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非同次方程式ひどうじほうていしき未定係数法みていけいすうほう

date2026-07-16document_iddoc_03a23e75eacf5a680477ecfe9c14adc8description非同次線型微分方程式を、線型作用素 L の特殊解 + 核として整理し、未定係数法の条件と共鳴補正を説明する。prerequisites二階線型定数係数微分方程式の拡張理論 / 線型作用素方程式の基本type講義content_typelecturestatusactiverelateddata/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 / data/lecture/math/differential-equations/extensions-of-second-order-linear-odes.lecture.n.md / data/lecture/math/differential-equations/complex-roots-and-forced-oscillations.lecture.n.md / data/lecture/math/differential-equations/variation-of-parameters-and-wronskian.lecture.n.md
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1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、非同次線型方程式ひどうじせんけいほうていしき一般解いっぱんかい同次解どうじかい特殊解とくしゅかい分解ぶんかいし、未定係数法みていけいすうほう成立せいりつする条件じょうけん明示めいじする。

2標準形ひょうじゅんけい

L[y]=ay'+by+cy=f(x),a0

かんがえる。ここでは a,b,c定数ていすうである場合ばあい中心ちゅうしんあつかう。

3線型性せんけいせいによる解集合かいしゅうごう構造こうぞう

線型性せんけいせいにより、ypL[yp]=f(x)たし、yhL[yh]=0たすなら、

L[yh+yp]=f(x)

である。したがって一般解いっぱんかいy=yh+yp となる。

これは線型せんけい作用素さようそ方程式ほうていしき一般いっぱん定理ていりそのものである。L[yp]=fたす特殊解とくしゅかいが 1 つあるとする。hkerL なら

L[yp+h]=L[yp]+L[h]=f+0=f

なので yp+hかいである。ぎゃくyL[y]=fかいなら

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

であるから、y-ypkerL である。したがってかい全体ぜんたい

yp+kerL

であり、同次どうじ解空間かいくうかんkerL である。

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4未定係数法みていけいすうほう条件じょうけん

未定係数法みていけいすうほうMethod of undetermined coefficients は、定数係数ていすうけいすうであり、右辺うへん f(x)多項式たこうしき指数関数しすうかんすう正弦せいげん余弦よげん、またはそれらの有限和ゆうげんわ有限積ゆうげんせきである場合ばあいとく有効ゆうこうである。

この条件じょうけん必要ひつようになる理由りゆうは、これらの関数族かんすうぞく微分びぶん有限次元空間ゆうげんじげんくうかん内部ないぶとどまるからである。たとえば e2x微分びぶんしても e2x定数倍ていすうばいである。

候補こうほ右辺うへんをそのまま模倣もほうするのではなく、微分びぶんじる関数空間かんすうくうかん選択せんたくする。

右辺うへんかたち特殊解候補とくしゅかいこうほ基本形きほんけい理由りゆう
pn(x)n 次多項式じたこうしき微分びぶん次数じすうがるだけである
eαxAeαx微分びぶん定数倍ていすうばいになる
cosβx,sinβxAcosβx+Bsinβx微分びぶんで 2 次元空間じげんくうかん内部ないぶとどまる
eαxpn(x)eαxqn(x)指数因子しすういんし多項式空間たこうしきくうかんたもたれる

5具体例ぐたいれい 1:右辺うへん多項式たこうしき場合ばあい

y'-y=x

かんがえる。同次解どうじかいyh=C1ex+C2e-x である。右辺うへんが 1 次多項式じたこうしきであるため、特殊解候補とくしゅかいこうほyp=Ax+B設定せっていする。この候補こうほ選択せんたくする理由りゆうは、微分びぶんしても 1,x有限次元空間ゆうげんじげんくうかん内部ないぶとどまるためである。

yp'-yp=0-(Ax+B)=-Ax-B

これが x一致いっちするため、-A=1-B=0 であり、A=-1,B=0る。したがって特殊解とくしゅかいyp=-x であり、

y=C1ex+C2e-x-x

る。計算けいさん要点ようてんは、候補こうほ推測すいそくすることではなく、候補空間こうほくうかん微分作用びぶんさようじることを利用りようするてんにある。

6共鳴きょうしん補正ほせい

y'+y=cosx

では同次解どうじかいcosx,sinxふくまれる。したがって Acosx+Bsinx特殊解候補とくしゅかいこうほにすると同次解どうじかい重複ちょうふくし、あらたな特殊解とくしゅかい生成せいせいできない。この場合ばあいx(Acosx+Bsinx) とし、線型独立性せんけいどくりつせい回復かいふくする。

実際じっさいyp=x(Acosx+Bsinx)設定せっていして代入だいにゅうすると、ひとつの特殊解とくしゅかいとして yp=12xsinxられる。xける操作そうさ暗記項目あんきこうもくではなく、同次解空間どうじかいくうかんとの重複ちょうふく回避かいひするための線型代数的補正せんけいだいすうてきほせいである。

作用素さようそ表現ひょうげんでは、最初さいしょ候補こうほkerLぞくすると、L作用さようさせても 0 となり、右辺うへん生成せいせいできない。そこで、xじょうじた候補こうほ変更へんこうする。これは「候補こうほ同次解空間どうじかいくうかんとの重複ちょうふくから除外じょがいし、Lぞうとして右辺うへん生成せいせいする」ための補正ほせいである。ただし、xじょうじる回数かいすうこん重複度ちょうふくど候補空間こうほくうかん依存いぞんするため、共鳴補正きょうめいほせい未定係数法みていけいすうほう適用条件てきようじょうけんもとづいて決定けっていする必要ひつようがある。

7反例はんれいとなる状況じょうきょう

y'+y=tanx

では tanx とその導関数どうかんすう有限個ゆうげんこ候補関数こうほかんすうじない。したがって未定係数法みていけいすうほう自然しぜん方法ほうほうではない。この場合ばあい定数変化法ていすうへんかほうなどを検討けんとうする。

さらに、係数けいすう変数へんすう依存いぞんする y'+xy=f(x) のような方程式ほうていしきでは、右辺うへん単純たんじゅんでも未定係数法みていけいすうほう構造こうぞうくずれる。未定係数法みていけいすうほうは、定数係数ていすうけいすう線型作用素せんけいさようそ有限次元関数空間ゆうげんじげんかんすうくうかんたもつことに依存いぞんするためである。

8未定係数法みていけいすうほう定数変化法ていすうへんかほう適用範囲てきようはんい比較ひかく

方法ほうほう長所ちょうしょ制約せいやく
未定係数法みていけいすうほう計算けいさん簡潔かんけつである定数係数ていすうけいすう右辺うへんかたちつよ依存いぞんする
定数変化法ていすうへんかほう右辺うへんかたち比較的ひかくてき依存いぞんしない積分計算せきぶんけいさん複雑ふくざつになりやすい

最初さいしょ未定係数法みていけいすうほう試行しこうする理由りゆう計算効率けいさんこうりつである。ただし適用条件てきようじょうけんたさない場合ばあいには、定数変化法ていすうへんかほう基本解行列きほんかいぎょうれつへの移行いこう判断はんだんする必要ひつようがある。

9適用範囲てきようはんい限界げんかい

未定係数法みていけいすうほうは、定数係数線型作用素ていすうけいすうせんけいさようそ有限次元関数空間ゆうげんじげんかんすうくうかんたも場合ばあい計算効率けいさんこうりつ発揮はっきする方法ほうほうである。したがって、右辺うへんかたち複雑ふくざつ場合ばあい係数けいすう変数へんすう依存いぞんする場合ばあい、または同次解どうじかいとの重複ちょうふく補正ほせいしない場合ばあいには破綻はたんする。

ただし、未定係数法みていけいすうほう不適ふてきであることは、非同次方程式ひどうじほうていしき可解性かかいせい否定ひていしない。定数変化法ていすうへんかほう右辺うへんかたちへの依存いぞんよわく、積分表示せきぶんひょうじとして特殊解とくしゅかい構成こうせいできる場合ばあいおおい。方法選択ほうほうせんたくでは、候補空間こうほくうかん微分びぶんじるかを最初さいしょ確認かくにんする。

10まえ講義こうぎ

data/lecture/math/differential-equations/complex-roots-and-forced-oscillations.lecture.n.md

11つぎ講義こうぎ

data/lecture/math/differential-equations/variation-of-parameters-and-wronskian.lecture.n.md

12演習えんしゅう

data/exercise/math/differential-equations/nonhomogeneous-equations-and-particular-solutions.exercise.n.md

13関連かんれんリンク

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 a0.

3Affine Structure of the Solution Set

Suppose that L[yp]=f and L[yh]=0. Linearity gives

L[yh+yp]=f.

More precisely, if hkerL, then L[yp+h]=f. Conversely, if L[y]=f, then L[y-yp]=0, so y-ypkerL. The complete solution set is therefore the affine space

yp+kerL.

The homogeneous solution space is kerL. 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 termBasic form of a trial particular solutionReason
pn(x)A polynomial of degree nDifferentiation only lowers the degree
eαxAeαxDifferentiation produces a scalar multiple
cosβx,sinβxAcosβx+BsinβxDifferentiation preserves their two-dimensional span
eαxpn(x)eαxqn(x)The exponential factor and polynomial space are preserved

5Example 1: Polynomial Forcing

Consider

y'-y=x.

The homogeneous solution is yh=C1ex+C2e-x. Because the right-hand side is a first-degree polynomial, set yp=Ax+B. Then

yp'-yp=-Ax-B.

Comparison with x gives A=-1 and B=0. Hence

y=C1ex+C2e-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=cosx,

the functions cosx and sinx belong to the homogeneous solution space. A trial function Acosx+Bsinx therefore lies in kerL and cannot produce the forcing term. Multiplication by x removes this overlap, so use

yp=x(Acosx+Bsinx).

Substitution gives one particular solution

yp=12xsinx.

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=tanx,

the derivatives of tanx 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

MethodAdvantageRestriction
Method of undetermined coefficientsUsually short computationStrong dependence on constant coefficients and the form of the forcing term
Variation of parametersComparatively insensitive to the form of the forcing termThe 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.

10Previous Lecture

data/lecture/math/differential-equations/complex-roots-and-forced-oscillations.lecture.n.md

11Next Lecture

data/lecture/math/differential-equations/variation-of-parameters-and-wronskian.lecture.n.md

12Exercises

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13Related Lectures

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