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定数変化法と Wronskianmd a0d6313
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定数変化法ていすうへんかほうと Wronskian

date2026-07-16document_iddoc_7db9f0ee18d79fdd6073e08a3574c010description定数変化法と Wronskian を、連続係数をもつ二階線型非同次方程式の一般的な特殊解構成法として説明する。prerequisites非同次方程式と未定係数法 / ベクトル空間と基底type講義content_typelecturestatusactiverelateddata/lecture/math/differential-equations/nonhomogeneous-equations-and-undetermined-coefficients.lecture.n.md / data/lecture/math/differential-equations/euler-cauchy-and-higher-order-equations.lecture.n.md / data/lecture/math/linear-algebra/vector-spaces-and-bases.lecture.n.md / data/exercise/math/differential-equations/nonhomogeneous-equations-and-particular-solutions.exercise.n.md
mathdifferential-equationsvariation-of-parameterslecture

1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、同次方程式どうじほうていしき基本解系きほんかいけいから非同次方程式ひどうじほうていしき特殊解とくしゅかい構成こうせいする定数変化法ていすうへんかほう説明せつめいする。Wronskian の非消滅性ひしょうめつせい区間全体くかんぜんたい条件じょうけんとして明確化めいかくかし、積分定数せきぶんていすう役割やくわり整理せいりする。

2仮定かてい基本解系きほんかいけい

区間くかん I じょう標準形ひょうじゅんけい

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

かんがえる。P,Q,RI じょう連続れんぞくであるとする。また、y1,y2対応たいおうする同次方程式どうじほうていしき基本解きほんかい、すなわち I じょう線型独立せんけいどくりつな 2 かいであるとする。

WronskianWronskian

W(x)=|y1(x)y2(x)y1(x)y2(x)|=y1y2-y1y2

定義ていぎする。Abel の恒等式こうとうしき

W(x)=W(x0)exp(-x0xP(s)ds),x,x0I

により、W(x0)0 となる一点いってん x0I があれば、W(x)0I 全体ぜんたい成立せいりつする。反対はんたいに、I じょう一点いってんW=0 なら I 全体ぜんたいW=0 である。したがって、連続係数れんぞくけいすう同次方程式どうじほうていしきでは、Wronskian の非消滅性ひしょうめつせいてんごとに仮定かていする必要ひつようはない。

3定数変化法ていすうへんかほう導出どうしゅつ

特殊解とくしゅかい

yp=u1(x)y1(x)+u2(x)y2(x)

設定せっていし、補助条件ほじょじょうけん

u1y1+u2y2=0

す。この条件じょうけんにより

yp=u1y1+u2y2

となる。さらに微分びぶんして原方程式げんほうていしき代入だいにゅうすると、y1,y2同次解どうじかいであるため、残存ざんそんする条件じょうけん

u1y1+u2y2=R

である。したがって

(y1y2y1y2)(u1u2)=(0R).

W0 であるため、この連立一次方程式れんりついちじほうていしき一意いちいけ、Cramer の法則ほうそくから

u1=-y2RW,u2=y1RW

る。

4定積分ていせきぶんによる特殊解とくしゅかい

基点きてん x0I固定こていすると、

u1(x)=-x0xy2(s)R(s)W(s)ds,u2(x)=x0xy1(s)R(s)W(s)ds

であり、

yp(x)=-y1(x)x0xy2(s)R(s)W(s)ds+y2(x)x0xy1(s)R(s)W(s)ds

特殊解とくしゅかいである。この定積分表示ていせきぶんひょうじでは u1(x0)=u2(x0)=0 となる。

不定積分ふていせきぶんもちいる場合ばあいu1,u2任意にんい積分定数せきぶんていすうくわわる。それらが yp寄与きよするこうC1y1+C2y2 であり、同次解どうじかい吸収きゅうしゅうされる。したがって、一般解いっぱんかい

y=C1y1+C2y2+yp

である。

5具体例ぐたいれいy'+y=tanx

tanx連続れんぞくとなる任意にんい開区間かいくかん

Ik=(-π2+kπ,π2+kπ),kZ

固定こていする。y1=cosxy2=sinxIk じょう基本解系きほんかいけいであり、W=1 である。したがって

u1=-sinxtanx,u2=cosxtanx=sinx.

不定積分ふていせきぶん一例いちれいとして

u1=-log|secx+tanx|+sinx,u2=-cosx

選択せんたくできる。これを u1y1+u2y2代入だいにゅうすると、交差項こうさこう相殺そうさいされ、

yp=-cosxlog|secx+tanx|

る。このしき選択せんたくした Ik じょう定義ていぎされ、直接代入ちょくせつだいにゅうにより yp'+yp=tanx確認かくにんできる。ことなる積分定数せきぶんていすう選択せんたく同次解どうじかい追加ついかするだけである。

6方法ほうほう選択せんたく限界げんかい

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たす場合ばあい計算量けいさんりょうすくない。定数変化法ていすうへんかほうR関数形かんすうけいへの依存いぞんよわいが、基本解系きほんかいけい事前じぜん構成こうせいする必要ひつようがあり、積分せきぶん初等関数しょとうかんすう表示ひょうじできるとはかぎらない。また、P,Q,R同時どうじ連続れんぞくとなるひとつの区間くかんごとに適用てきようする必要ひつようがある。

一次線型連立系いちじせんけいれんりつけいにも基本解行列きほんかいぎょうれつもちいる対応たいおうする公式こうしきがある。その詳細しょうさい後続こうぞく連立系れんりつけい講義こうぎあつかう。

7まえ講義こうぎ

data/lecture/math/differential-equations/nonhomogeneous-equations-and-undetermined-coefficients.lecture.n.md

8つぎ講義こうぎ

data/lecture/math/differential-equations/euler-cauchy-and-higher-order-equations.lecture.n.md

9演習えんしゅう

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

Variation of Parameters and the Wronskian

1Introduction

This lecture develops variation of parameters, which constructs a particular solution of a nonhomogeneous equation from a fundamental pair of homogeneous solutions. It formulates nonvanishing of the Wronskian as an interval-wide condition and explains the role of constants of integration.

2Hypotheses and a Fundamental Pair

On an interval I, consider

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

where P,Q,R are continuous on I. Let y1,y2 be a fundamental pair for the corresponding homogeneous equation; that is, they are linearly independent solutions on I.

Define the {Wronskian} by

W(x)=|y1(x)y2(x)y1(x)y2(x)|=y1y2-y1y2.

Abel's identity states that

W(x)=W(x0)exp(-x0xP(s)ds),x,x0I.

Thus, if W(x0)0 at one point of I, then W(x)0 throughout I. Conversely, vanishing at one point implies vanishing throughout the interval. For a homogeneous equation with continuous coefficients, nonvanishing need not be assumed separately at every point.

3Derivation of Variation of Parameters

Set

yp=u1(x)y1(x)+u2(x)y2(x)

and impose

u1y1+u2y2=0.

Then yp=u1y1+u2y2. Differentiating once more and substituting into the original equation leaves

u1y1+u2y2=R.

Therefore,

(y1y2y1y2)(u1u2)=(0R).

Since W0 on I, Cramer's rule gives

u1=-y2RW,u2=y1RW.

4Definite-Integral Formula

Fix a base point x0I. Then

u1(x)=-x0xy2(s)R(s)W(s)ds,u2(x)=x0xy1(s)R(s)W(s)ds,

so a particular solution is

yp(x)=-y1(x)x0xy2(s)R(s)W(s)ds+y2(x)x0xy1(s)R(s)W(s)ds.

This choice satisfies u1(x0)=u2(x0)=0. If indefinite integrals are used instead, their arbitrary constants contribute C1y1+C2y2 and are absorbed into the homogeneous solution. Hence the general solution is

y=C1y1+C2y2+yp.

5Example: y'+y=tanx

Fix any interval on which tanx is continuous,

Ik=(-π2+kπ,π2+kπ),kZ.

The functions y1=cosx and y2=sinx form a fundamental pair on Ik, with W=1. Thus,

u1=-sinxtanx,u2=sinx.

One choice of antiderivatives is

u1=-log|secx+tanx|+sinx,u2=-cosx.

The cross terms cancel in u1y1+u2y2, yielding

yp=-cosxlog|secx+tanx|.

This expression is defined on the selected interval Ik, and direct substitution verifies yp'+yp=tanx. Different integration constants merely add a homogeneous solution.

6Method Selection and Limitations

Undetermined coefficients has lower computational cost when its hypotheses hold. Variation of parameters is less dependent on the form of R, but a fundamental pair must already be known, and the resulting integrals need not be elementary. The method must be applied separately on each interval where P,Q,R are simultaneously continuous.

An analogous formula using a fundamental matrix exists for first-order linear systems. Its details are deferred to the subsequent lectures on systems.

7Previous Lecture

data/lecture/math/differential-equations/nonhomogeneous-equations-and-undetermined-coefficients.lecture.n.md

8Next Lecture

data/lecture/math/differential-equations/euler-cauchy-and-higher-order-equations.lecture.n.md

9Exercises

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