Eulerova diferencijalna jednadžba
Ključne riječi: Eulerova diferencijalna jednadžba, singularne točke, linearna diferencijalna jednadžba drugog reda, Frobeniusova metoda.
Diferencijalna jednadžba je jednadžba koja povezuje i daje odnos između promatrane funkcije i njezinih derivacija. Takvi odnosi su u primjenama iznimno česti pa se diferencijalne jednadžbe prirodno pojavljuju pri matematičkom opisu raznih prirodnih pojava, posebice pri opisivanju velikog broja fizikalnih pojava kao što su električno polje, titranje, provođenje topline, i sl. Osim u fizici, značajna je njihova primjena u inženjerstvu, biologiji, kemiji, medicini i ekonomiji. U ovom velikom području primjena, centralnu ulogu imaju linearne obične diferencijalne jednadžbe, tj. jednadžbe oblika
U nastavku ćemo ukratko objasniti rješavanje diferencijalne jednadžbe (
Glavni cilj ovog rada je proučavanje jednog predstavnika linearnih diferencijalnih jednadžbi, a to je Eulerova diferencijalna jednadžba. Ova se jednadžba prirodno pojavljuje u rješavanju Laplaceove diferencijalne jednadžbe u polarnim koordinatama, analizi quicksort stabla i stabla pretraživanja, jednadžbama ravnoteže i brojnim drugim znanstvenim i inženjerskim područjima. U drugom poglavlju definirat ćemo Eulerovu diferencijalnu jednadžbu i pokazati metode pronalaska njezinog rješenja. Osim toga, upoznat ćemo se i sa pojmom singularnih točaka koje su od posebnog značaja u primjenama, te ćemo pokazati kako dolazimo do rješenja Eulerove jednadžbe u njihovoj okolini. Treće poglavlje posvećeno je primjenama Eulerove diferencijalne jednadžbe u fizici.
Eulerova diferencijalna jednadžba (poznata u literaturi i pod nazivom Cauchy-Eulerova diferencijalna jednadžba) pripada linearnim običnim diferencijalnim jednadžbama n-tog reda, a definiramo ju na sljedeći način:
Ukoliko je f≡0, jednadžbu (
Pretpostavimo najprije da je x∈⟨0,∞⟩. Eulerovu jednadžbu rješavat ćemo na način da ju svedemo na linearnu diferencijalnu jednadžbu s konstantnim koeficijentima. Uvedemo li supstituciju x=et, uzastopnim deriviranjem funkcije y(x)=y(et)=Y(t) dobivamo niz funkcija
gdje je I operator identiteta. Uvrštavanjem supstitucije i gornjih funkcija u homogenu Eulerovu jednadžbu (
što je homogena linearna obična diferencijalna jednadžba n-tog reda s konstantnim koeficijentima. Iz teorije linearnih diferencijalnih jednadžbi znamo da je za pronalazak općeg rješenja gornje jednadžbe dovoljno pronaći fundamentalni skup rješenja. Ukoliko za neki λ∈C pretpostavimo da je rješenje jednadžbe (
Gornji polinom nazivamo karakterističnim polinomom jednadžbe (
linearno nezavisne i pripadaju fundamentalnom skupu rješenja jednadžbe (
raspisat ćemo detaljnije postupak rješavanja ove jednadžbe. Pretpostavimo da je x>0 i uvedimo supstituciju x=et. Tada je
Y(t)=y(et)=y(x),ddtY(t)=y′(x)et,d2dt2Y(t)=y″(x)e2t+y′(x)et=y″(x)e2t+ddtY(t),i jednadžba (
Karakteristični polinom jednadžbe (
Neka su λ1, λ2 nultočke karakterističnog polinoma (
∙ |
[1)] Ako su λ1 i λ2 dvije različite realne nultočke polinoma ( |
∙ |
[2)] Ako je λ1=λ2 jedna dvostruka realna nultočka polinoma ( |
∙ |
[3)] Ako je λ=α±iβ, β≠0, kompleksno konjugiran par nultočki polinoma ( |
Opće rješenje diferencijalne jednadžbe (
Vraćanjem supstitucije dobivamo opće rješenje Eulerove diferencijalne jednadžbe (
Pretpostavimo sada da je x∈⟨−∞,0⟩. U tom slučaju x se može zamijeniti sa −x=|x| pa, za λ∈C , dobivamo sljedeći rezultat za rješenje homogene Eulerove diferencijalne jednadžbe
Primijetimo da, ukoliko je x∈⟨0,∞⟩, u slučaju Eulerove diferencijalne jednadžbe drugog reda, fundamentalni skup rješenja iz gornjeg teorema podudara se sa fundamentalnim skupom dobivenim u Napomeni
Nerijetko je u primjenama potrebno promatrati ponašanje rješenja određene diferencijalne jednadžbe u okolini singularnih točaka što može biti vrlo složen zadatak, u ovisnosti o prirodi singularnih točaka. Rješenja diferencijalne jednadžbe u okolini ovih točaka često postanu vrlo velika ili pak jako brzo osciliraju pa u nekim slučajevima jednadžbu nije moguće riješiti u okolini singularne točke. Kao što smo već ranije napomenuli, mnoge jednadžbe koje se pojavljuju u primjenama su jednadžbe drugog reda, tako da ćemo se u ovom poglavlju fokusirati na singularne točke diferencijalnih jednadžbi drugog reda, a posebno na singularne točke Eulerove diferencijalne jednadžbe.
ako su funkcije q(x)p(x) i r(x)p(x) analitičke u točki x0. Ukoliko točka x0 nije regularna, onda kažemo da je x0 singularna točka.
Prisjetimo se da je funkcija f:I⊆R→R je analitička u x0∈I ukoliko se može prikazati u obliku reda potencija
oko točke x0 na nekom krugu K(x0,R), gdje je R>0 polumjer konvergencije reda potencija (
analitičke u točki x0. Ukoliko barem jedna od prethodnih funkcija nije analitička u točki x0, onda za x0 kažemo da je iregularna singularna točka.
U slučaju regularne singularne točke, diferencijalna jednadžba se može transformirati u jednadžbu s regularnim ponašanjem, točnije, rješenje diferencijalne jednadžbe u regularnoj singularnoj točki može se prikazati kao red potencija s konačnim polumjerom konvergencije. S druge strane, ako diferencijalna jednadžba ima iregularnu singularnu točku, rješenje jednadžbe u toj točki ne može se izraziti kao red potencija, nego može uključivati i neke posebne ili neelementarne funkcije. U sljedećem primjeru odredit ćemo singularne točke Eulerove diferencijalne jednadžbe drugog reda.
a2x2y″(x)+a1xy′(x)+a0y(x)=0.
Kako je p(x)=a2x2, q(x)=a1x, a r(x)=a0, to je
q(x)p(x)=a1a2x,r(x)p(x)=a0a2x2,pa je jedina singularna točka Eulerove diferencijalne jednadžbe jednaka x0=0. Kako je
(x−0)q(x)p(x)=a1a2i(x−0)2r(x)p(x)=a0a2,slijedi da je x0=0 regularna singularna točka.
Ukoliko je točka x0 regularna singularna točka diferencijalne jednadžbe (
y(x)=xr∞∑n=0An|x−x0|n,
za pogodno odabrani r i A0≠0, koje konvergira na otvorenom kružnom vijencu K(x0;0,R), za neki R>0. Ovakvo rješenje nazivamo Frobeniusovim rješenjem.
U nastavku ćemo pretpostaviti da je p(x)=a2x2, q(x)=a1x, i r(x)=a0, tj. rješavat ćemo Eulerovu diferencijalnu jednadžbu
u okolini svoje regularne singularne točke x0=0. Bez smanjenja općenitosti, promatrat ćemo rješenja definirana na ⟨0,∞⟩, tj. pretpostavit ćemo da je x>0. Slučaj x<0 je analogan, uz male modifikacije, slično kao u prethodnom poglavlju. Neka je
Frobeniuosovo rješenje jednadžbe (
Da bi gornja jednadžba bila zadovoljena, koeficijent uz svaku potenciju od x mora biti jednak nuli. Kako je po pretpostavci A0≠0, a koeficijent uz xλ
(a2λ(λ−1)+a1λ+a0)A0=0,Primijetimo da je polinom P(λ) karakteristični polinom pridružen diferencijalnoj jednadžbi (
pri čemu gornji red konvergira na kružnom vijencu K(0;0,R), za neki R>0. Za pronalazak fundamentalnog rješenja, potrebno je odrediti još jedno rješenje jednadžbe (
1) Ako λ1−λ2∉N0, onda je s
definirano Frobeniusovo rješenje diferencijalne jednadžbe (
2) Ako je λ1=λ2, onda je
za y1 oblika (
3) Ako je λ1=λ2+m, m∈N, onda, za rješenje y1 oblika (
još jedno Frobeniusovo rješenje diferencijalne jednadžbe (
Koeficijente An, Bn, Cn te konstantu C iz gornjih rješenja određujemo uvrštavanjem Frobeniusovih rješenja y1 i y2 u diferencijalnu jednadžbu (
Karakteristični polinom zadane jednadžbe glasi
P(λ)=λ2−1,a njegove nultočke su λ1=1 i λ2=−1. Prema tome, jedno Frobeniusovo rješenje glasi
y1(x)=x∞∑n=0Anxn=∞∑n=0Anxn+1,dok je drugo oblika
y2(x)=Cy1(x)lnx+∞∑n=0Cnxn−1,jer je λ1=λ2+2. Odredimo najprije koeficijente An rješenja y1. Kako je
y′1(x)=∞∑n=0(n+1)Anxn,y″1(x)=∞∑n=0(n+1)nAnxn−1,uvrštavanjem u jednadžbu (
to jest,
∞∑n=0(n2+2n)Anxn+1=0.Iz gornje jednadžbe slijedi da je An=0, za svaki n∈N, pa je
y1(x)=A0x.Nadalje, uvrštavanjem
y2(x)=CA0xlnx+∞∑n=0Cnxn−1,y′2(x)=CA0(lnx+1)+∞∑n=0(n−1)Cnxn−2,y″2(x)=CA01x+∞∑n=0(n−1)(n−2)Cnxn−3.u jednadžbu (
što možemo zapisati kao
2CA0x+∞∑n=0(n2−2n)Cnxn−1=0.Raspisivanjem koeficijenata uz potencije od x slijedi da su C i svi koeficijenti Cn, n∈N0, jednaki nuli, osim C0 i C2. Prema tome,
y2(x)=C01x+C2x.
Napomenimo i da jednadžbe oblika
za neki a∈R, pripadaju Eulerovim diferencijalnim jednadžbama, s regularnom singularnom točkom x0=a. Ove jednadžbe rješavamo supstitucijom t=x−a, čime se jednadžba (
Eulerova diferencijalna jednadžba prirodno se pojavljuje prilikom promatranja mnoštva fizikalnih pojava, a posebice u području elektrostatike i mehaničke otpornosti materijala. U sljedećih nekoliko primjera objasnit ćemo fizikalne probleme u kojima se pojavljuje ova jednadžba, a potom riješiti navedene probleme
U mehanici se često promatraju štapovi promjenjivog poprečnog presjeka, a jedan takav štap prikazan je na Slici
pri čemu je S0 površina poprečnog presjeka štapa u točki x=0, a d>0 fiksan.
Ukoliko je uz zadanu vanjsku toplinu f(x) štap u vezi s regulatorom koji na svakom presjeku odvodi iz štapa količinu topline proporcionalne temperaturi u(x) na tom mjestu, onda je prisutan i linijski fluks s gustoćom −b(x)u(x), za b(x)≥0, i jednadžba stacionarnog provođenja topline glasi
pri čemu je κ>0 koeficijent provođenja materijala od kojeg je štap napravljen. Ako pretpostavimo da je f(x)=0 i b(x)=b, jednadžba (
gdje je U(t)=U(1+xd)=u(x). Jednadžba (
Karakteristični polinom jednadžbe (
a njegove nultočke su
λ1,2=−12±d2κS0√κ2S201d2+4κS0b.Radi lakšeg zapisa rješenja, koristimo notaciju
D=κ2S201d2+4κS0b,p1=1−d√DκS0,p2=1+d√DκS0.Kako je D>0 i t>0, prema Teoremu
Stoga je temperatura u svakoj točki promatranog štapa opisana funkcijom
u(x)=C1(1+xd)−p12+C2(1+xd)−p22,C1,C2∈R.Dodatno, ako pretpostavimo da je lijevi kraj štapa toplinski izoliran, a na desnom kraju štapa se održava temperatura od 1 stupanj, tj. u′(0)=0 i u(l)=1, onda su konstante C1 i C2 jednake
C1=−p2p1(−p2p1(1+ld)−p12+(1+ld)−p22)−1,C2=(−p2p1(1+ld)−p12+(1+ld)−p22)−1.
Električni potencijal Φ je skalarna fizikalna veličina koja opisuje potencijalnu energiju električki nabijene čestice u statičkom električnom polju. Možemo ga odrediti koristeći Gaussov zakon, zapisan u obliku Poissonove jednadžbe,
gdje je ρ volumna raspodjela naboja, a ε0 dielektrična konstanta vakuuma. Neka je dana vodljiva nabijena sfera polumjera R čiji je električni potencijal potrebno odrediti na udaljenosti r od površine sfere. Pretpostavimo da se sve točke na površini sfere nalaze na istom potencijalu Vs, tj. naboj je simetrično raspoređen. Dodatno, pretpostavimo da se sfera nalazi u velikom mediju bez naboja (što implicira da je ρ=0) te da je električni potencijal u beskonačnosti, Φ(∞), jednak nuli.
Kako je naboj simetrično raspoređen, potencijal ovisi isključivo o udaljenosti od površine sfere pa zapisom Laplaceovog diferencijalnog operatora u sfernim koordinatama jednadžba (
Sređivanjem gornje jednadžbe dobivamo Eulerovu diferencijalnu jednadžbu drugog reda,
Karakteristični polinom gornje jednadžbe je
P(λ)=λ2+λ,a njegove nultočke su λ1=0 i λ2=−1. Kako je r>0, to je, prema Teorema
Iz pretpostavke da je potencijal u beskonačnosti jednak nuli slijedi
Φ(∞)=limr→∞(C1+C21r)=C1=0,a kako je površina sfere potencijala Vs, to je
Φ(R)=C21R=Vs.Dakle, C1=0 i C2=VsR, pa je električni potencijal nabijene vodljive sfere dan formulom
Φ(r)=VsR1r.
Promotrimo problem određivanja radijalnog pomaka u homogenog diska konstantnog poprečnog presjeka u obliku kružnog vijenca. Pretpostavimo da na disk djelujemo kontinuiranim i radijalno jednoliko raspoređenim opterećenjem p tako da za radijalno naprezanje σr vrijedi σr(a)=−p i σr(b)=0, gdje su a i b=2a polumjeri kružnog vijenca. Dodatno, pretpostavimo da je kutna brzina diska jednaka nuli.
Jednadžba ravnoteže dana je sa
ddr[h(r)rσr]−h(r)σφ+h(r)ρ(r)ω2r2=0,pri čemu su σr i σφ radijalno i kružno naprezanje, h debljina diska, ρ gustoća materijala diska, a ω kutna brzina diska oko uzdužne osi diska. Kako je disk homogen, konstantnog poprečnog presjeka, te je kutna brzina ω jednaka nuli, gornja jednadžba postaje
Nadalje, za radijalno i kružno naprezanje vrijede sljedeći zakoni ponašanja:
gdje je E Youngeov modul elastičnosti materijala, a ν Poissonov koeficijent koji ovisi o vrsti materijala. Uvrštavanjem zakona ponašanja u jednadžbu (
što je upravo homogena Eulerova diferencijalna jednadžba drugog reda. Pripadni karakteristični polinom glasi P(λ)=λ2−1, a nultočke su mu λ1=1, i λ2=−1. Prema Teoremu
Konstante C1 i C2 lako dobivamo iz zakona ponašanja (
Stoga je radijalni pomak diska dan formulom
u(r)=(1−ν)pa2(b2−a2)Er+(1+ν)pa2b2(b2−a2)E1r.
Za kraj, pronađimo kritičnu silu prilikom izvijanja konzole (štap rešetkaste strukture, eng. cantilever) promjenjivog momenta tromosti Ix=I0x2a−2 opterećene silom P kao na Slici
Kritična sila je granična vrijednost tlačne sile kod koje dolazi do gubitka stabilnosti ravnoteže, a za konzolu vrijedi
Pkr=π2EI0l2b,pri čemu je E Youngeov modul elastičnosti materijala konzole, a lb dužina izvijanja štapa. Prilikom promatranja izvijanja, zamišljenu krivulju koja uzdužno prolazi kroz štap i prati deformaciju štapa uzrokovanu tlačnom silom nazivat ćemo elastična krivulja. U slučaju konzole, diferencijalna jednadžba elastične krivulje dana je sa
EIxd2wdx2+Pw=0,gdje je w progib konzole. Jedan kraj konzole je učvršen, a drugi slobodan pa su početni uvjeti w(a)=0 i dwdx(a+l)=0. Uzimajući u obzir izraz za Ix, diferencijalna jednadžba glasi
što je Eulerova diferencijalna jednadžba drugog reda. Nultočke karakterističnog polinoma P(λ)=λ2−λ+Pa2EI0 jednadžbe (
Radi lakšeg zapisa rješenja, koristimo notaciju B=√Pa2EI0−14. Primjenom Teorema
Može se pokazati da prethodno rješenje ima ekvivalentni zapis oblika
w(x)=C1√xacos(Blnxa)+C2√xasin(Blnxa),C1,C2∈R,koji ćemo iskoristiti kako bismo odredili kritičnu silu. Iz uvjeta w(a)=0 slijedi C1=0, dok iz uvjeta w′(a+l)=0 dobivamo
tan(Bln(a+la))C2+2BC2=0.Kako ne želimo trivijalno rješenje w=0, smatramo da je C2≠0 pa je
tan(Bln(a+la))+2B=0.Ukoliko poznajemo vrijednosti l i a, numeričkim metodama možemo odrediti minimalni B što ćemo označiti sa Bkr. Tada je
EI0a2(B2kr+14)=EI0a2(Pkra2EI0−14+14)=Pkr,čime smo odredili kritičnu silu prilikom izvijanja promatrane konzole.
{8}
