x を何回掛けるかは根の重なりが決める|微分方程式の未定係数法
に を入れると、左辺が になって が決まりません。
でも同じことが起きます。 にして、ようやく が出る。
を何回掛けるかは、あてずっぽうで決めるものではありません。特性方程式の根の重なり方が、その回数をきっちり決めています[1]。
予想が当たる関数の共通点
多項式、指数関数、正弦と余弦。この 3 つは、何度微分しても同じ仲間の中に留まります。
を微分すると 、さらに 、、そして 。有限回で消えます。
は 、 と巡回して、もとの 2 つの関数の組み合わせから出ません。
対して を微分すると 、次に 。項の種類が増え続けて閉じない。

閉じている側なら、答えも同じ仲間の中にあると期待できます。未定係数法が効くのは、この性質を持つ右辺だけです。
消滅演算子
と書きます。ある関数 に対して となる演算子を、 の消滅演算子と呼びます[2]。
| 関数 | 消滅演算子 |
|---|---|
を 回微分すれば になるので 。 は で消えます。
は で消える。2 回微分して 倍を足すと、確かに打ち消し合います。
予想の形が出てくる仕組み
方程式を と書きます。 の消滅演算子 を両辺に掛ける。
右辺が消えて、同次方程式になりました。次数は上がりましたが、定数係数の同次方程式なら解の形が分かります[2]。
は の特性根から作られる関数の組み合わせです。そのうち 側の根から来る部分は同次解なので、残りが特殊解の候補になる。
つまり予想の形は、 の根が持ちこむ部分です。当てずっぽうではなく、演算子の掛け算から出てきます。
同じ答えを、下三角の連立 1 次方程式を解く形にまとめる書き方も提案されています[4]。予想を立てる段階を式に押しこめてしまう方向です。
根が重なると が生える
の根が の根とぶつかると、積 の側では重根になります。
定数係数の方程式で重根が出ると、 と が並ぶ。この が、予想に掛ける の正体です[2]。
側で重複度 の根とぶつかれば、 を掛けることになります。

予想の一覧
| 右辺 | ぶつからない場合の予想 |
|---|---|
| 定数 | |
| または | |
ぶつかる場合は を掛けます。 の予想に も入れておく点に注意したい。片方だけでは足りません。
例:右辺が多項式
と置きます。、 を代入する。
係数を比べて 、、。
右辺が だけでも、予想には と定数を入れておく必要があります。微分で下の次数が生まれるためです。
例:定数の右辺がぶつかる
特性方程式は で、根は と 。右辺の定数を消すのは で、その根も です。
が重なるので、 ではなく とします。
、 を入れて 。 になります。
定数の右辺なのに答えが の 1 次式になる。この形は、ぶつかりを見落とすと絶対に出てきません。
例:重根とぶつかる
特性方程式は で、 が重複度 の根。 の消滅演算子 の根も です。
重複度が なので を掛けて 。代入すると次のようになります。
で です。
複素指数を使う近道
三角関数の右辺は、指数関数として扱うと計算が短くなります。鍵になるのは次の等式です。
を に置き換えるだけ。 なら、特殊解がすぐ書けます。
なら 、 です。。
の虚部をとって になります。係数を 2 つ置いて連立させる手間が要りません。
共鳴の公式
のときは、さきほどの式が使えません。 が単根なら、次の形になります。
導出は 1 行です。 の両辺を で微分する。
なので第 2 項が消え、 が残ります。
例:共鳴する強制振動
で 。共鳴しています。 なので 。
虚部をとって です。
振幅が で伸びていきます。押す周期が固有の周期にそろうと、揺れが際限なく育つ[3]。
近い振動数ではうなりが出て、振幅が大きくなっては戻ります。一致した瞬間だけ、戻る動きが消える。
減衰があるとき
現実の系には摩擦があります。減衰項を入れると、振幅は有限で止まります[3]。
が減衰の強さ。 なら で分母が になり、無限大に発散します。
なら分母が にならず、最大値は で達する。固有振動数よりわずかに低い場所です。

右辺が足し算のとき
なら、それぞれについて特殊解を求めて足せば済みます。方程式が線形だからです。
なら、 と を別々に出して足す。
ぶつかりの判定も別々に行います。片方だけ共鳴していることがよくあります。
使えない右辺
、、、。これらには消滅演算子がありません[2]。
微分しても有限個の関数で閉じないので、予想の形が立たない。こういう右辺では別の方法に移ることになります。
多項式、指数、正弦と余弦、およびその積と和。代入と係数比較だけで終わる
微分で閉じない関数。形を予想する土台がなく、この方法では手が出ない
検算のしかた
まず特性方程式の根を書き出し、右辺の指数(定数なら 、 なら 、 なら )と見比べます。
ぶつかっていれば を掛ける。この確認を代入の前に済ませておくと、係数が決まらない事態を避けられます。
答えが出たら微分して代入し、右辺に戻るかを見る。 と の両方の係数が合っているかを、別々に確かめます。
の特殊解はどの形になりますか。
微分で閉じる右辺だけを相手にし、根がぶつかるかを先に見る。未定係数法の手順は、この 2 つの判断でできています。










特性方程式は (λ−2)2=0 で、λ=2 が重複度 2 の根です。右辺の e2x の指数も 2 なので、重複度のぶんだけ x を掛けて x2e2x になります。代入すると 2Ae2x=e2x から A=21 が出ます。