Diferansiyel Denklemler · 3. Ünite: Yüksek Mertebeden Lineer Diferansiyel Denklemler

Cauchy-Euler Denklemleri

Laplace denkleminin kutupsal koordinatlarda çözümü, küresel simetrik bir ortamda ısı iletimi ya da bir ısı yayıcının yarıçapa bağlı sıcaklığı gibi problemlerde karşımıza $t^2y'' + \alpha ty' + \beta y = 0$ biçiminde, katsayıları değişken ama çok düzenli bir denklem çıkar. Her terimde türevin mertebesi kadar $t$ kuvveti vardır; bu yapı, denklemin $y = t^r$ gibi bir kuvvet fonksiyonuyla çözülmesine ve $x = \ln t$ dönüşümüyle sabit katsayılı denkleme indirgenmesine izin verir. Konunun sonunda indis denklemini kurup üç kök durumunda ($t>0$ ve $t<0$ için) genel çözümü yazabilecek, başlangıç koşullarından sabitleri bulabilecek, $t = 0$ tekilliğinin sonuçlarını açıklayabilecek ve $t \to 0^+$ ile $t \to \infty$ davranışını köklerden okuyabileceksin.

Öğrenme hedefleri

Konu anlatımı

  1. Bağlam: Değişken Katsayılı Ama Çözülebilir Bir Denklem

  2. y = t^r Denemesi ve İndis Denklemi

  3. x = ln t Dönüşümü: Sabit Katsayılıya İndirgeme

  4. Üç Durum ve Çözümlü Örnekler

  5. Negatif t, Tekil Nokta ve Başlangıç Koşulu

  6. Homojen Olmayan Denklemler

  7. Davranış: t → 0⁺ ve t → ∞

  8. Sık Yapılan Hatalar ve Kavram Yanılgıları

  9. Özet ve Bağlantılar

Anahtar terimler

Cauchy-Euler denklemi (Euler equation)
$t^2y'' + \alpha ty' + \beta y = 0$ biçiminde, her terimde türev mertebesi kadar $t$ kuvveti taşıyan lineer homojen denklem; ölçek değişmezdir ve $y = t^r$ ile çözülür.
İndis denklemi (indicial equation)
$y = t^r$ denemesinden çıkan cebirsel denklem $r(r-1) + \alpha r + \beta = 0$; kökleri çözümlerdeki kuvvetleri belirler.
Logaritmik dönüşüm
$x = \ln t$ (ya da $t < 0$ için $x = \ln|t|$) değişken değişimi; $ty' = Y'$ ve $t^2y'' = Y'' - Y'$ olduğundan denklem sabit katsayılı $Y'' + (\alpha - 1)Y' + \beta Y = 0$ olur.
Tekil nokta (singular point)
Standart biçimde $p(t) = \alpha/t$ ve $q(t) = \beta/t^2$ katsayılarının süreksiz olduğu $t = 0$ noktası; varlık–teklik teoremi bu noktayı içeren aralıkta geçerli değildir.
Düzenli tekil nokta (regular singular point)
Tekil noktanın $t\,p(t)$ ve $t^2q(t)$ analitik kalacak kadar hafif olması; Cauchy-Euler denklemi bu sınıfın model örneğidir.
Katlı kök ve ln t
İndis denkleminin çift kökü $r$ olduğunda ikinci bağımsız çözüm $t^r\ln t$'dir (sabit katsayılıdaki $te^{rt}$'nin karşılığı).
Karmaşık kök: $\cos(\mu\ln t)$
$r = \lambda \pm \mu i$ için reel çözümler $t^\lambda\cos(\mu\ln t)$ ve $t^\lambda\sin(\mu\ln t)$; salınım $t$'de değil $\ln t$'de düzgündür.
Mutlak değer ile çözüm
$t < 0$ aralığında $t^r$ ve $\ln t$ yerine $\lvert t\rvert^r$ ve $\ln\lvert t\rvert$ kullanılması; iki yarım doğru ayrı sabitlerle çözülür.
Parametrelerin değişimi (variation of parameters)
$g(t)\neq 0$ iken özel çözümü $y_p = u_1y_1 + u_2y_2$ biçiminde bulma yöntemi; Cauchy-Euler için sağ taraf $g(t)/t^2$ olarak alınır.

Örnek soru

$t > 0$ için $t^2y'' + ty' - 4y = 0$ denkleminin genel çözümü aşağıdakilerden hangisidir?

  1. $c_1e^{2t} + c_2e^{-2t}$
  2. $c_1t^{(-1+\sqrt{17})/2} + c_2t^{(-1-\sqrt{17})/2}$
  3. $t^2(c_1 + c_2\ln t)$
  4. $c_1\cos(2\ln t) + c_2\sin(2\ln t)$
  5. $c_1t^2 + c_2t^{-2}$

Doğru cevap: E

Çözüm

1. $y = t^r$ koyunca indis denklemi $r(r-1) + r - 4 = r^2 - 4 = 0$ olur ($\alpha = 1,\ \beta = -4$).
2. Kökler $r = \pm 2$ ayrık reeldir; dolayısıyla $y = c_1t^2 + c_2t^{-2}$.
3. Kontrol: $y = t^2$ için $t^2\cdot 2 + t\cdot 2t - 4t^2 = 0$.
Cevap: E. B seçeneği indis denklemini $r^2 + \alpha r + \beta = r^2 + r - 4$ yazıp $r(r-1)$ terimini unutmaktan gelir. A, sabit katsayılı denklemin çözümüdür ($t$ değişkeni üstelde olmamalı).

Diferansiyel Denklemler: tüm konular