Euler-Cauchy 型と高階方程式
mathdifferential-equationshigher-orderlecture
1導入
この講義では、高階線型定数係数では e^{rx}、Euler-Cauchy 型では x^r を試行解として選択する理由を確認する。
2高階定数係数
a_ny^{(n)}+\cdots+a_1y'+a_0y=0,\qquad a_n\ne0
では y=e^{rx} を仮定する。微分しても e^{rx} が共通因子として残るため、
a_nr^n+\cdots+a_1r+a_0=0
を得る。根 r の重複度が m なら、
e^{rx},\ xe^{rx},\ldots,\ x^{m-1}e^{rx}
が対応する。
3Euler-Cauchy 型
x>0 の区間で Euler-Cauchy 方程式 は
x^2y''+axy'+by=0
のように、微分階数に対応して x の冪が掛かる方程式である。y=x^r と置くと、xy'=r x^r、x^2y''=r(r-1)x^r となり、共通因子 x^r が残る。したがって r の代数方程式へ還元できる。
この方針は、x=e^s という変数変換から導出できる。D_s=d/ds とすると、xy'=D_s y、x^2y''=D_s(D_s-1)y である。したがって Euler-Cauchy 型は、対数変数 s=\log x では定数係数方程式へ変換される。x^r=e^{rs} が試行解となるのはこのためである。x<0 の区間では z=-x>0 と変換し、|x|^r と \log|x| を用いて同様に処理する。
4具体例
x^2y''+xy'-y=0
で y=x^r とおくと
r(r-1)+r-1=r^2-1=0
である。したがって r=\pm 1 であり、y=C_1x+C_2x^{-1} を得る。
5重根と対数因子
Euler-Cauchy 型でも、指標方程式が重根を持つ場合には独立な 2 解が不足する。この場合、定数係数で xe^{rx} が現れるのに対応して、Euler-Cauchy 型では x^r\log x が現れる。
たとえば
x^2y''-xy'+y=0
では y=x^r を代入して
r(r-1)-r+1=(r-1)^2=0
を得る。したがって
y=C_1x+C_2x\log x
である。\log x が出現する理由は、対数変数 s=\log x で重根解 e^s,\ se^s が生じ、それを x の変数へ戻すと x,\ x\log x になるためである。
6高階方程式との対応
高階定数係数では、特性多項式の根が解の基本成分を決定する。相異なる根は指数関数を与え、重複根は多項式因子を伴う。この構造は、解空間の次元が階数と一致しなければならないという線型理論の要請に由来する。
7適用範囲と限界
Euler-Cauchy 型は x=0 に特異点を持つ。したがって解を扱う区間が x>0 か x<0 かを明示する必要がある。さらに一般の変数係数方程式がすべて Euler-Cauchy 型へ還元できるわけではない。
また、x=0 を跨ぐ区間で同一の表示を無条件に使用してはならない。x^r や \log x の扱いは区間と実数・複素数の設定に依存する。Euler-Cauchy 型は特異点近傍の解析へ接続するため、Frobenius 法への入口としても重要である。
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10関連リンク
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Euler--Cauchy and Higher-Order Equations
1Introduction
This lecture explains why exponential trial solutions apply to higher-order constant-coefficient equations and why power trial solutions apply to Euler--Cauchy equations.
2Higher-Order Constant-Coefficient Equations
For
a_ny^{(n)}+\cdots+a_1y'+a_0y=0,\qquad a_n\ne0,
the trial solution y=e^{rx} produces the characteristic equation
a_nr^n+\cdots+a_1r+a_0=0.
If r is a root of multiplicity m, the associated solutions are
e^{rx},\ xe^{rx},\ldots,\ x^{m-1}e^{rx}.
These factors supply the number of independent solutions required by the order of the equation.
3Euler--Cauchy Equations
On an interval with x>0, an {Euler--Cauchy equation} has the form
x^2y''+axy'+by=0.
Substitution of y=x^r gives xy'=rx^r and x^2y''=r(r-1)x^r, reducing the differential equation to an algebraic equation in r.
This reduction follows systematically from the change of variable x=e^s. If D_s=d/ds, then
xy'=D_sy,\qquad x^2y''=D_s(D_s-1)y.
Thus the Euler--Cauchy equation becomes a constant-coefficient equation in s=\log x, and x^r=e^{rs} is its natural trial solution. On an interval with x<0, set z=-x>0 and use |x|^r and \log|x|. Solutions must be treated separately on the two sides of the singular point x=0.
4Example
For
x^2y''+xy'-y=0,
substitution of y=x^r gives
r(r-1)+r-1=r^2-1=0.
Hence r=\pm1 and, on x>0,
y=C_1x+C_2x^{-1}.
5Repeated Roots and Logarithmic Factors
When the indicial equation has a repeated root, a second independent solution contains a logarithmic factor. For example,
x^2y''-xy'+y=0
gives (r-1)^2=0 and therefore
y=C_1x+C_2x\log x
on x>0. Under s=\log x, the repeated-root solutions are e^s and se^s; transforming back gives x and x\log x.
6Connection with Higher-Order Theory
For higher-order constant-coefficient equations, the roots of the characteristic polynomial determine the elementary solution components. Distinct roots yield exponentials, while repeated roots introduce polynomial factors. This structure ensures that the dimension of the solution space equals the order of the equation.
7Scope and Limitations
The point x=0 is singular for an Euler--Cauchy equation. A solution formula must therefore specify an interval contained either in x>0 or in x<0; one must not extend the same real formula across zero without justification. General variable-coefficient equations need not reduce to Euler--Cauchy form. Their analysis near singular points leads to the Frobenius method.
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10Related Lecture
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