Методы решения физико-математических задач

Дифференциальное уравнение Эйлера и методы его решения

Дифференциальное уравнение Эйлера
Определение дифференциального уравнения Эйлера. Рассмотрены методы его решения.
Дифференциальное уравнение Эйлера
– это уравнение вида
anxny(n) + an-1xn–1y(n-1) + ... + a1xy′ + a0y = f(x) .

Более общее уравнение Эйлера имеет вид:
an (ax + b )  n y (n )   +  an – 1 (ax + b )  n – 1 y (n – 1 )   + ⋅ ⋅ ⋅ +  a1 (ax + b ) y ′ + a0 y =  f (x )  . 
Это уравнение подстановкой t = ax+b приводится к более простому виду, которое мы и будем рассматривать.

Приведение дифференциального уравнения Эйлера к уравнению с постоянными коэффициентами.

Рассмотрим уравнение Эйлера:
(1)   an x n y (n )   + an – 1 x n – 1 y (n – 1 )   + ⋅ ⋅ ⋅ + a1 xy ′ + a0 y =  f (x )  . 
Оно сводится к линейному уравнению с постоянными коэффициентами подстановкой:
x = et .
Действительно, тогда
dx = d (e t ) dt dt = e t dt ; 
y ′ = dydx = dye t dt = e – t dydt  ; 
xy ′ = e t e – t dydt = dydt  ; 
y ′′ = dy ′dx = d ( e – t dydt  ) e t dt =  e – t ( de – t dt dydt + e – t d 2 ydt 2   )  = 
 e – t ( – e – t dydt + e – t d 2 ydt 2   )  =  e – 2t ( d 2 ydt 2  – dydt  )  ; 
x 2 y ′′ =  e 2t e – 2t ( d 2 ydt 2  – dydt  )  =  d 2 ydt 2  – dydt  ; 
..........................

Таким образом, множители, содержащие xm , сокращаются. Остаются члены с постоянными коэффициентами. Однако на практике, для решения уравнений Эйлера, можно применять методы решения линейных ДУ с постоянными коэффициентами без использования указанной выше подстановки.

Решение однородного уравнения Эйлера

Рассмотрим однородное уравнение Эйлера:
(2)   an x n y (n )   +  an – 1 x n – 1 y (n – 1 )   + ⋅ ⋅ ⋅ +  a1 xy ′ + a0 y = 0 . 
Ищем решение уравнения (2) в виде
y = x k  . 
xy ′ = x (x k )  ′ =  xkx k – 1  = kx k  ; 
x 2 y ′′ = x 2 (x k )  ′′ =  x 2 k (k – 1 ) x k – 2  = k (k – 1 ) x k  ; 
........................
x n y (n )   = x n (x k )  (n )   =  k (k – 1 ) ⋅ ⋅ ⋅(k – n + 2 ) (k – n + 1 ) x k  . 
Подставляем в (2) и сокращаем на xk . Получаем характеристическое уравнение:
an k (k – 1 ) ⋅ ⋅ ⋅ (k – n + 2 ) (k – n + 1 )  +  an – 1 k (k – 1 ) ⋅ ⋅ ⋅(k – n + 2 )  + ⋅ ⋅ ⋅ +  a1 k + a0  = 0 . 
Решаем его и получаем n корней, которые могут быть комплексными.

Рассмотрим действительные корни. Пусть ki – кратный корень кратности m . Этим m корням соответствуют m линейно независимых решений:
yi  = x ki  ;  yi + 1  = ln x⋅ x ki  ;   yi + 2  = (ln x)  2  ⋅ x ki  ;  ⋅ ⋅ ⋅  yi + m – 1  = (ln x)  m – 1  ⋅ x ki   . 

Рассмотрим комплексные корни. Они появляются парами вместе с комплексно сопряженными. Пусть ki – кратный корень кратности m . Выразим комплексный корень ki через действительную и мнимую части:
ki  = k1i  + ik2i  . 
Этим m корням и m комплексно сопряженным корням соответствуют 2m линейно независимых решений:
yi  = x k1i  cos (k2i ln x) ;   yi + 1  = x k1i  sin (k2i ln x)  ; 
yi + 2  = ln x⋅ x k1i  cos (k2i ln x) ;   yi + 3  = ln x⋅ x k1i  sin (k2i ln x)  ; 
..............................
yi + 2m – 2  =  (ln x)  m – 1 x k1i  cos (k2i ln x) ;   yi + 2m – 1  =  (ln x)  m – 1 x k1i  sin (k2i ln x)  . 

После того как получены n линейно независимых решений, получаем общее решение уравнения (2):
(3)   y = C1 y1  + C2 y2  + ⋅ ⋅ ⋅ +  Cn – 1 yn – 1  + Cn yn  . 

Примеры

Решить уравнения:
x 3 y ′′′ + 2x 2 y ′′ – xy ′ + y = 0
x 2 y ′′ + xy ′ + y = 0
Решение примеров > > >

Решение неоднородного уравнения Эйлера

Рассмотрим неоднородное уравнение Эйлера:
an x n y (n )   + an – 1 x n – 1 y (n – 1 )   + ⋅ ⋅ ⋅ + a1 xy ′ + a0 y =  f (x )  . 
Метод вариации постоянных (метод Лагранжа) также применим и к уравнениям Эйлера.

Сначала мы решаем однородное уравнение (2) и получаем его общее решение (3). Затем считаем постоянные C1 , C2 ,... Cn  функциями от переменной x . Дифференцируем (3) n – 1 раз. Получаем выражения для n – 1 производных y по x . При каждом дифференцировании члены, содержащие производные C ′i (x )  приравниваем к нулю. Так получаем n – 1 уравнений, связывающих производные C ′i (x )  .  Далее находим n-ю производную y . Подставляем полученные производные y (i )   в (1) и получаем n-е уравнение, связывающее производные C ′i (x )  .  Из этих уравнений определяем C ′i (x )  .  После чего интегрируя, получаем общее решение уравнения (1).

Пример

Решить уравнение:
x 2 y ′′ + xy ′ – y =  x(x + 1 )  2  – ln (x + 1 ) 
Решение > > >

Неоднородное уравнение Эйлера со специальной неоднородной частью

Рассмотрим уравнение Эйлера со специальной неоднородной частью:
(4)   an x n y (n )   + ...  +  a2 x 2 y  ′′  + a1 xy  ′  + a0 y = 
x α (Ps1 (ln x)  ⋅ cos (β ln x)  +  Qs2 (ln x)  ⋅ sin (β ln x) )  , 
где Ps1 (ln x) ,  Qs2 (ln x)  – многочлены от ln x степеней s1  и s2  ,  соответственно.

Наиболее простой способ решения такого уравнения заключается в том, чтобы сделать подстановку
x = e t  , 
и решать линейное уравнение с постоянными коэффициентами со специальной неоднородной частью.

Автор: Олег Одинцов.     Опубликовано:   Изменено:

▲
Меню