欧拉方程考研

教育图书 · 2024-12-27 07:15:03

欧拉方程是数学一考试范围内的内容,它是一种特殊的变系数线性微分方程,其特点是各项未知函数导数的阶数与乘积因子自变量的方次数相同。欧拉方程可以通过变量代换化为常系数微分方程,其中最常用的换元方法是令 x = e^t。

换元

令 x = e^t,则 dx = e^t dt。通过链式法则,可以得到:

一阶导数:dy/dt = y',因此 y' = xy

二阶导数:d^2y/dt^2 = y'' + xy',因此 y'' = y'' + xy'

以此类推,直到 n 阶导数:d^ny/dt^n = y^(n) + C(n)xy^(n-1),其中 C(n) 是组合数

代入原方程

将 x = e^t 和上述导数代入原欧拉方程,得到一个关于 y 和 t 的常系数线性微分方程。

求解常系数线性微分方程

常系数线性微分方程的解法包括特征方程法、待定系数法等。通过求解特征方程,可以得到齐次方程的通解;对于非齐次方程,可以通过待定系数法求特解。

换回原变量

将 t 替换回 x,得到原欧拉方程的解。

示例

考虑以下欧拉方程:

x^2 y'' + x y' - 6y = 0

令 x = e^t,则 dx = e^t dt,y' = xy,y'' = y'' + xy'。

代入原方程得:

e^(2t) (y'' + xy') + e^t (y') - 6y = 0

e^(2t) y'' + e^(2t) xy' + e^t xy' + e^t y' - 6y = 0

(y'' + 2xy' + xy') + (y' + xy') + y' - 6y = 0

(y' + 3xy')' + (y' + xy') - 6y = 0

令 y' + 3xy' = u,则 y'' + 3xy' = u',代入上式得:

u' + u - 6y = 0

这是一个一阶线性微分方程,可以解得:

u = Ce^(-3t) - 2y

y' + 3xy' = Ce^(-3t) - 2y

(1 + 3x)y' = Ce^(-3t) - 2y

y' = (Ce^(-3t) - 2y) / (1 + 3x)

通过积分,可以得到 y 的表达式,再换回 x 即可得到原方程的解。

建议

掌握换元法:熟练掌握 x = e^t 的换元方法及其导数关系。

熟悉常系数线性微分方程的解法:包括特征方程法和待定系数法。

练习:通过多做习题来巩固解法,特别是非齐次欧拉方程的特解求解。

希望这些信息能帮助你更好地准备考研中的欧拉方程部分。

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