試解 y = x^r(trial solution y = x^r)
對常係數方程,幸運的猜測是 y = e^(rx),因為指數在微分下會重現自己。對柯西-尤拉方程,正確的幸運猜測不同:y = x^r,一個樸素的冪。原因是一場完美的配對——方程的 x 次方被安排成恰好抵消對 x^r 微分所產生的 x 次方。
看這場抵消。若 y = x^r 則 y' = r x^(r-1),y'' = r(r-1) x^(r-2)。在柯西-尤拉方程 a x^2 y'' + b x y' + c y 中,x^2 乘 y'' 給出 a r(r-1) x^r,x 乘 y' 給出 b r x^r,而 c y 是 c x^r。現在每一項都是一個數乘以同一個 x^r,所以把它提出來,留下指標方程 a r(r-1) + b r + c = 0——一個關於 r 的二次(一般為 n 次)方程,已無 x。解出 r。每個實根 r 給一個解 x^r;重根帶入對數(x^r 與 x^r ln x);複根對 a +/- bi 給出 x^a cos(b ln x) 與 x^a sin(b ln x)。再選常數以配合條件。
試解 y = x^r 是特徵根法在柯西-尤拉方程上的對應物,而學會看出它何時適用——僅當係數次方與導數階數對齊時——是這項技能的一半。關於重根與複根的誠實提醒:它們並非只給更多的冪。一個二重根強迫出一個對數 x^r ln x,恰如二重指數根強迫出一個 x 因子;而複根產生的是對 ln x 的振盪,而非對 x。留意這些特殊情形,能讓你不至於寫下太少的獨立解。
對 x^2 y'' + 3x y' + y = 0,試 y = x^r 得 r(r-1) + 3r + 1 = r^2 + 2r + 1 = (r + 1)^2 = 0,二重根 r = -1。所以兩個解為 x^(-1) 與 x^(-1) ln x,通解為 y = (c1 + c2 ln x) / x。
y = x^r 把柯西-尤拉方程化為關於 r 的指標方程。
重複的指標根給出 x^r 與 x^r ln x,而非 x^r 與 x^(r+1):第二個解是對數,而非另一個冪——這是最常見的失誤。