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常微分方程/超几何方程的Frobenius解法

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在下面,我们使用以费迪南德·格奥尔格·弗罗贝尼乌斯命名的弗罗贝尼乌斯方法来求解被称为超几何微分方程的二阶微分方程。这是一种使用微分方程的级数解的方法,我们假设解采用级数的形式。对于复杂的常微分方程,这通常是我们使用的方法。

超几何微分方程的解非常重要。例如,可以证明勒让德微分方程是超几何微分方程的特例。因此,通过求解超几何微分方程,人们可以在进行必要的代换后,直接比较它的解以得到勒让德微分方程的解。有关更多详细信息,请查看超几何微分方程

我们将证明这个方程有三个奇点,即在x = 0,x = 1 和无穷远处。然而,由于这些将被证明是正则奇点,我们将能够假设一个级数形式的解。由于这是一个二阶微分方程,我们必须有两个线性无关的解。

然而,问题是我们假设的解可能是或不是独立的,或者更糟的是,甚至可能没有定义(取决于方程参数的值)。这就是为什么我们将研究参数的不同情况并相应地修改我们假设的解。

在所有奇点附近求解超几何方程

x = 0 附近的解

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那么

因此,x = 0 和x = 1 是奇点。让我们从x = 0 开始。要查看它是否为正则奇点,我们研究以下极限

因此,两个极限都存在,并且 *x* = 0 是一个正则奇点。所以,我们假设解的形式为

其中 *a*0 ≠ 0。所以,

将这些代入超几何方程,得到

也就是,

为了简化这个方程式,我们需要所有指数都相同,都等于 r + c - 1,即最小的指数。因此,我们如下转换指数

因此,分离从 0 开始的和的第一个项,我们得到

现在,根据 x 的所有幂的线性独立性,也就是函数 1、xx2 等的线性独立性,xk 的系数对于所有的 k 都为零。因此,根据第一项,我们有

这是指标方程。因为 a0 ≠ 0,我们有

因此,

此外,从其余项中,我们有

因此,

但是

因此,我们得到递推关系

现在让我们通过用a0而不是ar − 1表示ar来简化这个关系。从递推关系(注意:下面,形式为 (u)r 的表达式指的是Pochhammer符号)。

我们可以看到,

因此,我们假设的解的形式为

现在我们准备研究对应于c1 − c2 = γ − 1 不同情况的解(需要注意的是,这简化为研究参数γ的性质:它是否是一个整数)。

对解的分析,以两个根的差 γ − 1 为基础

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γ 不是整数

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然后 y1 = y|c = 0 以及 y2 = y|c = 1 − γ。由于

我们有

因此, 令 *A*′ *a*0 = *a* 且 *B*′ *a*0 = *B*。 然后

γ = 1

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然后 *y*1 = *y*|*c* = 0。 由于 γ = 1,我们有

因此,

为了计算这个导数,设

那么

但是

因此,

对等式的两边关于c求导,我们得到

因此,

现在,

因此,

对于 *c* = 0,我们得到

因此,y = Cy1 + Dy2。令 Ca0 = CDa0 = D。然后

γ 是一个整数,且 γ ≠ 1

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γ ≤ 0

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从递推关系

我们可以看到,当 c = 0(较小的根)时,a1 − γ → ∞。因此,我们必须进行替换 a0 = b0 (c - ci),其中 ci 是使我们的解发散的根。因此,我们取 a0 = b0 c,并且我们的假设解采用新形式

然后 y1 = yb|c = 0。我们可以看到,在

之前的所有的项都消失了,因为分子中有 c。然而,从这一项开始,分子中的 c 就消失了。为了看到这一点,请注意

因此,我们的解决方案形式为

现在,

为了计算这个导数,设

然后,遵循 上一情况 中的方法,我们得到

现在,

因此,

因此,

c = 1- γ 时,我们得到y2。因此,y = Ey1 + Fy2。令Eb0 = EFb0 = F。那么

γ > 1

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从递推关系

我们可以看到当 *c* = 1 - γ(较小的根)时,*a*γ − 1 → ∞。因此,我们必须进行替换 *a*0 = *b*0(*c* − *c**i*),其中 *c**i* 是我们的解为无穷大的根。因此,我们取 *a*0 = *b*0(*c* + γ - 1),我们的假设解将采用新的形式

然后 *y*1 = *y**b*|*c* = 1 - γ。所有之前的项

由于分子中的 *c* + γ - 1 而消失。然而,从这一项开始,分子中的 *c* + γ - 1 消失。要看到这一点,请注意

因此,我们的解决方案形式为

现在,

为了计算这个导数,设

然后,根据 上面第二种情况 中的方法,

现在,

因此,

c = 0时,我们得到y2。因此,y = Gy1 + Hy2。令Gb0 = EHb0 = F,则

关于x = 1 的解

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现在我们研究奇点x = 1。为了查看它是否是正则奇点,

因此,两个极限都存在,x = 1 是一个正则奇点。现在,我们不假设解的形式为

我们将尝试用点 *x* = 0 的解来表达这种情况的解。我们按如下步骤进行:我们有超几何方程

令 *z* = 1 - *x*。那么

因此,方程的形式变为

由于 *z* = 1 - *x*,超几何方程在 *x* = 1 处的解与该方程在 *z* = 0 处的解相同。但是,*z* = 0 处的解与我们为点 *x* = 0 获得的解相同,如果我们将每个 γ 替换为 α + β - γ + 1。因此,为了获得解,我们只需在先前的结果中进行此替换。还要注意,对于 *x* = 0,*c*1 = 0 且 *c*2 = 1 - γ。因此,在我们的例子中,*c*1 = 0,而 *c*2 = γ - α - β。现在让我们写出解。需要注意的是,在以下内容中,我们将每个 *z* 替换为 1 - *x*。

分析解关于两个根之差 γ − α − β 的表达式

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γ − α − β 不是整数

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γ − α − β = 0

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γ − α − β 是整数,且 γ − α − β ≠ 0

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γ − α − β > 0

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γ − α − β < 0

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无穷远处解

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最后,我们研究当 *x* → ∞ 时的奇点。由于我们无法直接研究,我们令 *x* = *s*−1。然后当 *x* → ∞ 时,方程的解与当 *s* = 0 时,修改后的方程的解相同。我们有

因此,该方程将采用新的形式

可简化为

正如我们所说,我们只研究当 s = 0 时解。我们可以看到,这是一个奇点,因为 P2(0) = 0。为了判断它是否是正则奇点,

因此,这两个极限都存在,并且 s = 0 是一个正则奇点。因此,我们假设解的形式为

其中 a0 ≠ 0。

因此,

代入修正后的超几何方程,我们得到

为了简化这个方程,我们需要所有幂都相同,等于r + c,即最小幂。 因此,我们如下更改索引

因此,分离从 0 开始的和的第一个项,我们得到

现在,从所有 s 的幂的线性无关性(即函数 1,s,s2,...,sk 的系数对于所有 k 都消失)。因此,从第一项我们有

这是指标方程。因为 a0 ≠ 0,我们有

因此,c1 = α 且 c2 = β。

此外,从其余的项我们有

因此,

但是

因此,我们得到递推关系

现在,让我们通过用 *a*0 而不是 *a**r* − 1 来表示 *a*r 来简化这个关系。从递推关系,

我们可以看到,

因此,我们假设的解的形式为

现在我们可以研究对应于 c1 − c2 = α − β 不同情况下的解。

根据两个根之差 α - β 分析解

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α − β 不是整数

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那么 y1 = y|c = αy2 = y|c = β。 由于

,

我们有

因此,y = Ay1 + By2。令 Aa0 = ABa0 = B。然后,注意到 s = x-1

α − β = 0

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然后 y1 = y|c = α。由于 α = β,我们有

因此,

为了计算这个导数,设

然后使用上述γ = 1情况下的方法,我们可以得到

现在,

因此

因此,

当 *c* = α 时,我们得到

因此,*y* = *C*′*y*1 + *D*′*y*2。令 *C*′*a*0 = *C* 且 *D*′*a*0 = *D*。注意到 *s* = *x*-1

α − β 是整数,且 α − β ≠ 0

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α − β > 0

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从递推关系

我们可以看到,当c = β(较小的根)时,aα - β → ∞。因此,我们必须进行替换a0 = b0(cci),其中ci 是使我们的解无限的根。因此,我们取a0 = b0(c − β),我们假设的解将采用新的形式

然后y1 = yb|c = β。我们可以看到,在

之前的所有项都消失了,因为分子中存在c − β。

但是从这一项开始,分子中的c − β 就消失了。为了看到这一点,请注意

因此,我们的解决方案形式为

现在,

为了计算这个导数,设

然后使用γ = 1上述情况中的方法,我们得到

现在,

因此,

因此,

c = α 时,我们得到 y2。因此, y = Ey1 + Fy2。令 Eb0 = EFb0 = F。注意 s = x-1,我们得到

α − β < 0

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从这里情况的对称性来看,我们发现

参考文献

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  • Ian Sneddon (1966). Special functions of mathematical physics and chemistry. OLIVER B. ISBN 978-0050013342.
华夏公益教科书