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Calculus · real student question

中心が原点にあり、主軸が x 軸に沿う双曲線の族の微分方程式を求めよ。

Question

中心が原点にあり、主軸が xx 軸に沿う双曲線の族について、その微分方程式を求めよ。すなわち

x2a2−y2b2=1\frac{x^2}{a^2}-\frac{y^2}{b^2}=1

から aa と bb を消去せよ。

Step-by-step solution

  1. 任意定数の個数から階数を予測する。 この族には独立なパラメータが aa と bb の2つある。定数を nn 個消すには nn 回微分する必要があるので、答えは2階の微分方程式になる。これを先に知っておけば、どこで微分をやめるべきかが分かる。

  2. xx で1回微分する。 yy を xx の関数とみて、y2y^2 に連鎖律を使うと:

    2xa2−2yb2dydx=0⟹xa2=y y′b2\frac{2x}{a^2}-\frac{2y}{b^2}\frac{dy}{dx}=0 \quad\Longrightarrow\quad \frac{x}{a^2}=\frac{y\,y'}{b^2}

    もとの式の右辺にあった 11 はこれで消えた。a2a^2 と b2b^2 の間の関係式が1本手に入ったことになる。

  3. もう1回微分する。 xa2=y y′b2\dfrac{x}{a^2}=\dfrac{y\,y'}{b^2} を微分し、y y′y\,y' に積の微分法を使うと:

    1a2=(y′)2+y y′′b2\frac{1}{a^2}=\frac{(y')^2+y\,y''}{b^2}

  4. 2つの関係式を割って、定数を一度に消す。 どちらの式も(何か)/a2/a^2 =(何か)/b2/b^2 の形をしているので、1本目を2本目で割ると比 b2/a2b^2/a^2 が消える:

    x/a21/a2=y y′/b2((y′)2+y y′′)/b2⟹x=y y′(y′)2+y y′′\frac{x/a^2}{1/a^2}=\frac{y\,y'/b^2}{\left((y')^2+y\,y''\right)/b^2}\quad\Longrightarrow\quad x=\frac{y\,y'}{(y')^2+y\,y''}

    ここがこの方法の要点で、aa と bb を別々に解く代わりに、1回の割り算で両方を同時に消してしまえる。

  5. 分母を払って微分方程式にする。

    x[(dydx)2+y d2ydx2]=y dydxx\left[\left(\frac{dy}{dx}\right)^2+y\,\frac{d^2y}{dx^2}\right]=y\,\frac{dy}{dx}

    あるいは、すべてを片側に寄せて

    x y y′′+x (y′)2−y y′=0x\,y\,y''+x\,(y')^2-y\,y'=0

    aa も bb も現れないので、この式は族のすべてのメンバーで成り立つ。それこそが「その族の微分方程式」という言葉の意味である。

  6. 具体的なメンバーで検証する。 a=2a=2、b=3b=3 とすると y=3x2/4−1y=3\sqrt{x^2/4-1} であり、x=3x=3 では y=3.354102y=3.354102、y′=2.012461y'=2.012461、y′′=−0.536656y''=-0.536656 となる。すると

    x[(y′)2+y y′′]=3[4.050+(−1.800)]=6.750,y y′=3.354102×2.012461=6.750x\left[(y')^2+y\,y''\right]=3\left[4.050+(-1.800)\right]=6.750,\qquad y\,y'=3.354102\times 2.012461=6.750

    両辺が一致する。別の a,ba,b で繰り返しても同じく一致し、定数が本当に消去できていることが確認できる。

Answer

x[(dydx)2+y d2ydx2]=y dydxx\left[\left(\frac{dy}{dx}\right)^2 + y\,\frac{d^2y}{dx^2}\right] = y\,\frac{dy}{dx}

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