定数変化法と Wronskian
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1導入
この講義では、同次方程式の基本解系から非同次方程式の特殊解を構成する定数変化法を説明する。Wronskian の非消滅性を区間全体の条件として明確化し、積分定数の役割も整理する。
2仮定と基本解系
区間 I 上の標準形
y''+P(x)y'+Q(x)y=R(x)
を考える。P,Q,R は I 上で連続であるとする。また、y_1,y_2 は対応する同次方程式の基本解、すなわち I 上で線型独立な 2 解であるとする。
Wronskian を
W(x)=
\begin{vmatrix}
y_1(x)&y_2(x)\\
y_1'(x)&y_2'(x)
\end{vmatrix}
=y_1y_2'-y_1'y_2
と定義する。Abel の恒等式
W(x)=W(x_0)\exp\left(-\int_{x_0}^{x}P(s)\,ds\right),
\qquad x,x_0\in I
により、W(x_0)\ne0 となる一点 x_0\in I があれば、W(x)\ne0 は I 全体で成立する。反対に、I 上の一点で W=0 なら I 全体で W=0 である。したがって、連続係数の同次方程式では、Wronskian の非消滅性を点ごとに仮定する必要はない。
3定数変化法の導出
特殊解を
y_p=u_1(x)y_1(x)+u_2(x)y_2(x)
と設定し、補助条件
u_1'y_1+u_2'y_2=0
を課す。この条件により
y_p'=u_1y_1'+u_2y_2'
となる。さらに微分して原方程式へ代入すると、y_1,y_2 が同次解であるため、残存する条件は
u_1'y_1'+u_2'y_2'=R
である。したがって
\begin{pmatrix}
y_1&y_2\\
y_1'&y_2'
\end{pmatrix}
\begin{pmatrix}u_1'\\u_2'\end{pmatrix}
=
\begin{pmatrix}0\\R\end{pmatrix}.
W\ne0 であるため、この連立一次方程式は一意に解け、Cramer の法則から
u_1'=-\frac{y_2R}{W},
\qquad
u_2'=\frac{y_1R}{W}
を得る。
4定積分による特殊解
基点 x_0\in I を固定すると、
u_1(x)=-\int_{x_0}^{x}\frac{y_2(s)R(s)}{W(s)}\,ds,
\qquad
u_2(x)=\int_{x_0}^{x}\frac{y_1(s)R(s)}{W(s)}\,ds
であり、
y_p(x)=
-y_1(x)\int_{x_0}^{x}\frac{y_2(s)R(s)}{W(s)}\,ds
+y_2(x)\int_{x_0}^{x}\frac{y_1(s)R(s)}{W(s)}\,ds
は特殊解である。この定積分表示では u_1(x_0)=u_2(x_0)=0 となる。
不定積分を用いる場合、u_1,u_2 に任意の積分定数が加わる。それらが y_p に寄与する項は C_1y_1+C_2y_2 であり、同次解へ吸収される。したがって、一般解は
y=C_1y_1+C_2y_2+y_p
である。
5具体例:y''+y=\tan x
\tan x が連続となる任意の開区間
I_k=\left(-\frac{\pi}{2}+k\pi,\frac{\pi}{2}+k\pi\right),
\qquad k\in\mathbb Z
を固定する。y_1=\cos x、y_2=\sin x は I_k 上の基本解系であり、W=1 である。したがって
u_1'=-\sin x\tan x,
\qquad
u_2'=\cos x\tan x=\sin x.
不定積分の一例として
u_1=-\log|\sec x+\tan x|+\sin x,
\qquad
u_2=-\cos x
を選択できる。これを u_1y_1+u_2y_2 へ代入すると、交差項が相殺され、
y_p=-\cos x\log|\sec x+\tan x|
を得る。この式は選択した I_k 上で定義され、直接代入により y_p''+y_p=\tan x を確認できる。異なる積分定数の選択は同次解を追加するだけである。
6方法の選択と限界
未定係数法は適用条件を満たす場合に計算量が少ない。定数変化法は R の関数形への依存が弱いが、基本解系を事前に構成する必要があり、積分が初等関数で表示できるとは限らない。また、P,Q,R が同時に連続となる一つの区間ごとに適用する必要がある。
一次線型連立系にも基本解行列を用いる対応する公式がある。その詳細は後続の連立系の講義で扱う。
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9演習
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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 y_1,y_2 be a fundamental pair for the corresponding homogeneous equation; that is, they are linearly independent solutions on I.
Define the {Wronskian} by
W(x)=
\begin{vmatrix}
y_1(x)&y_2(x)\\
y_1'(x)&y_2'(x)
\end{vmatrix}
=y_1y_2'-y_1'y_2.
Abel's identity states that
W(x)=W(x_0)\exp\left(-\int_{x_0}^{x}P(s)\,ds\right),
\qquad x,x_0\in I.
Thus, if W(x_0)\ne0 at one point of I, then W(x)\ne0 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
y_p=u_1(x)y_1(x)+u_2(x)y_2(x)
and impose
u_1'y_1+u_2'y_2=0.
Then y_p'=u_1y_1'+u_2y_2'. Differentiating once more and substituting into the original equation leaves
u_1'y_1'+u_2'y_2'=R.
Therefore,
\begin{pmatrix}
y_1&y_2\\
y_1'&y_2'
\end{pmatrix}
\begin{pmatrix}u_1'\\u_2'\end{pmatrix}
=
\begin{pmatrix}0\\R\end{pmatrix}.
Since W\ne0 on I, Cramer's rule gives
u_1'=-\frac{y_2R}{W},
\qquad
u_2'=\frac{y_1R}{W}.
4Definite-Integral Formula
Fix a base point x_0\in I. Then
u_1(x)=-\int_{x_0}^{x}\frac{y_2(s)R(s)}{W(s)}\,ds,
\qquad
u_2(x)=\int_{x_0}^{x}\frac{y_1(s)R(s)}{W(s)}\,ds,
so a particular solution is
y_p(x)=
-y_1(x)\int_{x_0}^{x}\frac{y_2(s)R(s)}{W(s)}\,ds
+y_2(x)\int_{x_0}^{x}\frac{y_1(s)R(s)}{W(s)}\,ds.
This choice satisfies u_1(x_0)=u_2(x_0)=0. If indefinite integrals are used instead, their arbitrary constants contribute C_1y_1+C_2y_2 and are absorbed into the homogeneous solution. Hence the general solution is
y=C_1y_1+C_2y_2+y_p.
5Example: y''+y=\tan x
Fix any interval on which \tan x is continuous,
I_k=\left(-\frac{\pi}{2}+k\pi,\frac{\pi}{2}+k\pi\right),
\qquad k\in\mathbb Z.
The functions y_1=\cos x and y_2=\sin x form a fundamental pair on I_k, with W=1. Thus,
u_1'=-\sin x\tan x,
\qquad
u_2'=\sin x.
One choice of antiderivatives is
u_1=-\log|\sec x+\tan x|+\sin x,
\qquad
u_2=-\cos x.
The cross terms cancel in u_1y_1+u_2y_2, yielding
y_p=-\cos x\log|\sec x+\tan x|.
This expression is defined on the selected interval I_k, and direct substitution verifies y_p''+y_p=\tan x. 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.
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