当前课程知识点:微积分——多元函数与重积分 > 第五章 常微分方程 > 第四节 高阶线性常系数微分方程 > 欧拉方程
前面我们重点介绍了
线性微分方程的有关的内容
接下来
我们看另外一类特殊的微分方程
这就是所谓的欧拉方程
欧拉方程
什么样的方程叫欧拉方程
那 我们给出一个定义
我们把下面这个形式的方程
称为欧拉方程
也就是说这个方程
它的第一项是x n次方
乘上y的n阶导数
第二项是常数a n-1
乘上x的n-1次方
乘上y的n-1阶导数
这样一直到它的第n项
应该是常数a1乘上x再乘y的导数
第n+1项是常数a0乘上y
右端项是fx
那么这样的微分方程
我们就称为欧拉方程
根据欧拉方程的定义
我们知道
实际上
欧拉方程它的特点
就是说它每一项
主要的就是x的k次方
与未知函数的k阶导数的乘积
因为它的系数
在这个地方ak都是常数
都是常数
那么对这样的方程
我们怎么样利用它的特点
来对它进行变形
那么通过变形
我们看看能不能变到我们熟悉的方程
实际上 对欧拉方程来说
我们的求解方法
是这样想的
我们先考虑x大于0时
如果x大于0
我们就令x等于e的t次方
t是新的自变量
这个时候
当然 t就等于个lnx
现在 我们原来的未知函数
应该是yx的
但是 x是等于e的t次方
所以它应该是y e的t次方
这个是由yx和e的t次方做复合得到的函数
我们把这个函数记成gt
那咱们看一下
如果我把自变量从x变成t
把未知函数从yx变成gt
那么我原来yx满足的这个方程
对这个新的未知函数来说
会变成什么形式
那我就从最简单的
譬如说二阶的方程出发
二阶的方程出发的时候
我要求它的一阶导数
也就是y关于x的一阶导
那么 因为yx是等于gt的
它关于x的一阶导
也就是g关于t的一阶导
再乘上t关于x的导数
t关于x的导数
也就等于x分之一
所以它就等于g一撇t
再乘上x分之一
这就是它的一阶导
那么 它的二阶导
y关于x的二阶导
应该等于这个函数关于x求导
第一个函数关于x求导是复合函数
所以说它应该是它关于t的导数
乘上t关于x的导数
所以说这个地方出来的应该是
x平方分之一
在第一个因子不动
第二个因子求导
应该是减掉g一撇t
然后是x方分之一
那么这样子
一阶导二阶导
与积的一阶导二阶导就联系起来了
但是我们看一下
由第一个等式
我们知道x乘上y一撇x
应该就等于g一撇t
第二个等式
我们会看到
x平方乘上y的两阶导
应该就等于
g关于t的两阶导
再减掉g关于t的导数
如果代到二阶欧拉方程里面
我们看一下
二阶欧拉方程会变成什么样子
也就是说x乘上y的两阶导
就是g两撇t
减掉g一撇t
再加上a1乘上x
乘上y的一阶导
也就是g一撇t
在这里 再加上
就是那个 a0乘上y
而yx就等于gt
所以说应该是个a0乘上gt
这面右端项是fx
但是x是等于e的t次方
所以右端项就是e
fe的t次方
这就是我们gt这个未知函数
满足的方程
那我们看一下这个方程
对未知函数gt来说
它应该是一个二阶线性
常系数非齐次方程
所以说
通过这样的变量替换了
我们发现二阶欧拉方程就变成
我们熟悉的二阶线性常系数非齐次方程
那么我们就问
这种变换能不能把一般的
n阶欧拉方程
也变成是
n阶线性常系数的微分方程
实际上
我们为了讨论一般的情况
我们已经量个记号
也就是说
我们记 就是
D表示关于t求一阶导
我们用Dk表示关于t求k阶导
引进这两个记号
这个时候我们会发现
这里这一个
x乘上y关于x的一阶导数
可以表示成这个样子
y关于
x乘上y关于x的一阶导数
实际上可以表示成Dg
而x平方乘上y关于x的二阶导数
可以表示成
就是D方
然后这面是g
减掉Dg
也就等于
D乘上一个D-1
再一个g
也就引进这两个记号后
我们发现刚才我们得到的结果
可以用D来表示成这个形式
现在我们看一下
如果我假设
假设xk次方乘上y的k阶导
可以表示成D乘上D-1
一共有k项乘起来
所以乘到最后
应该是D减掉k再加上1 g
如果我假设这个式子成立的时候
我来看一看
x k+1次方
乘上y的k+1阶导会等什么
我们为了就是得到
就是这个东西它的表达式
我们直接在上面这
等式两端关于x求导
也就是说
我直接在这个等式两端关于x求导
那么左边的导数
大家知道应该就是k倍的
x k-1次方乘上y的k阶导
再加上x k次方
这面再乘上y的k+1阶导
这就是左边
右边 大家注意到
这个g它是关于t的函数
而我们是关于x求导
所以说它应该是一个复合函数求导
它应该就等于
就是D乘上D-1
一直乘到D-k+1
这是个g 这个东西
应该是先关于t求导
在乘上dt dx
然后这样做的时候
里面这都是导数运算
所以导数运算
我们先求完这项导之后
再关于t求导
与先对它关于t求导
再求这些导数是一样的
所以它就应该等于D D-1
一直乘到D-k+1
这面再乘上
g关于t的导数 也就是Dg
这面乘上的是x分之一
x分之一
现在我们看一下
这个等式的左端是这一项
右端是这一项
我们把x给乘过来
乘过来之后
这面就会出现x的k+1次方
乘上y的k+1阶导
我们把这项移到等号的另外一端
所以我们就会推出
x的k+1次方
乘上y的k+1阶导
就等于
这面是D乘上D-1
一直乘到D-k+1
这面再乘上D 这是g
减掉k倍的x的k次方
乘上y的k阶导 但是
我们已经假设了xk次方
乘上y的k阶导
是等于这个表达式的
所以我们把这个表达式代进去
代进去之后
它与前面这一项正好有一些公因子
我们给它提出去
也就是等于
提出来
D乘上D-1
乘到D-k+1
都可以提出来
最后 这边剩下的是D
这边剩下的是k
也就是减掉k 这是g
也就是换句话说
现在我们就证明了
就是这个表达式
对任意的k都是成立的
这是用归纳法的想法证明的
如果这样子的时候
那么
我们引进了这两个记号之后
我们的n阶欧拉方程
它就关于这个新的未知函数gt
就变成了这个形式
也就变成了
就是D乘上D-1
一直乘到D-n+1
这是gt
再加上一个n-1
这面就是D乘上D-1
一直乘到D-n+2
这是这个地方 这是g
最后一直做下去
就是a1这面就是一个Dg
再加上一个a0
这是一个g
这面就等于f e的t次方
这个方程实际上就是一个
n阶的线性常系数微分方程
所以这是在x大于0的前提下
我们做了这个变量替换
引进了新的未知函数
就把欧拉方程变成了我们熟悉的
n阶线性常系数微分方程
当然
如果我们的gt表达式求出来了
那么我们自然就会得到我们的yx
也就得到原来欧拉方程的解
如果我们在求解的范围
是x小于0时
实际上
我们的处理想法是完全一样的
无非是在x小于0时
你就直接令x等于负的e的t次方
做这样的变量替换
这样的变量替换只是在求导过程中
正负号上需要大家注意
实际上
它的转化还是一样的
它一样可以把原来的欧拉方程变成是
n阶线性常系数微分方程
所以说对欧拉方程这种特殊的方程
我们的求解思路
就是通过变量替换
变成线性常系数方程进行求解
-第一节 多元连续函数
--开集、闭集、区域
--二重极限的定义
--二重极限的例题
--二次极限的定义
-第一章 多元函数微分学--第一节练习题
-第二节 多元函数的偏导数
--偏导数的概念
--偏导数的几何意义
--高阶偏导数的概念
-第一章 多元函数微分学--第二节练习题
-第三节 多元函数的全微分
--全微分的概念
--可微的必要条件
--可微的充分条件
--可微的充要条件
--多元函数的原函数
-第一章 多元函数微分学--第三节练习题
-第四节 多元函数的微分法
--隐函数存在定理
--隐函数组求导法
-第一章 多元函数微分学--第四节练习题
-第五节 多元函数的方向导数与梯度向量
--方向导数的概念
--方向导数的计算
-第一章 多元函数微分学--第五节练习题
-第六节 映射及其微分
--复合映射的微分法
-第一章 多元函数微分学--第六节练习题
-第七节 多元函数的泰勒公式(以二元函数为例)
-第一章 多元函数微分学--第七节练习题
-第一节 多元函数微分学的几何应用
-第二章 多元函数微分学应用--第一节练习题
-第二节 多元函数的极值
--极值点的判别法
--极值问题举例
-第二章 多元函数微分学应用--第二节练习题
-第三节 多元函数的条件极值
--条件极值问题举例
--最小二乘法
-第二章 多元函数微分学应用--第三节练习题
-第一节 二重积分的概念和性质
--二重重积分引入
--二重积分定义
--二重积分性质
-第二节 二重积分的计算
-第三章重积分--第二节练习题
-第三节 极坐标系及一般坐标系
--极坐标系
--一般坐标系
-第三章重积分--第三节练习题
-第四节 三重积分
--三重积分的引入
--三重积分的定义
--三重积分的性质
--直角坐标系
--空间坐标变换
--空间柱坐标系
--球坐标系
--球坐标系例题
-第三章重积分--第四节 练习题
-第五节 第一类曲线积分
-第三章重积分--第五节 练习题
-第六节 第一类曲面积分
-第三章重积分--第六节 练习题
-第七节 含参变量积分
--含参定积分的定义
--含参积分的连续性
--含参积分的导数
--含参积分的例题
-- 广义含参积分的一致收敛性
-第三章重积分--第七节 练习题
-第一节 第二类曲线积分
-第四章 向量分析--第一节 练习题
-第二节 Green公式及其应用
-第四章 向量分析--第二节 练习题
-第三节 第二类曲面积分
--曲面的定向
-第四章 向量分析--第三节 练习题
-第四节 Gauss公式与Stokes公式
--Gauss公式
-第四章 向量分析--第四节 练习题
-第五节 无源场,保守场与调和场
--平面保守场
--势函数及其计算
--空间保守场
--常见的场
-第四章 向量分析--第五节 练习题
-第一节 微分方程的基本概念
--微分方程概念举例
-第二节 可求解的一阶微分方程(初等积分法)
--变量分离方程
--齐次型方程
-第五章 常微分方程--第二节 练习题
-第三节 高阶线性微分方程解的结构
-第五章 常微分方程--第三节 练习题
-第四节 高阶线性常系数微分方程
--欧拉方程
--欧拉方程举例
-第五章 常微分方程--第四节 练习题