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Ecuaciones de Cauchy-Euler: la ecuación indicial y sus tres casos

Las ecuaciones de Cauchy-Euler (o equidimensionales) son una familia de ecuaciones diferenciales lineales de coeficientes variables que se resuelve con la misma comodidad que las de coeficientes constantes. Su forma es an xny(n)+⋯+a1 x y′+a0 y=g(x),a_n\,x^n y^{(n)} + \dots + a_1\,x\,y' + a_0\,y = g(x), y su rasgo distintivo salta a la vista: el orden de cada derivada coincide con la potencia de xx que la multiplica.

Ese equilibrio hace que el ansatz y=xmy = x^{m} funcione: cada término cumple xk dkdxkxm=m(m−1)⋯(m−k+1) xmx^{k}\,\tfrac{d^{k}}{dx^{k}}x^{m} = m(m-1)\cdots(m-k+1)\,x^{m}, de modo que todos vuelven a salir con xmx^{m} de factor común. Queda una ecuación algebraica en mm: la ecuación indicial. Por ejemplo, x2y′′+xy′−y=0  ⟹  m(m−1)+m−1=m2−1=0  ⟹  m=±1,x^2 y'' + x y' - y = 0 \;\Longrightarrow\; m(m-1)+m-1 = m^2-1 = 0 \;\Longrightarrow\; m=\pm 1, con solución y=C1 x+C2 x−1y = C_1\,x + C_2\,x^{-1}.

Según las raíces de la indicial hay tres casos, paralelos a los de la ecuación característica. Raíces reales distintas: y=C1xm1+C2xm2y = C_1 x^{m_1} + C_2 x^{m_2}. Raíz doble: la segunda solución incorpora un logaritmo, y=(C1+C2ln⁡x) xmy = (C_1 + C_2\ln x)\,x^{m} —así, x2y′′−3xy′+4y=0x^2 y'' - 3x y' + 4y = 0 da y=x2(C1+C2ln⁡x)y = x^2(C_1 + C_2\ln x)—. Raíces complejas m=α±βim = \alpha\pm\beta i: oscilaciones en escala logarítmica, y=xα(C1cos⁡(βln⁡x)+C2sin⁡(βln⁡x))y = x^{\alpha}\bigl(C_1\cos(\beta\ln x) + C_2\sin(\beta\ln x)\bigr).

La justificación profunda del ansatz es el cambio de variable x=etx = e^{t}: convierte cualquier Cauchy-Euler en una ecuación de coeficientes constantes en tt (se cumple x ddx=ddtx\,\tfrac{d}{dx} = \tfrac{d}{dt}), cuyas soluciones emte^{mt} son exactamente xmx^{m}. De ahí provienen el ln⁡x\ln x de las raíces dobles (el clásico t emtt\,e^{mt}) y los senos y cosenos de ln⁡x\ln x de las complejas. Las no homogéneas se completan con una solución particular: x2y′′+xy′−y=x3x^2y'' + xy' - y = x^3 tiene y=C1x+C2x−1+x38y = C_1 x + C_2 x^{-1} + \tfrac{x^3}{8}.

La calculadora de ecuaciones diferenciales de MathOperator reconoce las Cauchy-Euler y muestra la deducción completa, término a término. Pueden probarse x^2*y'' + x*y' - y = 0, x^2*y'' - 3*x*y' + 4*y = 0 o x^2*y'' + x*y' + y = 0.

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