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欧拉方程

欧拉方程(Euler-Cauchy Equation)是一类特殊的变系数线性方程,其特点是每一项的 xx 的幂次恰好等于 yy 的导数阶数。通过变量代换 x=etx = e^t 可将其化为常系数线性方程。

标准形式

xny(n)+an1xn1y(n1)++a1xy+a0y=f(x)x^n y^{(n)} + a_{n-1} x^{n-1} y^{(n-1)} + \cdots + a_1 x y' + a_0 y = f(x)

其中 a0,a1,,an1a_0, a_1, \ldots, a_{n-1} 为常数。

识别特征:每一项形如 xky(k)x^k y^{(k)}——xx 的指数等于导数的阶数。

二阶欧拉方程

齐次形式

x2y+axy+by=0(x>0)x^2 y'' + a x y' + b y = 0 \qquad (x > 0)

解法一:指数代换 x=etx = e^t

x=etx = e^t(即 t=lnxt = \ln x)。由链式法则:

dydx=dydtdtdx=1xdydt\frac{dy}{dx} = \frac{dy}{dt} \cdot \frac{dt}{dx} = \frac{1}{x} \frac{dy}{dt}

d2ydx2=ddx ⁣(1xdydt)=1x2dydt+1x2d2ydt2\frac{d^2 y}{dx^2} = \frac{d}{dx}\!\left(\frac{1}{x}\frac{dy}{dt}\right) = -\frac{1}{x^2}\frac{dy}{dt} + \frac{1}{x^2}\frac{d^2 y}{dt^2}

代入原方程:

d2ydt2+(a1)dydt+by=0\frac{d^2 y}{dt^2} + (a - 1)\frac{dy}{dt} + b y = 0

这是常系数线性方程!

特征方程

对应的特征方程为:

r2+(a1)r+b=0r^2 + (a - 1)r + b = 0

或直接用试探解 y=xry = x^r 代入,得:

r(r1)+ar+b=0r2+(a1)r+b=0r(r-1) + a r + b = 0 \quad\Longrightarrow\quad r^2 + (a-1)r + b = 0

通解分类(二阶)

设特征根为 r1,r2r_1, r_2

情形两个线性无关解通解
两不等实根xr1,xr2x^{r_1}, x^{r_2}y=C1xr1+C2xr2y = C_1 x^{r_1} + C_2 x^{r_2}
二重实根 rrxr,xrlnxx^{r}, x^{r}\ln xy=(C1+C2lnx)xry = (C_1 + C_2 \ln x)\,x^{r}
共轭复根 α±iβ\alpha \pm i\betaxαcos(βlnx),xαsin(βlnx)x^{\alpha}\cos(\beta\ln x), x^{\alpha}\sin(\beta\ln x)y=xα[C1cos(βlnx)+C2sin(βlnx)]y = x^{\alpha}[C_1\cos(\beta\ln x) + C_2\sin(\beta\ln x)]

举例

例 1:不等实根

x2y2xy+2y=0x^2 y'' - 2x y' + 2y = 0

y=xry = x^rr(r1)2r+2=r23r+2=0r1=1,r2=2r(r-1) - 2r + 2 = r^2 - 3r + 2 = 0 \Rightarrow r_1 = 1, r_2 = 2

通解:y=C1x+C2x2y = C_1 x + C_2 x^2

例 2:二重实根

x2y+xy=0x^2 y'' + x y' = 0

特征方程:r(r1)+r=r2=0r=0r(r-1) + r = r^2 = 0 \Rightarrow r = 0(二重)。

通解:y=C1+C2lnxy = C_1 + C_2 \ln x

例 3:非齐次欧拉方程

x2y+xyy=xx^2 y'' + x y' - y = x

先用 x=etx = e^t 化为常系数:ytty=ety_{tt} - y = e^t(注意:x=etx = e^t)。

齐次部分:r21=0r=±1r^2 - 1 = 0 \Rightarrow r = \pm 1yh=C1et+C2ety_h = C_1 e^t + C_2 e^{-t}

特解:设 yp=Atety_p = A t e^t,代入得 A=1/2A = 1/2yp=12tety_p = \frac{1}{2} t e^t

y=C1et+C2et+12tet=C1x+C2x+xlnx2y = C_1 e^t + C_2 e^{-t} + \frac{1}{2}t e^t = C_1 x + \frac{C_2}{x} + \frac{x \ln x}{2}

高阶欧拉方程

nn 阶欧拉方程:

xny(n)+an1xn1y(n1)++a0y=0x^n y^{(n)} + a_{n-1} x^{n-1} y^{(n-1)} + \cdots + a_0 y = 0

x=etx = e^t,化为常系数 nn 阶线性方程。其特征多项式为:

r(r1)(rn+1)+an1r(r1)(rn+2)++a1r+a0=0r(r-1)\cdots(r-n+1) + a_{n-1}r(r-1)\cdots(r-n+2) + \cdots + a_1 r + a_0 = 0

总结

方法适用条件核心代换
指数代换x>0x > 0x=etx = e^t,化为常系数
试探解齐次y=xry = x^r,直接求特征根