Eulerova rovnice () je obyčejná diferenciální rovnice n-tého řádu tvaru , kde jsou konstanty.

Eulerova diferenciální rovnice je speciálním případem rovnice s proměnnými koeficienty, kterou lze substitucí převést na lineární diferenciální rovnici s konstantními koeficienty řešitelnou explicitně. Alternativně lze zkoušet řešení tvaru .

Rovnice druhého řádu náhled|320px|vpravo|Typické křivky řešení pro Eulerovu rovnici druhého řádu pro případ dvou reálných kořenů náhled|320px|vpravo|Typické křivky řešení pro Eulerovu rovnici druhého řádu pro dvojnásobný kořen náhled|320px|vpravo|Typické křivky řešení pro Eulerovu rovnici druhého řádu pro vícenásobné kořeny Nejobvyklejší Eulerovou rovnicí je rovnice druhého řádu, která se objevuje v několika aplikacích ve fyzice a strojírenství, například při řešení Laplaceovy rovnice v polární souřadnicích. Je dána rovnice:

Řešení pomocí zkušebních řešení Zkoušíme řešení tvaru

Zderivováním dostaneme:

a

Dosadíme do původní rovnice:

A upravíme na:

Tuto rovnici řešíme pro proměnnou m. Existují tři odlišné zajímavé případy:

Případ 1: Dva různé reálné kořeny m1 a m2 Případ 2: Jeden reálný vícenásobný kořen m Případ 3: Komplexní kořeny α ± βi

V případě 1 má Eulerova rovnice řešení

V případě 2 má Eulerova rovnice řešení

Pro získání tohoto řešení je nutné po nalezení jednoho řešení y = xm použít metodu redukce řádu.

V případě 3 má Eulerova rovnice řešení

Pro a v reálné rovině

Tento tvar řešení odvodíme položením x = et a použitím Eulerova vzorce.

Řešení pomocí substituce V rovnici

provedeme substituci proměnné definovanou vztahem

Po zderivování:

Substituce dává

Tato rovnice pro může být snadno vyřešena pomocí svého charakteristického polynomu

Nyní jestliže a jsou kořeny tohoto polynomu, rozlišujeme dva hlavní případy: různé kořeny a dvojité kořeny:

Jestliže má rovnice různé kořeny, obecné řešení je dáno vztahem

, kde exponenciální funkce mohou být komplexní.

Jestliže kořeny jsou si rovné, obecné řešení je dáno vztahem

V obou případech lze řešení nalézt tak, že položíme , tedy .

To dává v prvním případě ,

ve druhém případě

Příklad Řešíme rovnici

nahradíme jednoduché řešení xα:

Aby xα bylo řešení, platí buď x = 0, což dává triviální řešení, anebo koeficient u xα je nula. Řešením kvadratické rovnice dostaneme α = 1, 3. Obecné řešení je proto

Obdoba v diferenčních rovnicích Eulerovy rovnice má obdobu v diferenčních rovnicích. Pro pevné m > 0, definujeme posloupnost ƒm(n) jako

Použitím diferenčního operátoru na dostaneme, že

Jestliže tento postup opakujeme k-krát, dostaneme

kde horní index (k) znamená k-násobné použití diferenčního operátoru. Srovnání tohoto s faktem, že k-tá derivace xm se rovná

nabízí možnost řešit diferenční rovnice N-tého řádu

podobným způsobem jako diferenciální rovnice. Skutečně substituce zkušebního řešení

dává stejný výsledek jako diferenciální rovnice

Nyní můžeme pokračovat jako v případě diferenciální rovnice, protože obecné řešení lineární diferenční rovnice N-tého řádu je také lineární kombinací N lineárně nezávislých řešení. Použitím redukce řádu v případě více kořenů m1 dostaneme výrazy obsahující diskrétní verzi funkce ln,

(Srovnejte s: )

Pokud se vyskytnou zlomky, lze místo výše uvedeného použít funkci gama:

což se shoduje s výše uvedenou definicí pro celočíselné m.

Reference

Bibliografie Cauchy-Euler equation Weisstein, Eric W, na webu Mathworld

Související články Hypergeometrická diferenciální rovnice Cauchyův–Eulerův operátor Diferenciální rovnice Variační počet

Externí odkazy Obyčejné diferenciální rovnice vyššího řádu (pdf): http://is.muni.cz/…/DP_orig.pdf

Kategorie:Obyčejné diferenciální rovnice Kategorie:Diferenciální počet Kategorie:Rovnice rovnice, Eulerova