2 階線形微分方程式……独立な解を 2 つそろえれば一般解は尽きる
2 階線形微分方程式は、標準形で次のように書きます[1]。
なら斉次、そうでなければ非斉次です。土台になるのは、斉次方程式の解が 2 本の解の 1 次結合で尽きるという事実[5]。
2 本を見つければ終わり。この記事はその「2 本」をどう捉えるかの話です。
重ね合わせの原理
斉次方程式を と書くと、 は線形です。 が成り立つ。
だから と が解なら、その 1 次結合も解になる[1]。解の集合は足し算と定数倍で閉じたベクトル空間です。
非斉次では成り立ちません。 のとき となり、右辺が変わってしまう。
解空間はちょうど 2 次元
閉じているだけでなく、次元が正確に と決まる[1,5]。 と が連続な区間で、この主張が成り立つ。
理由は初期値問題の一意性にあります。解 に対して という数の組を対応させると、この対応は 1 対 1 で上へも尽くす。
平面 と解の集合が同じ形をしているので、次元も です。 本目の解を持ってきても、必ず前の 2 本の 1 次結合になる。
存在と一意性は区間の端まで
、、 が区間 で連続なら、、 を満たす解が 全体でただ 1 つ存在します[5]。
非線形の場合と違い、局所的な主張ではありません。解が途中で発散して消えることがない。
線形であることの見返りがここに現れる。区間を切るのは、標準形にしたときの係数の不連続だけ。
1 次独立と基本解系
が でしか起こらないとき、 と は 1 次独立です。
1 次独立な解を 2 本そろえたものを基本解系という[5]。解空間の基底にあたる。
が の定数倍なら独立ではありません。 と を並べても、解を 2 種類そろえたことにならない。
ロンスキー行列式
独立かどうかを行列式で判定します。2 つの関数に対して次を定めたものがロンスキー行列式[2]。
と という 2 本のベクトルが張る平行四辺形の、符号つき面積です。平行なら 、そうでなければ でない。
同じ斉次方程式の解であれば、ある 1 点で が言えれば、それだけで 1 次独立が従う[3]。
アーベルの公式
ロンスキー行列式そのものが、簡単な微分方程式を満たす[4]。
1 階線形なので解けます。積分因子を使えば次の形になる。
指数関数は決して にならない。したがって ならどこでも 、 ならどこでも でない[3,4]。
判定を 1 点で済ませてよい根拠がこれです。計算しやすい点を選べば足りる。
例:ロンスキー行列式を計算する
の解 、 について計算します。
どの でも にならない。1 次独立で、この 2 本が基本解系です。
アーベルの公式でも確かめられる。 なので となり、 から 。計算が一致する。
解でない関数には反例がある
「 なら 1 次従属」は、一般の関数については誤りです[2,7]。有名な反例がある。
と を並べます。 では両方 、 では 。
どちらも 1 回微分できて、 を計算すると全域で になる。それでも を原点をまたぐ区間で満たすのは だけなので、1 次独立です。

反例が解にならない理由
この 2 つが同じ 2 階線形方程式の解になることはない[2]。解であればアーベルの公式が効き、 から 1 次従属が従うためです。
裏を返すと、 による判定を安心して使えるのは解に限った話。任意の関数の組に持ち込むと足をすくわれる。
判定の向きも整理しておきます。 なら 1 次独立、これは一般の関数でも正しい。逆向きだけが解に限られる。
階数低下法
1 本の解が見つかっているとき、そこから 2 本目を作れる[1]。 と置いて代入する。
が解であることを使うと、 の項がきれいに消える。
と置けば 1 階になる。変数分離で解けます。
を求めて とすれば完成。2 階の問題が 1 階に落ちるので、階数低下法と呼ばれる。
例:階数低下法で 2 本目を作る
には という解があります。代入すれば確かめられる。
なので です。
となり、2 本目は 。ロンスキー行列式は で、 では にならない。
非斉次は特殊解を 1 つ足すだけ
非斉次方程式の解は、特殊解 1 つと斉次方程式の一般解の和で尽きる[5,6]。
と がどちらも を満たすなら、差 は で に飛ぶ。つまり斉次解。
したがって非斉次を解く仕事は、基本解系を求めることと、特殊解を 1 つ見つけることの 2 つに分かれる。
右辺が和のときは分けて解ける
のように右辺が分かれるなら、それぞれの特殊解を足せば全体の特殊解になる[5]。
、 のとき です。線形性がここでも効いている。
右辺が のような形なら、指数の部分と三角関数の部分を別々に片付けられる。
問題 1:解であることと独立性
、 が の解であることを確かめ、基本解系になるかを判定せよ。
解答 1
では です。 では 。
ロンスキー行列式を計算します。
にならないので 1 次独立で、基本解系です。一般解は になる。
問題 2:初期値を当てる
問題 1 の方程式で、、 を満たす解を求めよ。
解答 2
とすると です。
を代入して連立します。
解くと 、 になる。
係数行列の行列式が で でないから、この連立はいつでも解ける。基本解系であることが、初期条件を必ず満たせることを保証している。
問題 3:アーベルの公式を使う
の 2 つの解のロンスキー行列式を、解そのものを求めずに書け。
解答 3
なので、アーベルの公式に入れます。
の形です。解が初等関数で書けなくても、ロンスキー行列式だけは分かる。
の範囲で は にならない。この区間では、2 本の解が独立なら独立のままです。
問題 4:階数低下法
には という解がある。2 本目を求めよ。
解答 4
標準形へ直すと です。。
したがって となり、 です。
一般解は になる。重解のときに が出てくる仕組みが、ここに見えている。
問題 5:非斉次の構造
の一般解を求めよ。
解答 5
右辺が定数なので、特殊解も定数と見当を付けます。 と置くと で 。
斉次方程式 の解は と です。ロンスキー行列式は で にならない。
特殊解 1 つと基本解系 2 本、これで解が尽きています。
問題 6:右辺を分けて解く
の一般解を求めよ。
解答 6
右辺を と に分けます。前半の特殊解は問題 5 で求めた 。
後半は と置くと から です。
2 つの特殊解を足したものが、和の右辺に対する特殊解になっている。
問題 7:独立性の判定を誤らない
と について、区間 でのロンスキー行列式と 1 次独立性を調べよ。
解答 7
では なので 。 では で です。
では が微分できないため、 が定義されません。定義される範囲では 。
それでも を で満たすのは だけなので、1 次独立です。
この 2 つが同じ 2 階線形方程式の解になることはありません。 が原点で微分できず、 と が連続という前提から外れる。
と が区間 で連続な について、正しいものはどれか。
- ロンスキー行列式が のある点で なら、別の点では でないこともある
- ロンスキー行列式は 全体で か、 のどこでも でないかのどちらか
- 解空間の次元は初期条件の与え方によって変わる
- 3 本の解が 1 次独立になる場合がある










アーベルの公式から W(x)=W(x0)exp(−∫p) で、指数関数は 0 になりません。したがって W は途中で符号を変えることも、一部だけ 0 になることもありません。解空間は常に 2 次元なので、3 本目は必ず前の 2 本で書けます。