d}t}\bigg] - \frac{\text{d}f}{\text{d}t}\bigg|_{t = 0}\bigg\} \quad (\because \text{設問I.2.}) \\ &= -\frac{\text{d}}{\text{d}s}\bigg\{s(sF(s) - f(0)) - (-3)\bigg\} \\ &= -2sF(s) - s^2\frac{\text{d}F}{\text{d}s} + 1 \end{aligned} \]
\[ \begin{aligned} L\bigg[t\frac{\text{d}f}{\text{d}t}\bigg] &= -\frac{\text{d}}{\text{d}s}L\bigg[\frac{\text{d}f}{\text{d}t}\bigg] \\ &= \frac{\text{d}}{\text{d}s}(sF(s) - f(0)) \\ &= -F(s) - s\frac{\text{d}F}{\text{d}s} \end{aligned} \]

であるから, ラプラス変換した微分方程式は, 

\[ \begin{aligned} &-2sF(s) - s^2\frac{\text{d}F}{\text{d}s} + 1 + (sF(s) - 1) \\ &\qquad + 3\big(-F(s) - s\frac{\text{d}F}{\text{d}s}\big) + 3F(s) = 0\\ &\quad (-s^2 - 3s)\frac{\text{d}F}{\text{d}s} - sF(s) = 0 \\ &\qquad \frac{\text{d}F}{F(s)} = -\frac{1}{s + 3}\text{d}s \\ &\quad \log F(s) = -\log(s + 3) + C \\ &\qquad \therefore F(s) = \frac{C'}{s + 3} \end{aligned} \]

となる。ラプラス逆変換により,

\[ f(t) = L^{-1}[F(s)] = L^{-1}\bigg[\frac{C'}{s + 3}\bigg] = C'e^{-3t} \]

\(f(0) = 1\) より, \(C' = 1\) と決まり, 求める解 \(f(t)=e^{-3t}\) を得る。

III.

1.

\(x(t),y(t)\) のラプラス変換をそれぞれ, \(L[x(t)] = X(s)\), \(L[y(t)] = Y(s)\) とおく。連立微分方程式(3)をラプラス変換すると,

\[ \left\{ \begin{align} L\bigg[\frac{\text{d}x(t)}{\text{d}t}\bigg] &= -X(s) \label{(a)} \tag{a} \\ L\bigg[\frac{\text{d}y(t)}{\text{d}t}\bigg] &= X(s) - 2Y(s) \label{(b)} \tag{b} \end{align} \right. \]

\(x(0) = a ,y(0) = b\) であることに注意して, 式 \((\ref{(a)})\) より,

\[ sX(s) - x(0) = -X(s) \]
\[ X(s) = \frac{a}{s + 1} \]
\[ \therefore \quad x(t) =aL^{-1}\bigg[\frac{1}{s + 1}\bigg] = ae^{-t} \]

\((\ref{(b)})\) より,

\[ \begin{aligned} &sY(s) -y(0) = \frac{a}{s + 1} - 2Y(s) \\ &\quad (s + 2)Y(s) = \frac{a}{s + 1} + b \\ &\quad Y(s) = \frac{bs + a + b}{(s + 1)(s + 2)} \\ &\quad Y(s) = \frac{a}{s + 1} - \frac{a - b}{s + 2} \end{aligned} \]
\[ \begin{aligned} \therefore y(t) &= aL^{-1}\bigg[\frac{1}{s + 1}\bigg] - (a - b)L^{-1}\bigg[\frac{1}{s + 2}\bigg] \\ &= ae^{-t} - (a - b)e^{-2t} \end{aligned} \]

求める解は,

\[ \left\{ \begin{aligned} x(t) &= ae^{-t} \\ y(t) &= ae^{-t} - (a - b)e^{-2t} \end{aligned} \right. \]

2.

\(e^{-t} = x/a\)\(y(t)\) の式に代入して,

\[ y = x - \frac{a - b}{a^2}x^2 \]

3.

(i).

\((a,b) = (1,1)\) のとき,

\[ y = x \]

\(t\mid 0 \rightarrow \infty\) のとき, \(x\mid 1 \rightarrow 0 ,y\mid 1 \rightarrow 0\) より, 点 \(P\) の軌跡は下図左のようになる。

(ii).

\((a,b) = (-1,1)\) のとき, \(x\mid -1 \rightarrow 0, y\mid 1 \rightarrow 0\) より, 点 \(P\) の軌跡は下図右のようになる。

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