Differences

This shows you the differences between two versions of the page.

--- 수학:1차_선형_상미분방정식 [2018/12/07 13:00] – admin
+++ 수학:1차_선형_상미분방정식 [2019/01/03 12:13] – admin
@@ Line 3: / Line 3: @@
 $P(x)$와 $Q(x)$가 주어져있을 때, $y(x)$가 다음의 미분방정식을 만족한다고 하자:
 $$\frac{dy}{dx} + P(x)y(x) = Q(x)$$
-초기 조건이 $y(x_0)=y_0$로 주어진다면, 해는 형식적으로 다음처럼 쓸 수 있다:
+초기 조건이 $y(x=x_0)=y_0$로 주어진다면, 해는 형식적으로 다음처럼 쓸 수 있다:
 $$y(x) = e^{-I(x;x_0)} \int_{x_0}^x Q(x') e^{I(x';x_0)} dx' + y_0 e^{-I(x;x_0)}.$$
-이 때 $I(x;x_0) \equiv \int_{x_0}^x P(x') dx'$이다. 위 식 우변의 첫 번째 항이 $Q(x)$에 의해 추동되는 특수해(particular solution)이며 두 번째 항은 초기 조건을 맞춰주는 역할을 한다.
+이 때 $I(x;x_0) \equiv \int_{x_0}^x P(x') dx'$이다. 위 식 우변의 첫 번째 항이 $Q(x)$에 의해 추동되는 특수해(particular solution)이며 두 번째 항은 초기 조건을 맞춰주는 역할을 한다. 밑의 내용과 비교하기 위해 적분 앞의 지수함수를 적분 속의 지수함수와 합쳐서 써놓도록 하자:
+$$y(x) = \int_{x_0}^x e^{-I(x;x')} Q(x') dx' + e^{-I(x;x_0)} y_0.$$
 =====방정식에 연산자가 있는 경우=====
-위의 방정식은 분리가 되므로(separable) 이를 이용하여 간단하게 해를 구할 수 있다. 하지만 미분방정식에 연산자가 있는 경우에는 이 방법으로 해를 구할 수 없다. 즉
+====동차====
+위의 방정식은 분리가 되므로(separable) 이를 이용하여 간단하게 해를 구할 수 있다. 하지만 미분방정식에 연산자가 있는 경우에는 이 방법으로 해를 구할 수 없다. 즉, 예컨대 우변이 $0$인 동차 방정식에서
 $$\frac{dy}{dx}+P(x)y(x)=0$$
@@ Line 32: / Line 35: @@
 마지막 식은 중간 식에서 $x_1$과 $x_2$를 바꾸어 적은 것이며, 그림에서 검정색, 파란색, 빨간색으로 표시한 적분은 위의 적분식에서 순서대로 좌측, 중간, 우측 적분식을 의미한다.
-작은 $x_i$ 쪽이 오른쪽에 오게끔 하는 정렬(ordering) 연산자 $\mathcal{T}$를 도입하자.
+작은 $x_i$ 쪽이 오른쪽에 오게끔 하는 시간정렬(time-ordering) 연산자 $\mathcal{T}$를 도입하자:
+$$\mathcal{T} P(x_1) P(x_2) = \left\{ \begin{array}{ll}
+P(x_1) P(x_2), & x_1 \ge x_2\\
+P(x_2) P(x_1), & x_1 < x_2.\\
+\end{array}\right.$$
 위에서 좌측과 우측의 적분식을 더하면 그림으로부터
-$$\int_0^xdx_1\int_0^{x_1}dx_2P(x_1)P(x_2) y_0 + \int_0^xdx_1\int_{x_1}^xdx_2P(x_2)P(x_1) y_0 = \int_0^xdx_1\int_0^xdx_2 \mathcal{T}P(x_1)P(x_2) y_0 = \mathcal{T} \left[\int_0^xdx_1P(x_1)\right]^2 y_0$$
+$$\int_0^xdx_1\int_0^{x_1}dx_2P(x_1)P(x_2) y_0 + \int_0^xdx_1\int_{x_1}^xdx_2P(x_2)P(x_1) y_0 = \int_0^xdx_1\int_0^xdx_2 \mathcal{T}P(x_1)P(x_2) y_0 = \mathcal{T} \left[\int_0^xdx' P(x')\right]^2 y_0$$
 임을 알 수 있는데 좌변의 두 항이 같음을 보였으므로
-$$\int_0^xdx_1\int_0^{x_1}dx_2P(x_1)P(x_2) y_0 = \mathcal{T}\frac{1}{2}\left[\int_0^xdx_1P(x_1)\right]^2 y_0$$
+$$\int_0^xdx_1\int_0^{x_1}dx_2P(x_1)P(x_2) y_0 = \mathcal{T}\frac{1}{2}\left[\int_0^xdx'P(x')\right]^2 y_0$$
 를 얻을 수 있다. 보다 일반적인 경우를 증명하기 위해 $x_1<x_2<\cdots<x_n<x$일 때
-$$\int_0^xdx_1\int_0^{x_1}dx_2\cdots\int_0^{x_n}dx_{n-1}P(x_1)P(x_2)\cdots P(x_n) y_0 = \mathcal{T}\frac{1}{n!}\left[\int_0^xdx_1P(x_1)\right]^2 y_0$$
+$$\int_0^xdx_1\int_0^{x_1}dx_2\cdots\int_0^{x_n}dx_{n-1}P(x_1)P(x_2)\cdots P(x_n) y_0 = \mathcal{T}\frac{1}{n!}\left[\int_0^xdx'P(x')\right]^n y_0$$
 를 가정하자. 그리고 여기에 $x$에 대한 미분을 취하면
@@ Line 46: / Line 53: @@
 \begin{align*}
 \frac{d}{dx}\int_0^xdx_1\int_0^{x_1}dx_2\cdots\int_0^{x_{n+1}}dx_n P(x_1)P(x_2)\cdots P(x_n) y_0 &= P(x)\int_0^xdx_2\int_0^{x_2}dx_3\cdots\int_0^{x_n}dx_{n+1}P(x_2)P(x_3)\cdots P(x_{n+1}) y_0 \\
-&= \mathcal{T} P(x) \frac{1}{n!}\left[\int_0^xdx_2P(x_2)\right]^n y_0 \\
+&= \mathcal{T} P(x) \frac{1}{n!}\left[\int_0^xdx'P(x')\right]^n y_0 \\
-&= \mathcal{T} \frac{d}{dx}\frac{1}{(n+1)!}\left[\int_0^xdx_1P(x_1)\right]^{n+1} y_0
+&= \mathcal{T} \frac{d}{dx}\frac{1}{(n+1)!}\left[\int_0^xdx'P(x')\right]^{n+1} y_0
 \end{align*}
 를 얻을 수 있고 위에서 $n=1$일 때 성립하는 것을 보였으므로 이것은 수학적 귀납법에 의해 자연수 $n$에 대해 일반적으로 성립한다는 것을 알 수 있다. 결론적으로 해는
-$$y(x) = \sum_{n=0}^\infty \mathcal{T}\frac{(-1)^n}{n!}\left[\int_0^xdx_1P(x_1)\right]^n y_0 = \mathcal{T}\exp\left[-\int_0^xdx^\prime P(x^\prime)\right]y_0$$
+$$y(x) = \sum_{n=0}^\infty \mathcal{T}\frac{(-1)^n}{n!}\left[\int_0^xdx'P(x')\right]^n y_0 = \mathcal{T}\exp\left[-\int_0^xdx^\prime P(x^\prime)\right]y_0$$
+이다.
-이다.
+====비동차====
+우변의 $Q(x)$가 0이 아닌 경우에도 비슷하게 풀 수 있다.
+$$\frac{dy}{dx} = -P(x)y(x) + Q(x)$$
+를
+$$y(x) = y_0 + \int_0^x dx_1 \left[ -P(x_1)y(x_1) + Q(x_1) \right]$$
+으로 쓴 다음 위에서처럼 계속 대입할 수 있다. 위에서 이미 등장한 항들 외에 $Q(x)$ 때문에 새로 등장하는 항들은 아래와 같다:
+$$\int_0^x dx_1 Q(x_1) - \int_0^x dx_1 \int_0^{x_1} dx_2 P(x_1) Q(x_2) + \int_0^x dx_1 \int_0^{x_1} dx_2 \int_0^{x_2} dx_3 P(x_1) P(x_2) Q(x_3) + \ldots.$$
+첫 번째 항은 변수명만 바꾸어두자:
+$$\int_0^x dx_1 Q(x_1) = \int_0^x dx' Q(x').$$
+두 번째 항의 적분 순서를 바꾼 다음 변수명을 바꾸어두자.
+\begin{eqnarray*}
+\int_0^x dx_1 \int_0^{x_1} dx_2 P(x_1) Q(x_2) &=& \int_0^x dx_2 \int_{x_2}^x dx_1 P(x_1) Q(x_2)\\
+&=& \int_0^x dx' \int_{x'}^x dx'' P(x'') Q(x').
+\end{eqnarray*}
+세 번째 항도 적분 순서를 바꾸어 $x_3$의 적분이 제일 바깥쪽에 오도록 한다. 이 때 변수 2개 사이에서 적분 순서를 바꾸는 일을 두 번 연속해서 하면 된다:
+\begin{eqnarray*}
+\int_0^x dx_1 \int_0^{x_1} dx_2 \int_0^{x_2} dx_3 P(x_1) P(x_2) Q(x_3)
+&=& \int_0^x dx_1 \int_0^{x_1} dx_3 \int_{x_3}^{x_1} dx_2 P(x_1) P(x_2) Q(x_3)\\
+&=& \int_0^x dx_3 \int_{x_3}^x dx_1 \int_{x_3}^{x_1} dx_2 P(x_1) P(x_2) Q(x_3)\\
+&=& \int_0^x dx_3 \left[ \int_{x_3}^x dx_1 \int_{x_3}^{x_1} dx_2 P(x_1) P(x_2) Q(x_3) \right].
+\end{eqnarray*}
+괄호 안의 내용을 살펴보면, 앞의 동차 방정식에서 했던 것과 매우 유사하게 시간정렬 연산자 $\mathcal{T}$를 통해 표현할 수 있다:
+$$\int_{x_3}^x dx_1 \int_{x_3}^{x_1} dx_2 P(x_1) P(x_2) Q(x_3) = \frac{\mathcal{T}}{2} \left[ \int_{x_3}^x dx'' P(x'') \right]^2 Q(x_3).$$
+따라서 $Q(x)$로 인해 새로 등장한 항들을 다시 써보면
+\begin{eqnarray*}
+&&\int_0^x dx' Q(x') - \int_0^x dx' \int_{x'}^x dx'' P(x'') Q(x') + \int_0^x dx' \frac{\mathcal{T}}{2} \left[ \int_{x'}^x dx'' P(x'') \right]^2 Q(x')\\
+&=&\int_0^x dx' \left\{1 - \int_{x'}^x dx'' P(x'') + \frac{\mathcal{T}}{2} \left[ \int_{x'}^x dx'' P(x'') \right]^2 + \ldots \right\} Q(x')\\
+&=&\int_0^x dx' ~~\mathcal{T} \exp \left[ - \int_{x'}^x dx'' P(x'') \right] Q(x').
+\end{eqnarray*}
+전체 해는 다음처럼 쓸 수 있다:
+$$y(x) = \int_0^x dx' ~~\mathcal{T} \exp \left[ - \int_{x'}^x dx'' P(x'') \right] Q(x') + \mathcal{T}\exp\left[-\int_0^xdx^\prime P(x^\prime)\right]y_0$$