常秀芳
(山西大同大學數學與統計學院,山西大同037009)
變系數的線性微分方程的求解一般沒有固定方法可循,然而現實生活中常常遇到諸如熱傳導、振動諧波、電磁波、等變系數的線性微分方程問題,它們正好是特殊的變系數的線性微分方程——歐拉方程[1-4]。
定義形如
的方程,稱為歐拉方程。其中:p1,p2,…,pn-1,pn是常 數且p1≠0, 當f(x)≡0 時 ,方 程xny(n)+p1xn-1xy(n-1)+… +pn-1xy′+pny=0 稱為n階線性齊次歐拉方程。
當f(x)≠0 時,方程xny(n)+p1xn-1y(n-1)x+…+pn-1xy′+pny=f(x)
稱為n階線性非齊次歐拉方程。
歐拉方程用微分算子表示為
由解的結構知:只要能求得n階線性齊次歐拉的通解以及n階線性非齊次歐拉方程一個特解,則歐拉方程的通解即可寫出。至于特解的形式可參閱n階常系數線性微分方程的特解形式進行假設,用代入法求得,或知齊次方程的通解用常數變易法解之,因此,關鍵是求n階線性齊次歐拉的通解。
歐拉方程是一個n階變系數線性微分方程,其特點:(1)它的左邊的每一項是都由冪函數與未知函數導數的乘積組成;(2)每一項冪函數的指數與未知函數導數的階數相等;(3)k階導數Dky的系數是k次的冪函數pn-kxk(k=0,1,2,…,n,且P0=1)。
當n=1時,是一階歐拉方程
變形為
則此方程為一階線性微分方程,其通解是
當n≠1時,設x=eu,因
將上述各項代入方程
得一個關于未知函數是y,自變量為u的常系數線性方程
Pn(D)y=0,
求得此常系數線性齊次方程后,因x=eu,所以用u=lnx回代,則得齊次歐拉的解。
例1求方程x3y?+3x2y″+xy′-y=xlnx的解。
解設x=eu,因原方程為
[D(D-1)(D-2)+3D(D-1)+D-1]y=ueu,即
(D3-1)y=ueu,
其特征方程為r3-1=0,特征根為
則(D3-1)y=0 的通解為
設方程 (D3-1)y=ueu的特解為y?=u(Au+B)eu,代入方程得
(6Au+6A+3B)eu=ueu,
因此方程(D3-1)y=ueu的通解為
則所求方程的通解為
由冪函數導數仍為冪函數的特點,不妨設歐拉方程
代入原方程為
由于xλ≠0,則得一個關于λ的n次一元方程
不妨規定此方程為歐拉方程的特征方程。
設歐拉方程的特征方程有n個不同的特征根為λ1,λ2,…,λn。
因λ=λ1,λ2,…,λn而 且λ1,λ2,…,λn互 不 相等,于是xλ1,xλ2,…,xλn線性無關。則歐拉方程的通解為
解特征方程λ(λ-1)+λ-1=0 ,特征根為λ=±1,所以,所求方程的通解為
設歐拉方程的特征方程有兩n個相同的特征根為λ1、λ2。
因λ=λ1=λ2,所以y1=xλ1是齊次歐拉方程的解。
設y2=xλ1lnx,因
由于λ1是特征方程的重根,將代入齊次歐拉方程的左端,化簡得
因此,y2=xλ1lnx也是齊次歐拉方程的解。又y=xλ1與y=xλ1
lnx線性無關,所以歐拉方程的通解含有 (C1+C2lnx)xλ1項。
例3求方程x2y″-xy′+y=0 的通解。
綜合考慮研究區6個時相遙感影像,決定在NDVI概率累計表上取概率為99.5%的值為NDVImax,取概率為0.5%的為NDVImin,并利用ERDAS IMAGINE 2013 軟件中的Modeler實現植被覆蓋度定量轉換模型,得到1989—2015年6期植被覆蓋度專題圖。
解特征方程λ(λ-1)-λ+1=0,即(λ-1)2=0特征根為λ=1 ,所以,所求方程的通解為y=(C1+C2lnx)x。
設歐拉方程的特征方程有一對的共軛復數的特征根為α±iβ。
因λ=α±iβ,則是歐拉方程的解。
由歐拉公式知
由線性齊次微分方程解的結構知:
又y1與y2線性無關,所以齊次歐拉方程的通解含有xα[C1cos(βlnx)+C2sin(βlnx)]項。
例4求方程x2y″+xy′+y=0 的通解。
解特征方程λ(λ-1)+λ+1=0,即λ2+1=0,
特征根為λ=±i,所以,所求方程的通解為y=C1cos(lnx)+C2sin(lnx)。
若λ=α±iβ是歐拉方程的k重共軛復數的特征根,則歐拉方程的通解一定含有
第一步:依據方程寫出特征方程
第二步:求出特征根;
第三步:依特征根寫出方程的通解如表1。
表1 齊次歐拉方程特征根與通解關系的對照表