同次形一階微分方程式と置換
mathdifferential-equationsfirst-ordersubstitutionlecture
1導入
この講義では、一階微分方程式の同次形を、新しい未知関数
v=\frac{y}{x}
によって変数分離形へ帰着する方法を説明する。
ここでいう同次形は、二階線型でいう「右辺が 0」の同次とは別の用語である。本講義では、「比 y/x のみに依存する一階方程式」を意味するものとする。
2標準形
同次形とは、
y'=F\left(\frac{y}{x}\right)
に整理できる一階微分方程式である。x=0 では y/x が定義できないため、x>0 や x<0 のように 0 を含まない区間で考える。
3置換 v=y/x の導入
右辺が y/x のみに依存するため、その比を新しい未知関数
v(x)=\frac{y(x)}{x}
とおく。
このとき
y=xv
である。積の微分公式より
y'=v+xv'
である。この式を元の方程式に代入すると、v と x の方程式に変わる。
4命題:同次形は変数分離形へ帰着する
仮定として、
y'=F\left(\frac{y}{x}\right)
を x\ne 0 の区間で考える。v=y/x とおくと、v は
xv'=F(v)-v
を満たす。特に F(v)-v\ne 0 の範囲では、
\frac{dv}{F(v)-v}=\frac{dx}{x}
という変数分離形に帰着する。
4.1証明
v=y/x だから y=xv である。積の微分公式より、
y'=v+xv'
である。元の方程式に代入すると、
v+xv'=F(v)
である。したがって
xv'=F(v)-v
を得る。x\ne 0 かつ F(v)-v\ne 0 の範囲では、
\frac{dv}{F(v)-v}=\frac{dx}{x}
と分離できる。
なお F(a)-a=0 を満たす定数 a があれば、v=a、すなわち y=ax は解である。この直線解は F(v)-v で除する前に確認する。
5例:y'=1+\frac{y}{x}
y'=1+\frac{y}{x}
は
F\left(\frac{y}{x}\right)=1+\frac{y}{x}
の同次形である。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
を得る。これは
v'=\frac{1}{x}
であり、直接積分できる。よって
v=\log|x|+C
である。v=y/x に戻して、
y=x(\log|x|+C)
を得る。
6適用できない例
y'=x+y
は y/x の関数だけでは表現できない。したがって v=y/x の置換は適用できない。この方程式は
y'-y=x
と整理できるので、一階線型として扱う。
data/lecture/math/differential-equations/first-order-linear-odes-and-integrating-factors.lecture.n.md
7まとめ
同次形には、次の手順を適用する。
- y'=F(y/x) に整理できるかを確認する。
- x=0 を含まない区間で考える。
- v=y/x、すなわち y=xv と置く。
- y'=v+xv' を代入する。
- F(v)-v の定数根を除算前に確認し、残りを v と x の変数分離形へ帰着する。
次の Bernoulli 方程式では、y^{1-n} の置換によって非線型方程式を一階線型方程式へ帰着する。
data/lecture/math/differential-equations/bernoulli-equations.lecture.n.md
8演習リンク
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=\frac{y}{x}
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\left(\frac{y}{x}\right).
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)=\frac{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\left(\frac{y}{x}\right)
on an interval where x\ne0. With v=y/x, the function v satisfies
xv'=F(v)-v.
On a range where F(v)-v\ne0, this becomes the separable equation
\frac{dv}{F(v)-v}=\frac{dx}{x}.
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 x\ne0, division by x is valid; where F(v)-v\ne0, 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'=\frac1x.
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
- Determine whether the equation can be written as y'=F(y/x).
- Work on an interval that excludes x=0.
- Set v=y/x, equivalently y=xv.
- Substitute y'=v+xv'.
- 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 y^{1-n} reduces a nonlinear equation to a first-order linear equation.
data/lecture/math/differential-equations/bernoulli-equations.lecture.n.md
8Exercises
data/exercise/math/differential-equations/classifying-and-solving-first-order-odes.exercise.n.md