(不会还有人不会做欧拉方程吧)考研数学中的欧拉方程
具有如下结构的变系数线性微分方程被称为欧拉方程:
f(x)=xny(n)+a1xn−1y(n−1)+...+an−1xy′+any .
f(x) = x^{n}y^{(n)}+a_1x^{n-1}y^{(n-1)}+...+a_{n-1}xy'+a_ny\,.
f(x)=xny(n)+a1xn−1y(n−1)+...+an−1xy′+any.
如何解此方程呢?
天才欧拉给出了答案。
他令x=etx=e^tx=et
这时我们可以神奇的发现方程已经解出来了
具体我们可以利用链式法则考察:
一阶:dydt=dydx∗dxdt=y′∗et=xy′一阶:\frac{\mathrm{d} y}{\mathrm{d} t} = \frac{\mathrm{d} y}{\mathrm{d} x} *\frac{\mathrm{d} x}{\mathrm{d} t} =y'*e^t=xy'
一阶:dtdy=dxdy∗dtdx=y′∗et=xy′
二阶:d2ydt2=d(dydt)dt=d(x∗y′)dx∗dxdt=(y′+xy′′)∗x=xy′+x2y′′......
二阶:\frac{\mathrm{d}^2 y}{\mathrm{d} t^2} = \frac{\mathrm{d} (\frac{\mathrm{d} y}{\mathrm{d} t})}{\mathrm{d} t} =\frac{\mathrm{d} (x*y')}{\mathrm{d} x}*\frac{\mathrm{d} x}{\mathrm{d} t} =(y'+xy'')*x=xy'+x^2y''
\\.
\\.\\.\\.\\.\\.二阶:dt2d2y=dtd(dtdy)=dxd(x∗y′)∗dtdx=(y′+xy′′)∗x=xy′+x2y′′......
由此可以得到:
xy′=dydtxy'=\frac{\mathrm{d} y}{\mathrm{d} t}xy′=dtdy
x2y′′=d2ydt2−dydt=d(ddt−1)dty.....
x^2y''=\frac{\mathrm{d}^2 y}{\mathrm{d} t^2}-\frac{\mathrm{d} y}{\mathrm{d} t}=\frac{\mathrm{d} (\frac{\mathrm{d} }{\mathrm{d} t}-1)}{\mathrm{d} t}y
\\.
\\.
\\.
\\.
\\.x2y′′=dt2d2y−dtdy=dtd(dtd−1)y.....
此时我们引入微分算子:D=ddtD=\frac{\mathrm{d} }{\mathrm{d} t}D=dtd
则上式可写为:xy′=Dyxy'=Dyxy′=Dy
x2y′′=D(D−1)Yx^2y''=D(D-1)Yx2y′′=D(D−1)Y
同理可得:x3y′′′=D(D−1)(D−2)y......同理可得:x^3y'''=D(D-1)(D-2)y
\\.\\.\\.\\.\\.\\.同理可得:x3y′′′=D(D−1)(D−2)y......
我们来看个2004年数学1的例子:
求欧拉方程x2d2ydx2+4xdydx+2y=0(x>0)的通解为:y=?x^2\frac{\mathrm{d}^2 y}{\mathrm{d} x^2}+4x\frac{\mathrm{d} y}{\mathrm{d} x}+2y=0(x>0)的通解为:y=?x2dx2d2y+4xdxdy+2y=0(x>0)的通解为:y=?
解:令x=et则原式为:D(D−1)y+4Dy+2y=0即:D2y+3Dy+2y=0此时就变成了我们熟悉的线性方程:r2+3r+2=0(r+1)(r+2)=0r1=−1,r2=−2y=C1e−t+C2e−2t=C1x+C2x2
解:令x=e^t则原式为:D(D-1)y+4D
y+2y=0\\
即:D^2y+3Dy+2y=0\\
此时就变成了我们熟悉的线性方程:\\
r^2+3r+2=0\\
(r+1)(r+2)=0\\
r_1=-1,r_2=-2\\
y=C_1e^{-t}+C_2e^{-2t}=\frac{C_1}{x}+\frac{C_2}{x^2}
解:令x=et则原式为:D(D−1)y+4Dy+2y=0即:D2y+3Dy+2y=0此时就变成了我们熟悉的线性方程:r2+3r+2=0(r+1)(r+2)=0r1=−1,r2=−2y=C1e−t+C2e−2t=xC1+x2C2
这要是还不懂没救了
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