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Euler-Cauchy 型と高階方程式md be021f8
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Euler-Cauchy がた高階方程式こうかいほうていしき

date2026-07-16document_iddoc_f18dc0e3974d69536d7995312dda8d2bdescriptionEuler-Cauchy 型方程式と高階線型定数係数方程式を、試行解の選択理由と根の重複から整理する。prerequisites二階線型定数係数微分方程式の拡張理論type講義content_typelecturestatusactiverelateddata/lecture/math/differential-equations/extensions-of-second-order-linear-odes.lecture.n.md / data/lecture/math/differential-equations/variation-of-parameters-and-wronskian.lecture.n.md / data/lecture/math/differential-equations/first-order-systems-and-matrix-exponentials.lecture.n.md / data/lecture/math/differential-equations/power-series-and-frobenius-methods.lecture.n.md
mathdifferential-equationshigher-orderlecture

1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、高階線型定数係数こうかいせんけいていすうけいすうでは erx、Euler-Cauchy がたでは xr試行解しこうかいとして選択せんたくする理由りゆう確認かくにんする。

2高階定数係数こうかいていすうけいすう

any(n)++a1y+a0y=0,an0

では y=erx仮定かていする。微分びぶんしても erx共通因子きょうつういんしとしてのこるため、

anrn++a1r+a0=0

る。こん r重複度ちょうふくどm なら、

erx,xerx,,xm-1erx

対応たいおうする。

3Euler-Cauchy がた

x>0区間くかんEuler-Cauchy 方程式ほうていしきEuler-Cauchy equation

x2y'+axy+by=0

のように、微分階数びぶんかいすう対応たいおうして xべきかる方程式ほうていしきである。y=xrくと、xy=rxrx2y'=r(r-1)xr となり、共通因子きょうつういんし xrのこる。したがって r代数方程式だいすうほうていしき還元かんげんできる。

この方針ほうしんは、x=es という変数変換へんすうへんかんから導出どうしゅつできる。Ds=d/ds とすると、xy=Dsyx2y'=Ds(Ds-1)y である。したがって Euler-Cauchy がたは、対数変数たいすうへんすう s=logx では定数係数方程式ていすうけいすうほうていしき変換へんかんされる。xr=ers試行解しこうかいとなるのはこのためである。x<0区間くかんでは z=-x>0変換へんかんし、|x|rlog|x|もちいて同様どうよう処理しょりする。

4具体例ぐたいれい

x2y'+xy-y=0

y=xr とおくと

r(r-1)+r-1=r2-1=0

である。したがって r=±1 であり、y=C1x+C2x-1る。

5重根じゅうこん対数因子たいすういんし

Euler-Cauchy がたでも、指標方程式しひょうほうていしき重根じゅうこん場合ばあいには独立どくりつな 2 かい不足ふそくする。この場合ばあい定数係数ていすうけいすうxerxあらわれるのに対応たいおうして、Euler-Cauchy がたでは xrlogxあらわれる。

たとえば

x2y'-xy+y=0

では y=xr代入だいにゅうして

r(r-1)-r+1=(r-1)2=0

る。したがって

y=C1x+C2xlogx

である。logx出現しゅつげんする理由りゆうは、対数変数たいすうへんすう s=logx重根解じゅうこんかい es,sesしょうじ、それを x変数へんすうもどすと x,xlogx になるためである。

6高階方程式こうかいほうていしきとの対応たいおう

高階定数係数こうかいていすうけいすうでは、特性多項式とくせいたこうしきこんかい基本成分きほんせいぶん決定けっていする。相異そういなるこん指数関数しすうかんすうあたえ、重複根ちょうふくこん多項式因子たこうしきいんしともなう。この構造こうぞうは、解空間かいくうかん次元じげん階数かいすう一致いっちしなければならないという線型理論せんけいりろん要請ようせい由来ゆらいする。

7適用範囲てきようはんい限界げんかい

Euler-Cauchy がたx=0特異点とくいてんつ。したがってかいあつか区間くかんx>0x<0 かを明示めいじする必要ひつようがある。さらに一般いっぱん変数係数方程式へんすうけいすうほうていしきがすべて Euler-Cauchy がた還元かんげんできるわけではない。

また、x=0また区間くかん同一どういつ表示ひょうじ無条件むじょうけん使用しようしてはならない。xrlogxあつかいは区間くかん実数じっすう複素数ふくそすう設定せってい依存いぞんする。Euler-Cauchy がた特異点近傍とくいてんきんぼう解析かいせき接続せつぞくするため、Frobenius ほうへの入口いりぐちとしても重要じゅうようである。

8まえ講義こうぎ

data/lecture/math/differential-equations/variation-of-parameters-and-wronskian.lecture.n.md

9つぎ講義こうぎ

data/lecture/math/differential-equations/first-order-systems-and-matrix-exponentials.lecture.n.md

10関連かんれんリンク

data/lecture/math/differential-equations/power-series-and-frobenius-methods.lecture.n.md

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

any(n)++a1y+a0y=0,an0,

the trial solution y=erx produces the characteristic equation

anrn++a1r+a0=0.

If r is a root of multiplicity m, the associated solutions are

erx,xerx,,xm-1erx.

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

x2y'+axy+by=0.

Substitution of y=xr gives xy=rxr and x2y'=r(r-1)xr, reducing the differential equation to an algebraic equation in r.

This reduction follows systematically from the change of variable x=es. If Ds=d/ds, then

xy=Dsy,x2y'=Ds(Ds-1)y.

Thus the Euler--Cauchy equation becomes a constant-coefficient equation in s=logx, and xr=ers 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

x2y'+xy-y=0,

substitution of y=xr gives

r(r-1)+r-1=r2-1=0.

Hence r=±1 and, on x>0,

y=C1x+C2x-1.

5Repeated Roots and Logarithmic Factors

When the indicial equation has a repeated root, a second independent solution contains a logarithmic factor. For example,

x2y'-xy+y=0

gives (r-1)2=0 and therefore

y=C1x+C2xlogx

on x>0. Under s=logx, the repeated-root solutions are es and ses; transforming back gives x and xlogx.

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.

8Previous Lecture

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9Next Lecture

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10Related Lecture

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