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一般二階線型常微分方程式の基礎理論md ab8c2a1
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一般二階線型常微分方程式いっぱんにかいせんけいじょうびぶんほうていしき基礎理論きそりろん

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1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、二階線型にかいせんけいという定数係数ていすうけいすう意味いみしないことを明確めいかくにし、一般論いっぱんろん特殊解法とくしゅかいほう分離ぶんりする。

2対象たいしょうとする方程式ほうていしき

一般いっぱん二階線型にかいせんけい標準形ひょうじゅんけい

y'+P(x)y+Q(x)y=R(x)

である。I区間くかんx0I とし、P,Q,R:IK連続れんぞくであると仮定かていする。ただし、ここで KR または Cあらわす。この条件じょうけんのもとで、任意にんいa,bKたいし、初期条件しょきじょうけん y(x0)=a,y(x0)=bたすかい区間くかん I 全体ぜんたい一意いちい存在そんざいする。

3一般理論いっぱんりろん特殊解法とくしゅかいほう区別くべつ

特性方程式とくせいほうていしき二階線型にかいせんけい一般解法いっぱんかいほうではない。係数けいすう定数ていすうであり、erx微分びぶんかたち保存ほぞんされる場合ばあい適用てきようできる特殊とくしゅ解法かいほうである。この区別くべつをあらかじめ明確めいかくにしなければ、変数係数へんすうけいすう方程式ほうていしきあやまって特性方程式とくせいほうていしき適用てきようすることになる。

4線型理論せんけいりろん骨格こっかく

一般いっぱん二階線型にかいせんけいでは、まず

L[y]=y'+P(x)y+Q(x)y

定義ていぎする。ここで L関数かんすう関数かんすうおく線型作用素せんけいさようそlinear operatorである。実際じっさいu,v を 2 かい微分可能びぶんかのう関数かんすうα,β定数ていすうとすると、微分びぶん線型性せんけいせいより

L[αu+βv]=αL[u]+βL[v]

である。

data/lecture/math/linear-operator/linear-operator-equation-basics.lecture.n.md

同次方程式どうじほうていしき

y'+P(x)y+Q(x)y=0

解集合かいしゅうごうは、加法かほう定数倍ていすうばいじるため線型空間せんけいくうかんになる。ただし、じていることだけでは 2 次元じげんとはえない。2 次元じげんであることは、初期値問題しょきちもんだい存在そんざい一意性いちいせいからしたがう。

基準点きじゅんてん x0 を 1 つ固定こていし、同次どうじかい y

Φ(y)=(y(x0),y(x0))

対応たいおうさせる。Φ線型写像せんけいしゃぞうである。係数けいすう P,Q連続れんぞくであるというこのページの仮定かていのもとでは、任意にんい初期値しょきち (a,b)たいして

y(x0)=a,y(x0)=b

たす同次どうじ方程式ほうていしきかい一意いちい存在そんざいする。したがって Φ同次どうじ解空間かいくうかんから K2 への同型どうけいであり、同次どうじ解空間かいくうかんは 2 次元じげんである。

したがって独立どくりつな 2 かい y1,y2られれば、

yh=C1y1+C2y2

同次解どうじかい一般形いっぱんけいである。

非同次方程式ひどうじほうていしきでは、特殊解とくしゅかい yp を 1 つれば

y=yh+yp

一般解いっぱんかいである。この分解ぶんかい線型性せんけいせい由来ゆらいする。

厳密げんみつには、同次どうじ方程式ほうていしき

L[y]=R

である。L[yp]=Rたす特殊解とくしゅかい yp が 1 つあるとする。hkerL なら

L[yp+h]=L[yp]+L[h]=R

なので yp+hかいである。ぎゃくyL[y]=Rかいなら

L[y-yp]=L[y]-L[yp]=R-R=0

であるから、y-ypkerL である。したがって同次どうじかい全体ぜんたい

yp+kerL

である。ここでの kerL が、同次どうじ方程式ほうていしき解空間かいくうかんである。

5一次連立系いちじれんりつけいとしての観点かんてん

一般いっぱん二階線型にかいせんけいは、一階連立系いっかいれんりつけい変換へんかんすると理論りろん構造こうぞう明確めいかくになる。x1=y,x2=y設定せっていすると、

(x1x2)=(01-Q(x)-P(x))(x1x2)+(0R(x))

る。係数けいすう連続れんぞくなら、この一階連立系いっかいれんりつけい標準理論ひょうじゅんりろんにより初期値しょきち y(x0),y(x0) からかい一意いちい決定けっていされる。二階にかい初期条件しょきじょうけんが 2 ほん必要ひつようになる理由りゆうは、状態じょうたいyy の 2 成分せいぶんつからである。

この観点かんてんは、定数係数ていすうけいすう特性方程式とくせいほうていしき連立系れんりつけい固有値こゆうちおな情報じょうほうあらわしていることも説明せつめいする。定数係数ていすうけいすうなら行列ぎょうれつ定数ていすうとなり、固有値こゆうちにより指数関数しすうかんすう時間発展じかんはってん分解ぶんかいできる。

一次連立系いちじれんりつけいへの変換へんかん行列指数関数ぎょうれつしすうかんすう固有値こゆうちとの対応たいおうは、後続講義こうぞくこうぎ詳述しょうじゅつする。

data/lecture/math/differential-equations/first-order-systems-and-matrix-exponentials.lecture.n.md

6Wronskian と独立性どくりつせい

独立どくりつな 2 かい y1,y2確認かくにんするとき、Wronskian

W(y1,y2)=y1y2-y1y2

もちいる。W(x0)0 なら、係数けいすう連続れんぞく区間くかんでは y1,y2基本解系きほんかいけい構成こうせいする。実際じっさい、Abel の恒等式こうとうしき

W(x)=W(x0)exp(-x0xP(s)ds)

により、Wronskian は区間内くかんないほかてんでも 0 にならない。ぎゃくに、2 かい線型従属せんけいじゅうぞくなら Wronskian は恒等的こうとうてきに 0 である。したがって Wronskian は 2 かい線型独立性せんけいどくりつせい判定はんていし、同次解空間どうじかいくうかんが 2 次元じげんであるという既知きち事実じじつあわせて、その 2 かい基本解系きほんかいけい構成こうせいすることを確認かくにんする。

7解法かいほう選択基準せんたくきじゅん

状況じょうきょう候補こうほとなる方法ほうほう理由りゆう
定数係数ていすうけいすう特性方程式とくせいほうていしきerxかたち保存ほぞんされる
定数係数ていすうけいすう非同次方程式ひどうじほうていしきで、外力項がいりょくこうふく有限次元関数空間ゆうげんじげんかんすうくうかん微分びぶん不変ふへん未定係数法みていけいすうほう有限次元ゆうげんじげん試行空間しこうくうかん選択せんたくできる。共鳴時きょうめいじには同次解どうじかいとの重複ちょうふくのぞくよう試行空間しこうくうかん調整ちょうせいする
基本解系きほんかいけい既知きち外力項がいりょくこう連続れんぞく定数変化法ていすうへんかほう同次解どうじかいから特殊解とくしゅかい構成こうせいできる
変数係数へんすうけいすう初等解しょとうかい困難こんなん級数解法きゅうすうかいほう係数比較けいすうひかく局所解きょくしょかい構成こうせいする

8具体例ぐたいれい

y'+xy+y=0

二階線型にかいせんけいであるが、定数係数ていすうけいすうではない。したがって r2+xr+1=0 のような特性方程式とくせいほうていしき作成さくせいしてはならない。x残存ざんぞんするため、erx代入だいにゅう代数方程式だいすうほうていしき生成せいせいしない。

一方いっぽうy'-3y+2y=0 では係数けいすう定数ていすうである。erx代入だいにゅうすると r2-3r+2=0る。この対比たいひにより、特性方程式法とくせいほうていしきほう本質ほんしつ二階にかいではなく定数係数ていすうけいすうにあることが判明はんめいする。

9適用範囲てきようはんい限界げんかい

ここでの一般論いっぱんろん線型性せんけいせいと、区間全体くかんぜんたいにおける正規化後せいきかご係数けいすう P,Q および外力項がいりょくこう R連続性れんぞくせい基礎きそく。正規化前せいきかまえ方程式ほうていしき最高階係数さいこうかいけいすうが 0 になる場合ばあいには、その係数けいすうが 0 でない区間くかん制限せいげんしてから標準形ひょうじゅんけい変形へんけいする必要ひつようがある。非線型ひせんけい二階方程式にかいほうていしきでは、解空間かいくうかん線型構造せんけいこうぞう重合じゅうごう原理げんり一般いっぱんには成立せいりつしない。

10演習えんしゅうリンク

data/exercise/math/differential-equations/second-order-linear-constant-coefficient-odes.exercise.n.md data/exercise/math/differential-equations/second-order-linear-odes.exercise.n.md

11関連かんれんリンク

data/lecture/math/differential-equations/second-order-linear-constant-coefficient-odes.lecture.n.md data/lecture/math/differential-equations/variation-of-parameters-and-wronskian.lecture.n.md data/lecture/math/linear-operator/linear-operator-equation-basics.lecture.n.md

12まえ講義こうぎ

data/lecture/math/differential-equations/second-order-linear-constant-coefficient-odes.lecture.n.md

13つぎ講義こうぎ

data/lecture/math/differential-equations/extensions-of-second-order-linear-odes.lecture.n.md
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