4.2 正常点与正则奇点附近的级数解(李家春)
我们首先要回顾一下微分方程教程中已经学过的知识, 即求正常点附近的级数解, 从 \(\S 4.1\) 的讨论, 我们已知解的形式为
只须将 (4.2.1.) 代入微分方程, 再确定系数 \(a_{n}\) 即可.
[ 例 4.2.1] ]
求方程
在 \(x=0\) 附近的级数解.
以式 (4.2.1) 代入 (4.2.2), 并让 \(x\) 的同幂系数相等, 得递推方程
\[y''-xy = 0\\ \sum_{n=1}^{\infty} na_{n}\left(x\right)^{n-1} = 2x\cdot \sum_{n=0}^{\infty} a_{n}\left(x\right)^{n} \\ \sum_{n=1}^{\infty} na_{n}\left(x\right)^{n-1} = 2 \cdot \sum_{n=0}^{\infty} a_{n}\left(x\right)^{n+1} \]对应同次幂\(x\)有
\[\begin{array}{l} a_1\cdot x^0 & \\ 2a_2\cdot x^1 & 2a_0\cdot x^1 \\ 3a_3\cdot x^2 & 2a_1\cdot x^2 \\ \vdots & \vdots \\ na_{n}\cdot x^{n-1} & 2a_{n-2} \cdot x^{n-1} \\ (n+1)a_{n+1}\cdot x^{n}& 2a_{n-1}\cdot x^{n} \\ (n+2)a_{n+2}\cdot x^{n+1} \qquad& 2a_{n}\cdot x^{n+1} \\ \vdots&\vdots \end{array} \]即
\[a_1 = 2a_1 \qquad na_n = 2a_{n-2} \\\downarrow\\ a_{1}=0,\qquad a_{n}=\frac{2}{n} a_{n-2} (n \geq 2) \]
所以, 奇数项系数为零
偶数项系数可用 \(a_{0}\) 来表示
因此,有解
例4.2.2
求Airay方程
的级数解
Airay方程,全空间内正常点
同样地, 以式 (4.2.1) 代入 (4.2.7), 令同次幂系数相等, 得递推 公式
对应\(x\)同次幂有
即
所以
\[a_{3 m}=\frac{{a}_{0}}{3 m(3 m-1) \cdots 6 \cdot 5 \cdot 3 \cdot 2}= \frac{\Gamma\left(\frac{2}{3}\right)}{9^{m} m ! \Gamma\left(m+\frac{2}{3}\right)} a_{0}\\ 其中,3\cdot6\cdot9\dots3m=3^m\cdot1\cdot2\cdot3\dots m=3^m\cdot m! \\另外,2\cdot5 \cdot 8 \cdot 11\dots(3m-1)\\ 提出m个3\\3^m\cdot\frac 2 3\frac 5 3\frac 8 3\dots\frac{3m-1} 3\\ 又因为\Gamma( m+\frac 2 3)=(m -\frac 1 3)\dots \frac 8 3\frac 5 3\frac 2 3\Gamma(\frac 2 3)\\ 所以3^m\cdot\frac 2 3\frac 5 3\frac 8 3\dots\frac{3m-1} 3=3^m\frac{\Gamma( m+\frac 2 3)}{\Gamma(\frac 2 3)} \]
Airy 方程的级数解为
适当选择 \(c_{1}, c_{2}\) 可以得到常用的 Airy 函数: \(c_{1}=3^{-\frac{2}{3}}, c_{2}=-3^{-\frac{4}{3}}\), \(y(x)=A i(x)\), 当 \(c_{1}=3^{-\frac{1}{6}}, c_{2}=3^{-\frac{5}{6}}, y(x)=B i(x)\).
根据 \(\S 4.1\) 的讨论, 我们可把 \(x_{0}\) 为正则奇点的方程改写成下述 形式
\[y^{\prime \prime}+p(x) y^{\prime}+q(x) y=0\\ y^{\prime \prime}+\frac{p(x)(x-x_{0})}{x-x_{0}} y^{\prime}+\frac{q(x)(x-x_{0})^2}{\left(x-x_{0}\right)^{2}} y=0\\ y^{\prime \prime}+\frac{p(x)^*}{x-x_{0}} y^{\prime}+\frac{q(x)^*}{\left(x-x_{0}\right)^{2}} y=0\\ y^{\prime \prime}+\frac{p(x)}{x-x_{0}} y^{\prime}+\frac{q(x)}{\left(x-x_{0}\right)^{2}} y=0\\ p^*,q^*是解析的 \]
式中
为 \(x_{0}\) 的邻域内的解析函数, 我们可假定该方程有 Frobenius 型级数 解.
且不防有 \(a_{0} \neq 0\), 将上式代入方程 (4.2.12), 得
L是线性算子,\(L y=y^{\prime \prime}+\frac{p(x)}{x-x_{0}} y^{\prime}+\frac{q(x)}{\left(x-x_{0}\right)^{2}} y\)
\(L(f+g)=Lf+Lg\)
正则解其中一个是F型级数,另一个可能是F型级数,也可能是F型级数组合。(至少有一个F型级数解)
\[y''=(n+\alpha)(n+\alpha-1)\sum_{n=0}^{\infty}a_n(x-x_0)^{n+\alpha-2}\\ y'=(n+\alpha)\sum_{n=0}^{\infty}a_n(x-x_0)^{n+\alpha-1}\\ \frac{p(x)}{x-x_0}=\sum_{n=0}^{\infty}p_n(x-x_0)^{n-1}\\ \frac{q(x)}{(x-x_0)^2}=\sum_{n=0}^{\infty}p_n(x-x_0)^{n-2}\\ Ly=(n+\alpha)(n+\alpha-1)\sum_{n=0}^{\infty}a_n(x-x_0)^{n+\alpha-2}\\ +\sum_{i=0}^{\infty}p_n(x-x_0)^{i-1}\cdot(n+\alpha)\sum_{n=0}^{\infty}a_n(x-x_0)^{n+\alpha-1}\\+\sum_{i=0}^{\infty}p_n(x-x_0)^{i-2}\cdot\left(x-x_{0}\right)^{\alpha} \sum_{n=0}^{\infty} a_{n}\left(x-x_{0}\right)^{n} \]利用待定系数法,x的同幂次放到一起。
双重积分性质
n=0时,
以后,n从1到无穷
令n-i=k,
中括号里,
- an的系数
- ak的系数
所以
也就是要求
也就是要求\((x-x_0)^{\dots}\)的系数为0
a_0不能为0,所以\(\mathscr{P}(\alpha)=0\)
为0没有意义。如果为零,提出一个(x-x_0),a_1还是充当a_0的位置。
第二式是递推式,\(知道a_0,推出a_1.知道a_0,a_1,推出a_3,\dots\)
因为\(\mathscr{P(\alpha)}=0\),即\(\alpha(\alpha-1)+p_0\alpha+q_0=0\)(特征方程),解出\(\alpha\)
这样就可以得到F型级数解\(y=\left(x-x_{0}\right)^{\alpha} \sum_{n=0}^{\infty} a_{n}\left(x-x_{0}\right)^{n}\)。
- 例:n=1时,k从0求和到0,即只有k=0项
a_n的系数\(\mathscr{P}(\mathcal{n+\alpha})\)如果是0,递推就中断了。
特征方程的根不等, 且 \(\alpha_{1}-\alpha_{2}\) 不等于整数. 这时, 递推公 式 (4.2.18) 中
这样\(\mathscr{P}(\mathcal{n+\alpha})\)不是是0,递推不会中断。
所以, 对 \(\alpha=\alpha_{1}, \alpha_{2}\), 我们可完全确定 Frobenius 型级数的系数, 方 程 (4.2.12) 有两个 Frobenius 型级数解.
- 特征方程有等根, \(\alpha_{1}=\alpha_{2}=\alpha\) 这时, 由于
我们可以得到, 但仅可得到一个 Frobenius 型级数解. 现在要设法 找第二个线性独立解, 我们已知
暂且取 \(\beta\) 略不同于 \(\alpha\) 以及
\(\beta\)是\(\alpha\)的的变分,微小的偏移
\(\widetilde{a_{n}}\)是\(\beta\)通过递推式得到
我们使系数 \(a_{n}(\beta)\) 满足递推关系 (4.2.18), 那么
\(a_{n}(\beta)=\widetilde{a_{n}}\)
\(\widetilde{a_{n}}\)带入(4.2.16)
\[Ly=a_0(x-x_0)^{\alpha-2}\mathscr{P(\alpha)}\\+\sum_{n=1}^{\infty}(x-x_0)^{n+\alpha-2}\left[a_n(\mathscr{P}(\mathcal{n+\alpha}))+a_k\sum_{k=0}^{n-1}(p_{n-k}(k+\alpha)+q_{n-k})\right]=0\quad(4.2.16) \]
\(\widetilde{a_{n}}\)是\(\beta\)通过递推式得到,必然会使中括号里为0,Ly第二项为零。
只剩第一项
两边对 \(\beta\) 微商, 再令 \(\beta=\alpha\)
\[\begin{array}{l} \left(\frac{\partial }{\partial \beta}L\tilde y_{1}\right)\bigg|_{\beta=\alpha}\\=\left[a_{0}(\beta-2)\left(x-x_{0}\right)^{\alpha-3} \mathscr P(\beta)+a_0\left(x-x_{0}\right)^{\beta-2} \mathscr P'(\beta)\right]\bigg|_{\beta=\alpha}\\ =a_{0}\left[(\alpha-2)\left(x-x_{0}\right)^{\alpha-3} \mathscr P(\alpha)+\left(x-x_{0}\right)^{\alpha-2} \mathscr P'(\alpha)\right]=0\\\because L是线性的\\ \therefore(\frac{\partial L\tilde y_{1}}{\partial \beta}\bigg|_{\beta=\alpha})= L(\frac{\partial \tilde y_{1}}{\partial \beta}\bigg|_{\beta=\alpha})=0,所以\frac{\partial \tilde y_{1}}{\partial \beta}\bigg|_{\beta=\alpha}是解 \end{array} \]
这是因为特征方程有重根 \(\alpha\) 之故. 这说明方程 (4.2.12) 的另一个与 \(y_{1}\) 线性独立的解为
\[\begin{align} y_{1}&=\left(x-x_{0}\right)^{\alpha} \sum_{n=0}^{\infty} a_{n}\left(x-x_{0}\right)^{n}\\ y_2&=\frac{\partial y_1}{\partial\alpha}\\&=\frac{\partial(x-x_0)^{\alpha}}{\partial\alpha}\sum_{n=0}^{\infty} a_{n}\left(x-x_{0}\right)^{n}+\left(x-x_{0}\right)^{\alpha}\sum_{n=0}^{\infty} \frac{\partial a_{n}}{\partial \alpha}\left(x-x_{0}\right)^{n}\\ &=\frac{\partial}{\partial \alpha}[e^{\alpha\ln{(x-x_0)}}]+\left(x-x_{0}\right)^{\alpha}\sum_{n=0}^{\infty} c_n\left(x-x_{0}\right)^{n}\\ &=\ln{(x-x_0)}e^{\alpha\ln{(x-x_0)}}+\left(x-x_{0}\right)^{\alpha}\sum_{n=0}^{\infty} c_n\left(x-x_{0}\right)^{n}\\ &=\ln{(x-x_0)}(x-x_0)^{\alpha}+\left(x-x_{0}\right)^{\alpha}\sum_{n=0}^{\infty} c_n\left(x-x_{0}\right)^{n}\\ &=\ln{(x-x_0)}y_1+\left(x-x_{0}\right)^{\alpha}\sum_{n=0}^{\infty} c_n\left(x-x_{0}\right)^{n} \end {align} \]
- 两根之差为整数, 若 \(\alpha_{1}=\alpha_{2}+N, N>0\). 这时, 我们可以 由
得到一个 Frobenius 型级数解.
\(\alpha_1\)有对应解,\(\alpha_2\)会使递推式中断,没有解。
但由于
除非 (4.2.16) 中第二项
对特征指数 \(\alpha_{2}\), 一般不能得到 Frobenius 型级数解. 仿照有等根的 情况, 还是取 \(\alpha\) 略不同于 \(\alpha_{1}\), 系数 \(a_{n}(\alpha)\) 满足递推关系的形式解.
\[构造\\ \tilde y_1=(x-x_0)^{\alpha}\sum_{n=0}^{\infty}\tilde {a_n}(x-x_0)^n \]
代入方程 (4.2.12), 两边微商, 再令 \(\alpha=\alpha_{1}\), 得
\[\begin{array}{l} L\left(\frac{\partial y_{1}}{\partial \alpha}\right)=a_{0}\left[(\alpha-2)\left(x-x_{0}\right)^{\alpha-3} \mathscr P(\alpha)+\left(x-x_{0}\right)^{\alpha-2} \mathscr P'(\alpha)\right]=0\\ \because\mathscr P(\alpha_1)=0\\ \therefore L\left(\frac{\partial y_{1}}{\partial \alpha}\right)\bigg|_{\alpha=\alpha_1}=a_0(x-x_{0})^{\alpha_1-2} \mathscr P'(\alpha_1)\\=a_0(x-x_{0})^{\alpha_2+N-2} \mathscr P'(\alpha_2+N)\ne0①\\ \therefore\left(\frac{\partial y_{1}}{\partial \alpha}\right)\bigg|_{\alpha=\alpha_1}不是方程的解\\ \alpha_1=\alpha_2+N\\ ①是非齐次方程,非齐次方程的通解等于它对应齐次方程通解加上非齐次的特解。 \end{array} \]
这是因为 \(\alpha_{2}\) 并不是特征方程的重根的缘故, 我们再求非齐次方程
的 Frobenius 型级数解.
假设它的一个特解如下
把\(\bar y\)代入Ly
仿照
写出
这样一来, 确定 \(c_{N}\) 的递推关系为
适当调整系数 \(a_{0}\), 使它满足使方程 (4.2.32) 右端为零的条件, 即
\(\mathscr P\left(\alpha_{2}+N\right)\)=0
\[\begin{array}{l} (4.4.32)左边=0,a_0使右边为零,那么c_N可以为任意值。\\ 只不过a_0不是任意的了。通常F型级数a_0是任意的,a_1,a_2,a_3\dots都与a_0有关。\\特解中a_0不是任意的,c_1,c_2,c_3\dots都不是任意的,c_N是任意的。c_{N+1}又不任意了(利用齐次的递推式)。 \end{array} \]
非齐次方程 \((4.70)\) 有 Frobenius 型级数解 \((4.2 .31)\), 那么
是减不是加的原因
\[\begin{array}{l} L(y_2)=L\left(\frac{\partial \tilde{y}_{1}}{\partial \alpha}\right)\bigg|_{\alpha=\alpha_{1}}-L\bar{y}\\ =a_0(x-x_{0})^{\alpha_1-2} \mathscr P'(\alpha_1)-a_{0}\left(x-x_{0}\right)^{\alpha_{2}+N-2} p^{\prime}\left(\alpha_{2}+N\right)=0\\ 即L(y_2)=0 \end{array} \]
- \(\frac{\partial \tilde{y}_{1}}{\partial \alpha}\bigg|_{\alpha=\alpha_{1}}\)是带\(\ln\)的特解,\(\bar y\)是F型级数的特解,两个解是线性独立,相减是通解。(不理解)🤔
就是原方程的另一个线性独立解, 其一般形式为
这就是 Fuchs 所预言的形式.
对于高阶方程, 情况更要复杂一些, 应该如何来进行求解请读 者思考. 对于 \(x_{0}\) 为正则奇点的高阶方程, 其一般形式为
高阶不要求
式中 \(q_{0}, q_{1}, \cdots, q_{n-1}\) 在 \(x_{0}\) 邻域内解析, 它的特征指数方程应为
[ 例 4.2.3] 求 Euler 方程的解
它可以化为
x=0是正则奇点
它的特征方程为
特征方程\(\mathscr P(\alpha)= [\alpha(\alpha-1)+p_0\alpha+q_0]\)
当 \(\alpha_{1} \neq \alpha_{2}\) 时, 有解
F型级数解\(y=\left(x-x_{0}\right)^{\alpha} \sum_{n=0}^{\infty} a_{n}\left(x-x_{0}\right)^{n}\)
递推式\(a_n(\mathscr{P}(\mathcal{n+\alpha}))=-a_k\sum_{k=0}^{n-1}(p_{n-k}(k+\alpha)+q_{n-k})\)
n=1时,\(\because p_1,q_1=0,a_1(\mathscr{P}(\mathcal{1+\alpha}))=-a_0(p_{1}\alpha+q_{1})=0,a_1=0\)
同理,\(a_2,a_3,a_{\dots}\)=0.只有a_0不是零。
当 \(\alpha_{1}=\alpha_{2}=\alpha\) 时, 有解
\(y_{1}=\left(x-x_{0}\right)^{\alpha} \sum_{n=0}^{\infty} a_{n}\left(x-x_{0}\right)^{n}\)
\(y_{2}=\frac{\partial y_{1}}{\partial \alpha}=y_{1} \ln \left(x-x_{0}\right)+\left(x-x_{0}\right)^{\alpha} \sum_{n=0}^{\infty}\left(\frac{\partial a_{n}}{\partial \alpha}\right)\left(x-x_{0}\right)^{n}\)
显然, 这是上面所讨论结果的特例.
[ 例 4.2.4] 用 Frobenius 方法, 求修正的 Bessel 方程之解.
它的特征方程为
\(p(x)=1,q(x)=-(x^2+\nu^2)\)
特征方程\(\mathscr P(\alpha)= [\alpha(\alpha-1)+p_0\alpha+q_0]=\alpha^2-\nu^2=0\)
\(\alpha=\pm\nu\)
- 当 \(\nu\) 不为零或整数时
两个根只差为\(2\nu\),有两个F型级数解
这是两个线性独立解.
- 当 \(\nu\) 为半整数时,
差就是整数(并且是奇数)。
刚好 (4.2.18) 右端为零, 上式仍是方程的解.
右端为零的原因:
\[\begin{cases} p_0=1,&&&p_1,p_2,\dots=0\\ q_0=-\nu^2,&q_1=0,&q_2=-1,&q_3,\dots=0 \end{cases} \]\[\begin{array}{l} a_n(\mathscr{P}(\mathcal{n+\alpha}))=-a_{k} \sum_{k=0}^{n-1}\left(p_{n-k}(k+\alpha)+q_{n-k}\right) \\ =-\left[\left[-\nu \cdot p_{n}+q_{n}\right] a_{0}\right. \\ +\left[(-\nu+1) p_{n-1}+q_{n-1}\right] a_{1} \\ +\left[(-\nu+2) p_{n-2}+q_{n-2}\right] a_{2} \\ +\cdots \\ +\left[(-\nu+n-2) p_{2}+q_{2}\right] a_{n-2} \\ \left.\left.+\left[(-\nu+n-1) p_{1}+q_{1}\right] a_{n-1}\right]\right]① \\ =a_{n-2}\\ \therefore a_n(\mathscr{P}(\mathcal{n+\alpha}))=a_{n-2}② \end{array} \]上式中的p,q系数只有 非零,为-1。所以①式倒数第二项留下来了。
\[\begin{array}{l} \therefore n\ne\nu-(-\nu)时,递推式左边不为零,由a_0推出a_2,a_4,\dots(偶数项存在);\\ a_1由a_0推出,a_1\mathscr P(1+\alpha)=-a_0(p_1+q_1)=0,a_1=0\\ \therefore 由②式,a_3,a_5,\dots=0(奇数项不存在) \end{array} \]\(设\nu-(-\nu)=m,则m必为奇数\)
\(p(\alpha+m) a_{m}=-\sum_{k=0}^{m-1}\left[(\alpha+k) p_{m-k}+q_{m-k}\right] a_{k}=a_{m-2}\),
左边是零但是右边也为零,使递推式满足。
- 当 \(\nu=0\) 时, 有重根, 第一个解为
为求出第二个解, 先令 \(\alpha \neq 0\), 将 Frobenius 型级数代入方程, 得到 递推关系, \(a_{0} \neq 0\).
由此导出 \(b_{0} \neq 0\).