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常微分方程/超幾何方程的Frobenius解法

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在下面,我們使用以費迪南德·格奧爾格·弗羅貝尼烏斯命名的弗羅貝尼烏斯方法來求解被稱為超幾何微分方程的二階微分方程。這是一種使用微分方程的級數解的方法,我們假設解採用級數的形式。對於複雜的常微分方程,這通常是我們使用的方法。

超幾何微分方程的解非常重要。例如,可以證明勒讓德微分方程是超幾何微分方程的特例。因此,透過求解超幾何微分方程,人們可以在進行必要的代換後,直接比較它的解以得到勒讓德微分方程的解。有關更多詳細資訊,請檢視超幾何微分方程

我們將證明這個方程有三個奇點,即在x = 0,x = 1 和無窮遠處。然而,由於這些將被證明是正則奇點,我們將能夠假設一個級數形式的解。由於這是一個二階微分方程,我們必須有兩個線性無關的解。

然而,問題是我們假設的解可能是或不是獨立的,或者更糟的是,甚至可能沒有定義(取決於方程引數的值)。這就是為什麼我們將研究引數的不同情況並相應地修改我們假設的解。

在所有奇點附近求解超幾何方程

x = 0 附近的解

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那麼

因此,x = 0 和x = 1 是奇點。讓我們從x = 0 開始。要檢視它是否為正則奇點,我們研究以下極限

因此,兩個極限都存在,並且 *x* = 0 是一個正則奇點。所以,我們假設解的形式為

其中 *a*0 ≠ 0。所以,

將這些代入超幾何方程,得到

也就是,

為了簡化這個方程式,我們需要所有指數都相同,都等於 r + c - 1,即最小的指數。因此,我們如下轉換指數

因此,分離從 0 開始的和的第一個項,我們得到

現在,根據 x 的所有冪的線性獨立性,也就是函式 1、xx2 等的線性獨立性,xk 的係數對於所有的 k 都為零。因此,根據第一項,我們有

這是指標方程。因為 a0 ≠ 0,我們有

因此,

此外,從其餘項中,我們有

因此,

但是

因此,我們得到遞推關係

現在讓我們透過用a0而不是ar − 1表示ar來簡化這個關係。從遞推關係(注意:下面,形式為 (u)r 的表示式指的是Pochhammer符號)。

我們可以看到,

因此,我們假設的解的形式為

現在我們準備研究對應於c1 − c2 = γ − 1 不同情況的解(需要注意的是,這簡化為研究引數γ的性質:它是否是一個整數)。

對解的分析,以兩個根的差 γ − 1 為基礎

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γ 不是整數

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然後 y1 = y|c = 0 以及 y2 = y|c = 1 − γ。由於

我們有

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

γ = 1

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然後 *y*1 = *y*|*c* = 0。 由於 γ = 1,我們有

因此,

為了計算這個導數,設

那麼

但是

因此,

對等式的兩邊關於c求導,我們得到

因此,

現在,

因此,

對於 *c* = 0,我們得到

因此,y = Cy1 + Dy2。令 Ca0 = CDa0 = D。然後

γ 是一個整數,且 γ ≠ 1

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γ ≤ 0

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從遞推關係

我們可以看到,當 c = 0(較小的根)時,a1 − γ → ∞。因此,我們必須進行替換 a0 = b0 (c - ci),其中 ci 是使我們的解發散的根。因此,我們取 a0 = b0 c,並且我們的假設解採用新形式

然後 y1 = yb|c = 0。我們可以看到,在

之前的所有的項都消失了,因為分子中有 c。然而,從這一項開始,分子中的 c 就消失了。為了看到這一點,請注意

因此,我們的解決方案形式為

現在,

為了計算這個導數,設

然後,遵循 上一情況 中的方法,我們得到

現在,

因此,

因此,

c = 1- γ 時,我們得到y2。因此,y = Ey1 + Fy2。令Eb0 = EFb0 = F。那麼

γ > 1

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從遞推關係

我們可以看到當 *c* = 1 - γ(較小的根)時,*a*γ − 1 → ∞。因此,我們必須進行替換 *a*0 = *b*0(*c* − *c**i*),其中 *c**i* 是我們的解為無窮大的根。因此,我們取 *a*0 = *b*0(*c* + γ - 1),我們的假設解將採用新的形式

然後 *y*1 = *y**b*|*c* = 1 - γ。所有之前的項

由於分子中的 *c* + γ - 1 而消失。然而,從這一項開始,分子中的 *c* + γ - 1 消失。要看到這一點,請注意

因此,我們的解決方案形式為

現在,

為了計算這個導數,設

然後,根據 上面第二種情況 中的方法,

現在,

因此,

c = 0時,我們得到y2。因此,y = Gy1 + Hy2。令Gb0 = EHb0 = F,則

關於x = 1 的解

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現在我們研究奇點x = 1。為了檢視它是否是正則奇點,

因此,兩個極限都存在,x = 1 是一個正則奇點。現在,我們不假設解的形式為

我們將嘗試用點 *x* = 0 的解來表達這種情況的解。我們按如下步驟進行:我們有超幾何方程

令 *z* = 1 - *x*。那麼

因此,方程的形式變為

由於 *z* = 1 - *x*,超幾何方程在 *x* = 1 處的解與該方程在 *z* = 0 處的解相同。但是,*z* = 0 處的解與我們為點 *x* = 0 獲得的解相同,如果我們將每個 γ 替換為 α + β - γ + 1。因此,為了獲得解,我們只需在先前的結果中進行此替換。還要注意,對於 *x* = 0,*c*1 = 0 且 *c*2 = 1 - γ。因此,在我們的例子中,*c*1 = 0,而 *c*2 = γ - α - β。現在讓我們寫出解。需要注意的是,在以下內容中,我們將每個 *z* 替換為 1 - *x*。

分析解關於兩個根之差 γ − α − β 的表示式

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γ − α − β 不是整數

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γ − α − β = 0

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γ − α − β 是整數,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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無窮遠處解

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最後,我們研究當 *x* → ∞ 時的奇點。由於我們無法直接研究,我們令 *x* = *s*−1。然後當 *x* → ∞ 時,方程的解與當 *s* = 0 時,修改後的方程的解相同。我們有

因此,該方程將採用新的形式

可簡化為

正如我們所說,我們只研究當 s = 0 時解。我們可以看到,這是一個奇點,因為 P2(0) = 0。為了判斷它是否是正則奇點,

因此,這兩個極限都存在,並且 s = 0 是一個正則奇點。因此,我們假設解的形式為

其中 a0 ≠ 0。

因此,

代入修正後的超幾何方程,我們得到

為了簡化這個方程,我們需要所有冪都相同,等於r + c,即最小冪。 因此,我們如下更改索引

因此,分離從 0 開始的和的第一個項,我們得到

現在,從所有 s 的冪的線性無關性(即函式 1,s,s2,...,sk 的係數對於所有 k 都消失)。因此,從第一項我們有

這是指標方程。因為 a0 ≠ 0,我們有

因此,c1 = α 且 c2 = β。

此外,從其餘的項我們有

因此,

但是

因此,我們得到遞推關係

現在,讓我們透過用 *a*0 而不是 *a**r* − 1 來表示 *a*r 來簡化這個關係。從遞推關係,

我們可以看到,

因此,我們假設的解的形式為

現在我們可以研究對應於 c1 − c2 = α − β 不同情況下的解。

根據兩個根之差 α - β 分析解

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α − β 不是整數

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那麼 y1 = y|c = αy2 = y|c = β。 由於

,

我們有

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

α − β = 0

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然後 y1 = y|c = α。由於 α = β,我們有

因此,

為了計算這個導數,設

然後使用上述γ = 1情況下的方法,我們可以得到

現在,

因此

因此,

當 *c* = α 時,我們得到

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 是整數,且 α − β ≠ 0

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α − β > 0

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從遞推關係

我們可以看到,當c = β(較小的根)時,aα - β → ∞。因此,我們必須進行替換a0 = b0(cci),其中ci 是使我們的解無限的根。因此,我們取a0 = b0(c − β),我們假設的解將採用新的形式

然後y1 = yb|c = β。我們可以看到,在

之前的所有項都消失了,因為分子中存在c − β。

但是從這一項開始,分子中的c − β 就消失了。為了看到這一點,請注意

因此,我們的解決方案形式為

現在,

為了計算這個導數,設

然後使用γ = 1上述情況中的方法,我們得到

現在,

因此,

因此,

c = α 時,我們得到 y2。因此, y = Ey1 + Fy2。令 Eb0 = EFb0 = F。注意 s = x-1,我們得到

α − β < 0

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從這裡情況的對稱性來看,我們發現

參考文獻

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