非同次方程式と未定係数法
mathdifferential-equationsnonhomogeneouslecture
1導入
この講義では、非同次線型方程式の一般解を同次解と特殊解に分解し、未定係数法が成立する条件を明示する。
2標準形
L[y]=ay''+by'+cy=f(x),\qquad a\ne0
を考える。ここでは a,b,c が定数である場合を中心に扱う。
3線型性による解集合の構造
線型性により、y_p が L[y_p]=f(x) を満たし、y_h が L[y_h]=0 を満たすなら、
L[y_h+y_p]=f(x)
である。したがって一般解は y=y_h+y_p となる。
これは線型作用素方程式の一般定理そのものである。L[y_p]=f を満たす特殊解が 1 つあるとする。h\in\ker L なら
L[y_p+h]=L[y_p]+L[h]=f+0=f
なので y_p+h は解である。逆に y も L[y]=f の解なら
L[y-y_p]=L[y]-L[y_p]=f-f=0
であるから、y-y_p\in\ker L である。したがって解全体は
y_p+\ker L
であり、同次解空間は \ker L である。
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4未定係数法の条件
未定係数法 は、定数係数であり、右辺 f(x) が多項式・指数関数・正弦・余弦、またはそれらの有限和・有限積である場合に特に有効である。
この条件が必要になる理由は、これらの関数族が微分で有限次元空間の内部に留まるからである。たとえば e^{2x} は微分しても e^{2x} の定数倍である。
候補は右辺をそのまま模倣するのではなく、微分で閉じる関数空間を選択する。
| 右辺の形 | 特殊解候補の基本形 | 理由 |
| p_n(x) | n 次多項式 | 微分で次数が下がるだけである |
| e^{\alpha x} | Ae^{\alpha x} | 微分で定数倍になる |
| \cos \beta x,\ \sin \beta x | A\cos\beta x+B\sin\beta x | 微分で 2 次元空間の内部に留まる |
| e^{\alpha x}p_n(x) | e^{\alpha x}q_n(x) | 指数因子と多項式空間が保たれる |
5具体例 1:右辺が多項式の場合
y''-y=x
を考える。同次解は y_h=C_1e^x+C_2e^{-x} である。右辺が 1 次多項式であるため、特殊解候補を y_p=Ax+B と設定する。この候補を選択する理由は、微分しても 1,x の張る有限次元空間の内部に留まるためである。
y_p''-y_p=0-(Ax+B)=-Ax-B
これが x に一致するため、-A=1、-B=0 であり、A=-1,\ B=0 を得る。したがって特殊解は y_p=-x であり、
y=C_1e^x+C_2e^{-x}-x
を得る。計算の要点は、候補を推測することではなく、候補空間が微分作用で閉じることを利用する点にある。
6共鳴と補正
y''+y=\cos x
では同次解に \cos x,\sin x が含まれる。したがって A\cos x+B\sin x を特殊解候補にすると同次解と重複し、新たな特殊解を生成できない。この場合は x(A\cos x+B\sin x) とし、線型独立性を回復する。
実際、y_p=x(A\cos x+B\sin x) と設定して代入すると、一つの特殊解として y_p=\frac{1}{2}x\sin x が得られる。x を掛ける操作は暗記項目ではなく、同次解空間との重複を回避するための線型代数的補正である。
作用素の表現では、最初の候補が \ker L に属すると、L を作用させても 0 となり、右辺を生成できない。そこで、x を乗じた候補へ変更する。これは「候補を同次解空間との重複から除外し、L の像として右辺を生成する」ための補正である。ただし、x を乗じる回数は根の重複度や候補空間に依存するため、共鳴補正は未定係数法の適用条件に基づいて決定する必要がある。
7反例となる状況
y''+y=\tan x
では \tan x とその導関数は有限個の候補関数で閉じない。したがって未定係数法は自然な方法ではない。この場合は定数変化法などを検討する。
さらに、係数が変数に依存する y''+x y=f(x) のような方程式では、右辺が単純でも未定係数法の構造は崩れる。未定係数法は、定数係数の線型作用素が有限次元関数空間を保つことに依存するためである。
8未定係数法と定数変化法の適用範囲の比較
| 方法 | 長所 | 制約 |
| 未定係数法 | 計算が簡潔である | 定数係数と右辺の形に強く依存する |
| 定数変化法 | 右辺の形に比較的依存しない | 積分計算が複雑になりやすい |
最初に未定係数法を試行する理由は計算効率である。ただし適用条件を満たさない場合には、定数変化法や基本解行列への移行を判断する必要がある。
9適用範囲と限界
未定係数法は、定数係数線型作用素が有限次元関数空間を保つ場合に計算効率を発揮する方法である。したがって、右辺の形が複雑な場合、係数が変数に依存する場合、または同次解との重複を補正しない場合には破綻する。
ただし、未定係数法が不適であることは、非同次方程式の可解性を否定しない。定数変化法は右辺の形への依存が弱く、積分表示として特殊解を構成できる場合が多い。方法選択では、候補空間が微分で閉じるかを最初に確認する。
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11次の講義
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12演習
data/exercise/math/differential-equations/nonhomogeneous-equations-and-particular-solutions.exercise.n.md
13関連リンク
data/lecture/math/linear-operator/linear-operator-equation-basics.lecture.n.md
data/lecture/math/linear-operator/polynomial-operators-and-eigenvalue-problems.lecture.n.md
data/lecture/math/linear-operator/heaviside-operator-method-and-transforms.lecture.n.md
Nonhomogeneous Equations and the Method of Undetermined Coefficients
1Introduction
This lecture decomposes the general solution of a nonhomogeneous linear equation into a homogeneous solution and a particular solution and states the conditions under which the method of undetermined coefficients applies.
2Standard Form
Consider
L[y]=ay''+by'+cy=f(x),
with constant coefficients a,b,c and a\ne0.
3Affine Structure of the Solution Set
Suppose that L[y_p]=f and L[y_h]=0. Linearity gives
L[y_h+y_p]=f.
More precisely, if h\in\ker L, then L[y_p+h]=f. Conversely, if L[y]=f, then L[y-y_p]=0, so y-y_p\in\ker L. The complete solution set is therefore the affine space
y_p+\ker L.
The homogeneous solution space is \ker L. This is the general structure of a linear operator equation.
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4Conditions for the Method of Undetermined Coefficients
The {method of undetermined coefficients} is especially effective when the differential operator has constant coefficients and f(x) is a polynomial, an exponential, a sine or cosine, or a finite sum or product of such functions. These function families lie in finite-dimensional spaces preserved by differentiation. A trial function must therefore span a differentiation-invariant function space rather than merely imitate the displayed forcing term.
| Form of the forcing term | Basic form of a trial particular solution | Reason |
| p_n(x) | A polynomial of degree n | Differentiation only lowers the degree |
| e^{\alpha x} | Ae^{\alpha x} | Differentiation produces a scalar multiple |
| \cos\beta x,\ \sin\beta x | A\cos\beta x+B\sin\beta x | Differentiation preserves their two-dimensional span |
| e^{\alpha x}p_n(x) | e^{\alpha x}q_n(x) | The exponential factor and polynomial space are preserved |
5Example 1: Polynomial Forcing
Consider
y''-y=x.
The homogeneous solution is y_h=C_1e^x+C_2e^{-x}. Because the right-hand side is a first-degree polynomial, set y_p=Ax+B. Then
y_p''-y_p=-Ax-B.
Comparison with x gives A=-1 and B=0. Hence
y=C_1e^x+C_2e^{-x}-x.
The essential point is that the trial space spanned by 1,x is closed under differentiation.
6Resonance and the Trial-Function Correction
For
y''+y=\cos x,
the functions \cos x and \sin x belong to the homogeneous solution space. A trial function A\cos x+B\sin x therefore lies in \ker L and cannot produce the forcing term. Multiplication by x removes this overlap, so use
y_p=x(A\cos x+B\sin x).
Substitution gives one particular solution
y_p=\frac12x\sin x.
Multiplication by x is thus a linear-algebraic correction that moves the trial function outside the homogeneous solution space. In general, the required power of x is determined by the multiplicity of the relevant characteristic root.
7Situations in Which the Method Does Not Apply Naturally
For
y''+y=\tan x,
the derivatives of \tan x do not remain in a finite-dimensional trial space of the required type. The method of undetermined coefficients is therefore not natural, and variation of parameters is an appropriate alternative.
The constant-coefficient hypothesis is equally important. For an equation such as y''+xy=f(x), the variable coefficient destroys the invariant finite-dimensional structure even when the forcing term is simple.
8Comparison with Variation of Parameters
| Method | Advantage | Restriction |
| Method of undetermined coefficients | Usually short computation | Strong dependence on constant coefficients and the form of the forcing term |
| Variation of parameters | Comparatively insensitive to the form of the forcing term | The resulting integrals may be difficult or non-elementary |
Computational efficiency justifies trying undetermined coefficients first when its hypotheses hold. Once they fail, variation of parameters or a fundamental-matrix construction should be selected.
9Scope and Limitations
The method of undetermined coefficients is efficient precisely when a constant-coefficient linear differential operator preserves a suitable finite-dimensional function space. It fails when the forcing term has an incompatible form, coefficients vary with the independent variable, or overlap with the homogeneous solution space is left uncorrected. Failure of this method does not imply that the equation has no solution; variation of parameters often constructs a particular solution as an integral.
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12Exercises
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13Related Lectures
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