(1)
x2y′′+xy′+y=x
x=et とおくと y′′+y=et
特性方程式は s2+1=0 ∴s=±i
微分演算子 D を使って (D2+1)y1=et y1=D2+11et=2et これから
y=Asint+Bcost+2et 元に戻して
y=Asin(logx)+Bcos(logx)+2x (A,B は任意定数)
(2)
x2y′′−2xy′+2y=−2x+2 y′′−x2y′+x22y=−x2+x22
P=−x2、Q=x22、R=−x2+x22 とおくと y=exp(−21∫−x2dx)v=xv
I=x22−21(x22)−41(x24)=0 J=−x22+x32 これから
v′′=−x22+x32 v′=x2−x21+C1 v=2logx+x1+C1x+C2
元に戻して C1=A、C2=B とおくと
y=2xlogx+1+Ax2+Bx (A,B は任意定数)
(3)
(1+x2)y′′−2xy′+2y=x1−x2
(1+x2)y′′−2xy′+2y=0 の式として考えると
m(m−1)(1+x2)−2mx2+2x2=0 (m−1){m(1−x2)−2x2}=0 m=1
これから y=x を解に持つ
y=xv とおくと y′=v+xv′ y′′=2v′+xv′′ これから与式は
(1+x2)(2v′+xv′′)−2x(v+xv′)+2xv=x1−x2 x(1−x2)v′′+2v′=x1−x2
v′′+x(1+x2)2v′=x2(1+x2)1−x2
v′=P とおくと
P′+x(1+x2)2P=x2(1+x2)1−x2
α=x(1+x2)2、β=x2(1+x2)1−x2 とおくと
∫x(1+x2)2dx=∫(x2−1+x22x)dx=2logx−log(1+x2) これから
P=x21+x2{∫1+x2x2⋅x2(1+x2)1−x2dx+C1}=x21+x2{∫(1+x2)21−x2dx+C1}
=x21+x2{∫(x2+1)1dx+∫(x2+1)2−x2dx+C1}
=x21+x2{21(x2+1x+tan−1x+x2+1x−tan−1x)+C1}
=x21+x2(x2+1x+C1)=x1+x21+x2C1 元に戻して
v′=x1+x21+x2C1 v=logx−(x1−x)C1+C2 元に戻して
y=xlogx−(1−x2)C1+C2x C1=B、C2=A とおくと
y=xlogx−B(1−x2)+Ax (A,B は任意定数)
(4)
x4y′′+2x3y′+y=xx+1
t=x1 とおくと t′=−x21 dxdy=dtdydxdt=−t2dtdy
dx2d2y=dtd(−t2dtdy)dtdx=(−2tdtdy−t2dt2d2y)(−t2)=t4dt2d2y+2t3dtdy これから与式は
x4(t4dt2d2y+2t3dtdy)+2x3(−t2dtdy)+y=xx+1
t41(t4dt2d2y+2t3dtdy)+t32(−t2dtdy)+y=t(t1+1)
dt2d2y+t2dtdy+t2dtdy+y=1+tdt2d2y+y=1+t
特性方程式は s2+1=0 s=±i
微分演算子Dを使って (D2+1)y1=t+1 y1=D2+1t+1=t+1 これから
y=Asint+Bcost+t+1 元に戻して
y=Asinx1+Bcosx1+x1+1 (A,Bは任意定数)
(5)
xy′′−(2x+1)y′+(x+1)y=(x2+x−1)e2x
P=x,Q=−(2x+1),R=x+1として
m2x+m(2x+1)+x+1=0 {mx−(x+1)}(m−1)=0 m=1
よってy=exyとおくと y′=exy+exy′ y′′=exy+2exy′+exy′′ これより与式は
x(exy+2exy′+exy′′)−(2x+1)(exy+exy′)+(x+1)exy=(x2+x−1)e2x
xy′′−y′=(x2+x−1)ex y′=Puとおくと
xP′−P=(x2+x−1)ex P−x1P=xx2+x−1ex
α=−x1,β=xx2+x−1exとおくと ∫αdx=−logx これから
P=x{∫x1⋅xx2+x−1exdx+C1}=x{∫[1+x1−x21]exdx+C1}=x{∫exdx+∫(x1−x21)exdx+C1}
ここで∫(x1−x21)exdx=∫x1exdx−∫x21exdx=x1ex+∫x21exdx+x1ex−∫x1exdx
=x2ex−∫(x1−x21)exdx
∫(x1−x21)exdx=x1exこれから
P=x{ex+x1ex+C1} 元に戻して
y′=xex+ex+xC1 y=xex−∫exdx+ex+21C1x2+C2=xex+21C1x2+C2 元に戻して
y=xe2x+ex(21C1x2+C2) 21C1=A,C2=B とおくと
y=xe2x+ex(Ax2+B) (A,B は任意定数)
(6)
(x+1)y′′−(3x+4)y′+3y=(3x+2)e3x
P=x+1、Q=−(3x+4)、R=3 とおくと
m2(x+1)−m(3x+4)+3=0 {m(x+1)−1}(m−3)=0 m=3
これから y=e3xv とおくと y′=3e3xv+e3xv′ y′′=9e3xv+6e3xv′+e3xv′′ これから方程式は
(x+1)(9e3xv+6e3xv′+e3xv′′)−(3x+4)(3e3xv+e3xv′)+3e3xv=(3x+2)e3x
(x+1)v′′+(3x+2)v′=3x+2 v′=P とおくと
(x+1)P′+(3x+2)P=3x+2 P′+x+13x+2P=x+13x+2
α=x+13x+2、β=x+13x+2 とおくと ∫αdx=∫(3−x+11)dx=3x−log(x+1) これから
P=(x+1)e3x{∫x+1e3x⋅x+13x+2dx+C1}=(x+1)e3x{∫(x+13−(x+1)21)e3xdx+C1}
=(x+1)e3x{3⋅31⋅x+1e3x−∫(x+1)2−1e3xdx−∫(x+1)21e3xdx+C1}
=(x+1)e3x{x+11e3x+C1}=1+C1(x+1)e−3x 元に戻して
v′=1+C1(x+1)e−3x
v=x+C1{−31(x+1)e−3x+31∫e−3xdx+C2}=x−9C1{3(x+1)+1}e−3x+C1C2
=x−9C1(3x+4)e−3x+C1C2
y=e3xから
y=xe3x−9C1(3x+4)+C1C2e3x −9C1=A、C1C2=Bと置くと
y=A(3x+4)+Be3x+xe3x (A,Bは任意定数)