主題
Search

弗羅貝尼烏斯方法


如果 x_0常微分方程 的常點,則將 y 在關於 x_0泰勒級數 中展開。通常,展開點可以取為 x_0=0,得到 麥克勞林級數

 y=sum_(n=0)^inftya_nx^n.
(1)

y 代回 ODE,並按 係數 進行分組。現在,獲得 n 項的 遞推關係,並用 a_n 表示 級數展開。前幾個導數的展開式為

y=sum_(n=0)^(infty)a_nx^n
(2)
y^'=sum_(n=1)^(infty)na_nx^(n-1)
(3)
=sum_(n=0)^(infty)(n+1)a_(n+1)x^n
(4)
y^('')=sum_(n=2)^(infty)n(n-1)a_nx^(n-2)
(5)
=sum_(n=0)^(infty)(n+2)(n+1)a_(n+2)x^n.
(6)

如果 x_0常微分方程 的正則奇點,

 P(x)y^('')+Q(x)y^'+R(x)y=0,
(7)

可以透過弗羅貝尼烏斯方法或在 洛朗級數 中展開來找到解。在弗羅貝尼烏斯方法中,假設解 的形式為

 y=x^ksum_(n=0)^inftya_nx^n,
(8)

因此

y=x^ksum_(n=0)^(infty)a_nx^n
(9)
=sum_(n=0)^(infty)a_nx^(n+k)
(10)
y^'=sum_(n=0)^(infty)a_n(n+k)x^(k+n-1)
(11)
y^('')=sum_(n=0)^(infty)a_n(n+k)(n+k-1)x^(k+n-2).
(12)

現在,將 y 代回 ODE,並按 係數 進行分組,以獲得 a_n 項的遞迴 公式,然後用 a_n 表示 級數展開。將 a_0 項設為 0 將產生所謂的 指標方程,這將給出 級數展開k 的允許值。

作為一個例子,考慮 貝塞爾微分方程

 x^2(d^2y)/(dx^2)+x(dy)/(dx)+(x^2-m^2)y=0.
(13)

將 (◇) 代入 (◇) 得到

 sum_(n=0)^infty(k+n)(k+n-1)a_nx^(k+n)+sum_(n=0)^infty(k+n)a_nx^(k+n) 
 +sum_(n=2)^inftya_(n-2)x^(k+n)-m^2sum_(n=0)^inftya_nx^(n+k)=0.
(14)

透過設定 n=0 獲得的 指標方程

 a_0[k(k-1)+k-m^2]=a_0(k^2-m^2)=0.
(15)

由於 a_0 被定義為第一個 非零 項,k^2-m^2=0,所以 k=+/-m。為了說明目的,忽略 k=-m,僅考慮 k=m 的情況(避免特殊情況 m!=1/2),那麼方程 (14) 要求

 a_1(2m+1)=0
(16)

(所以 a_1=0)和

 [a_nn(2m+n)+a_(n-2)]x^(m+n)=0
(17)

對於 n=2, 3, ..., 所以

 a_n=-1/(n(2m+n))a_(n-2)
(18)

對於 n>1。然後代回到 (◇),重新排列和簡化,得到定義 第一類貝塞爾函式 J_m(x) 的級數解,它是 (◇) 的非奇異解。(考慮 m=-k 的情況類似,並得到解 J_(-m)(x)=(-1)^mJ_m(x)。)

福克斯定理 保證,如果展開點是常點或正則 奇點,則應用弗羅貝尼烏斯方法時,至少會獲得一個 冪級數 解。對於正則 奇點,也可以使用 洛朗級數 展開。在 洛朗級數 中展開 y,令

 y=c_(-n)x^(-n)+...+c_(-1)x^(-1)+c_0+c_1x+...+c_nx^n+....
(19)

y 代回 ODE,並按 係數 進行分組。現在,獲得 c_n 項的遞迴 公式,並用 c_n 表示 泰勒級數


另請參閱

福克斯定理常微分方程

使用 探索

參考文獻

Arfken, G. "級數解--弗羅貝尼烏斯方法。" 物理學家的數學方法,第 3 版。 Orlando, FL: Academic Press, pp. 454-467, 1985.Frobenius. "關於透過級數積分線性微分方程。" J. reine angew. Math. 76, 214-235, 1873.Ince, E. L. 第 5 章,常微分方程。 New York: Dover, 1956.

引用

弗羅貝尼烏斯方法

引用為

Weisstein, Eric W. "弗羅貝尼烏斯方法。" 來自 Web 資源。 https://mathworld.tw/FrobeniusMethod.html

主題分類