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 x 的幂次恰好等于 y 的导数阶数。通过变量代换 x=et 可将其化为常系数线性方程。
标准形式
xny(n)+an−1xn−1y(n−1)+⋯+a1xy′+a0y=f(x)
其中 a0,a1,…,an−1 为常数。
识别特征:每一项形如 xky(k)——x 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)
解法一:指数代换 x=et
令 x=et(即 t=lnx)。由链式法则:
dxdy=dtdy⋅dxdt=x1dtdy
dx2d2y=dxd(x1dtdy)=−x21dtdy+x21dt2d2y
代入原方程:
dt2d2y+(a−1)dtdy+by=0
这是常系数线性方程!
特征方程
对应的特征方程为:
r2+(a−1)r+b=0
或直接用试探解 y=xr 代入,得:
r(r−1)+ar+b=0⟹r2+(a−1)r+b=0
通解分类(二阶)
设特征根为 r1,r2:
| 情形 | 两个线性无关解 | 通解 |
|---|
| 两不等实根 | xr1,xr2 | y=C1xr1+C2xr2 |
| 二重实根 r | xr,xrlnx | y=(C1+C2lnx)xr |
| 共轭复根 α±iβ | xαcos(βlnx),xαsin(βlnx) | y=xα[C1cos(βlnx)+C2sin(βlnx)] |
例 1:不等实根
x2y′′−2xy′+2y=0
设 y=xr:r(r−1)−2r+2=r2−3r+2=0⇒r1=1,r2=2。
通解:y=C1x+C2x2。
例 2:二重实根
x2y′′+xy′=0
特征方程:r(r−1)+r=r2=0⇒r=0(二重)。
通解:y=C1+C2lnx。
例 3:非齐次欧拉方程
x2y′′+xy′−y=x
先用 x=et 化为常系数:ytt−y=et(注意:x=et)。
齐次部分:r2−1=0⇒r=±1,yh=C1et+C2e−t。
特解:设 yp=Atet,代入得 A=1/2,yp=21tet。
y=C1et+C2e−t+21tet=C1x+xC2+2xlnx
高阶欧拉方程
n 阶欧拉方程:
xny(n)+an−1xn−1y(n−1)+⋯+a0y=0
令 x=et,化为常系数 n 阶线性方程。其特征多项式为:
r(r−1)⋯(r−n+1)+an−1r(r−1)⋯(r−n+2)+⋯+a1r+a0=0
| 方法 | 适用条件 | 核心代换 |
|---|
| 指数代换 | x>0 | x=et,化为常系数 |
| 试探解 | 齐次 | y=xr,直接求特征根 |