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同次形一階微分方程式と置換md d3b0556
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同次形一階微分方程式どうじけいいっかいびぶんほうていしき置換ちかん

date2026-07-16document_iddoc_5f819de6f12e89e191c3b5195bc234f1description一階微分方程式の同次形を、比 y/x を未知関数にする置換で変数分離形へ帰着する定石として証明付きで整理する。prerequisites一階微分方程式の分類と最初の判定 / 変数分離形と自律方程式type講義content_typelecturestatusactiverelateddata/lecture/math/differential-equations/classifying-first-order-odes.lecture.n.md / data/lecture/math/differential-equations/separable-equations-and-autonomous-systems.lecture.n.md / data/lecture/math/differential-equations/bernoulli-equations.lecture.n.md / data/lecture/math/differential-equations/first-order-ode-solution-diagnostics.lecture.n.md / data/exercise/math/differential-equations/classifying-and-solving-first-order-odes.exercise.n.md
mathdifferential-equationsfirst-ordersubstitutionlecture

1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、一階微分方程式いっかいびぶんほうていしき同次形どうじけいを、あたらしい未知関数みちかんすう

v=yx

によって変数分離形へんすうぶんりけい帰着きちゃくする方法ほうほう説明せつめいする。

ここでいう同次形どうじけいは、二階線型にかいせんけいでいう「右辺うへんが 0」の同次どうじとはべつ用語ようごである。本講義ほんこうぎでは、「 y/x のみに依存いぞんする一階方程式いっかいほうていしき」を意味いみするものとする。

2標準形ひょうじゅんけい

同次形どうじけいhomogeneous first-order equationとは、

y=F(yx)

整理せいりできる一階微分方程式いっかいびぶんほうていしきである。x=0 では y/x定義ていぎできないため、x>0x<0 のように 0ふくまない区間くかんかんがえる。

3置換ちかん v=y/x導入どうにゅう

右辺うへんy/x のみに依存いぞんするため、そのあたらしい未知関数みちかんすう

v(x)=y(x)x

とおく。

このとき

y=xv

である。せき微分公式びぶんこうしきより

y=v+xv

である。このしきもと方程式ほうていしき代入だいにゅうすると、vx方程式ほうていしきわる。

4命題めいだい同次形どうじけい変数分離形へんすうぶんりけい帰着きちゃくする

仮定かていとして、

y=F(yx)

x0区間くかんかんがえる。v=y/x とおくと、v

xv=F(v)-v

たす。とくF(v)-v0範囲はんいでは、

dvF(v)-v=dxx

という変数分離形へんすうぶんりけい帰着きちゃくする。

4.1証明しょうめい

v=y/x だから y=xv である。せき微分公式びぶんこうしきより、

y=v+xv

である。もと方程式ほうていしき代入だいにゅうすると、

v+xv=F(v)

である。したがって

xv=F(v)-v

る。x0 かつ F(v)-v0範囲はんいでは、

dvF(v)-v=dxx

分離ぶんりできる。

なお F(a)-a=0たす定数ていすう a があれば、v=a、すなわち y=axかいである。この直線解ちょくせんかいF(v)-vじょするまえ確認かくにんする。

5れいy=1+yx

y=1+yx

F(yx)=1+yx

同次形どうじけいである。v=y/x、つまり y=xv とおくと、

y=v+xv

である。したがって

v+xv=1+v

となり、

xv=1

る。これは

v=1x

であり、直接積分ちょくせつせきぶんできる。よって

v=log|x|+C

である。v=y/xもどして、

y=x(log|x|+C)

る。

6適用てきようできないれい

y=x+y

y/x関数かんすうだけでは表現ひょうげんできない。したがって v=y/x置換ちかん適用てきようできない。この方程式ほうていしき

y-y=x

整理せいりできるので、一階線型いっかいせんけいとしてあつかう。

data/lecture/math/differential-equations/first-order-linear-odes-and-integrating-factors.lecture.n.md

7まとめ

同次形どうじけいには、つぎ手順てじゅん適用てきようする。

  1. y=F(y/x)整理せいりできるかを確認かくにんする。
  2. x=0ふくまない区間くかんかんがえる。
  3. v=y/x、すなわち y=xvく。
  4. y=v+xv代入だいにゅうする。
  5. F(v)-v定数根ていすうこん除算前じょざんまえ確認かくにんし、のこりを vx変数分離形へんすうぶんりけい帰着きちゃくする。

つぎの Bernoulli 方程式ほうていしきでは、y1-n置換ちかんによって非線型方程式ひせんけいほうていしき一階線型方程式いっかいせんけいほうていしき帰着きちゃくする。

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8演習えんしゅうリンク

data/exercise/math/differential-equations/classifying-and-solving-first-order-odes.exercise.n.md

Homogeneous First-Order Differential Equations and Substitution

1Introduction

This lecture explains how the substitution

v=yx

reduces a homogeneous first-order differential equation to a separable equation. Here, homogeneous means dependence on the ratio y/x; it is distinct from the term homogeneous used for a second-order linear equation with zero right-hand side.

2Standard Form

A homogeneous first-order equation can be written as

y=F(yx).

Because y/x is undefined at x=0, solutions are considered on intervals contained in either x>0 or x<0.

3Introducing the Substitution v=y/x

Since the right-hand side depends only on y/x, define

v(x)=y(x)x.

Then y=xv, and the product rule gives

y=v+xv.

Substitution converts the original equation into an equation involving v and x.

4Proposition: Reduction to a Separable Equation

Consider

y=F(yx)

on an interval where x0. With v=y/x, the function v satisfies

xv=F(v)-v.

On a range where F(v)-v0, this becomes the separable equation

dvF(v)-v=dxx.

4.1Proof

From y=xv and the product rule,

y=v+xv.

Substitution gives

v+xv=F(v),

and hence xv=F(v)-v. Since x0, division by x is valid; where F(v)-v0, the variables can also be separated.

Before division by F(v)-v, check its zeros. If F(a)-a=0, then v=a and therefore y=ax is a straight-line solution.

5Example: y=1+y/x

Set v=y/x and y=xv. Then

v+xv=1+v,

so xv=1 and

v=1x.

Integration yields

v=log|x|+C.

Returning to y=xv gives

y=x(log|x|+C).

6An Equation Outside the Scope

The equation

y=x+y

cannot be expressed as a function of y/x alone, so the substitution v=y/x does not apply. Rewriting it as

y-y=x

shows that it is a first-order linear equation.

data/lecture/math/differential-equations/first-order-linear-odes-and-integrating-factors.lecture.n.md

7Summary

  1. Determine whether the equation can be written as y=F(y/x).
  2. Work on an interval that excludes x=0.
  3. Set v=y/x, equivalently y=xv.
  4. Substitute y=v+xv.
  5. Check constant roots of F(v)-v before division, then reduce the remaining equation to separable form.

The next lecture treats Bernoulli equations, where substitution of y1-n reduces a nonlinear equation to a first-order linear equation.

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8Exercises

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