第10章 10.8

(1)

xy′′−(1+x)y′+y=0xy''-(1+x)y'+y = 0

m2x−m(1+x)+1=0(m−1)(mx−1)=0m=1よってy=exを特殊解に持つm^2x - m(1+x)+1 = 0 \quad (m-1)(mx-1) = 0 \quad m=1 \quad \text{よって}y = e^x\text{を特殊解に持つ}

y=exとおくとy′=exv+exv′y′′=exv+2exv′+exv′′これを与式に代入してy = e^x\text{とおくと} \quad y' = e^xv + e^xv' \quad y'' = e^xv + 2e^xv' + e^xv'' \quad \text{これを与式に代入して}

x(exv+2exv′+exv′′)−(1−x)(exv+exv′)+exv=0xy′′+xy′−y′=0x(e^xv + 2e^xv' + e^xv'') - (1-x)(e^xv + e^xv') + e^xv = 0 \quad xy'' + xy' - y' = 0

xy′′+y′(x+1)=0y′=Pとおくとxy'' + y'(x+1) = 0 \quad y' = P\text{とおくと}

xP′+(x−1)P=01PdPdx=−x−1x=−1+1xxP' + (x-1)P = 0 \quad \frac{1}{P}\frac{dP}{dx} = -\frac{x-1}{x} = -1 + \frac{1}{x}

∫1PdP=∫(−1+1x)dxlog⁡P=−x+log⁡x+C1eC1=C2とおくと\int\frac{1}{P}dP = \int\left(-1+\frac{1}{x}\right)dx \quad \log P = -x + \log x + C_1 \quad e^{C_1} = C_2\text{とおくと}

P=C2xe−x元に戻してP = C_2xe^{-x} \quad \text{元に戻して}

y′=C2xe−xy' = C_2xe^{-x}

y=C2{−xe−x+∫e−xdx+C3}=C2{−xe−x−e−x+C3}元に戻してy = C_2\{-xe^{-x} + \int e^{-x}dx + C_3\} = C_2\{-xe^{-x} - e^{-x} + C_3\} \quad \text{元に戻して}

ye−x=C2{−(x+1)e−x+C3}−C2=A、C2C3=Bとおくとye^{-x} = C_2\{-(x+1)e^{-x} + C_3\} \quad -C_2 = A、C_2C_3 = B\text{とおくと}

y=A(x+1)+Bex(A,B は任意定数)y = A(x+1) + Be^x \quad \text{(A,B \text{は任意定数})}

(2)

xy′′−(2x+1)y′+(x+1)y=0xy''-(2x+1)y'+(x+1)y = 0

m2x−m(2x+1)+x+1=0{mx−(x+1)}(m−1)=0m=1よってy=exを特殊解に持つm^2x - m(2x+1)+x+1 = 0 \quad \{mx-(x+1)\}(m-1) = 0 \quad m=1 \quad \text{よって}y = e^x\text{を特殊解に持つ}

y=exvとおくとy′=exv+exv′y′′=exv+2exv′+exv′′これを与式に代入してy = e^xv\text{とおくと} \quad y' = e^xv + e^xv' \quad y'' = e^xv + 2e^xv' + e^xv'' \quad \text{これを与式に代入して}

x(exv+2exv′+exv′′)−(2x+1)(exv+exv′)+(x+1)exv=0xy′′−y′=0y′=Pとおくとx(e^xv + 2e^xv' + e^xv'') - (2x+1)(e^xv + e^xv') + (x+1)e^xv = 0 \quad xy'' - y' = 0 \quad y' = P\text{とおくと}

xP′−P=0xP' - P = 0

∫1PdP=∫1xdxlog⁡P=log⁡x+C1eC1=C2とおくと\int\frac{1}{P}dP = \int\frac{1}{x}dx \quad \log P = \log x + C_1 \quad e^{C_1} = C_2\text{とおくと}

P=C2x元に戻してP = C_2x \quad \text{元に戻して}

y′=C2xy' = C_2x

v=12C2x2+C3v = \frac{1}{2}C_2 x^2 + C_3 元に戻して

ye−x=12C2x2+C3ye^{-x} = \frac{1}{2}C_2 x^2 + C_3 12C2=A,C3=B\frac{1}{2}C_2 = A, C_3 = B とおくと

y=ex(Ax2+B)y = e^x(Ax^2 + B) (A,B は任意定数)

(3)

(x+3)y′′−(2x+7)y′+2y=0(x + 3)y'' - (2x + 7)y' + 2y = 0

m2(x+3)−m(2x+7)+2=0m^2(x + 3) - m(2x + 7) + 2 = 0 {m(x+3)−1}(m−2)=0\{m(x+3) - 1\}(m-2) = 0 m=2m = 2 よってy=e2xy = e^{2x}を特殊解に持つ

y=e2xvy = e^{2x}v とおくと y′=2e2xv+e2xv′y' = 2e^{2x}v + e^{2x}v' y′′=4e2xv+4e2xv′+e2xv′′y'' = 4e^{2x}v + 4e^{2x}v' + e^{2x}v'' これを与式に代入して

(x+3)(4e2x+4e2xv′+e2xv′′)−(2x+7)(2e2xv+e2xv′)+2e2xv=0(x+3)(4e^{2x} + 4e^{2x}v' + e^{2x}v'') - (2x+7)(2e^{2x}v + e^{2x}v') + 2e^{2x}v = 0

(x+3)v′′+(2x+5)v=0(x+3)v'' + (2x + 5)v = 0 v′=Pv' = P とおくと

(x+3)P′+(2x+5)P=0(x+3)P' + (2x + 5)P = 0

∫1PdP=∫2x+5x+3dx=∫(−2+1x+3)dx\int \frac{1}{P}dP = \int \frac{2x+5}{x+3}dx = \int\left(-2 + \frac{1}{x+3}\right)dx

log⁡P=−2x+log⁡(x+3)+C1\log P = -2x + \log(x+3) + C_1 eC1=C2e^{C_1} = C_2 とおくと

P=(x+3)e−2xC2P = (x+3)e^{-2x}C_2 元に戻して

v′=C2(x+3)e−2xv' = C_2(x+3)e^{-2x}

v=C2{−12(x+3)e−2x+∫12e−2xdx+C3}=C2{−12(x+3)e−2x−14e−2x+C3}v = C_2\left\{-\frac{1}{2}(x+3)e^{-2x} + \int \frac{1}{2}e^{-2x}dx + C_3\right\} = C_2\left\{-\frac{1}{2}(x+3)e^{-2x} - \frac{1}{4}e^{-2x} + C_3\right\}

元に戻して −14C2=A,−14C2C3=B-\frac{1}{4}C_2 = A, -\frac{1}{4}C_2C_3 = B とおくと

y=A(2x+7)+Be2xy = A(2x + 7) + Be^{2x} (A,B は任意定数)

解説: r31bn1z