叉积 微分 恒等式_从微分方程的级数解到两个特殊方程(2):关于奇点的解

叉积 微分 恒等式_从微分方程的级数解到两个特殊方程(2):关于奇点的解_第1张图片

在上一篇文章中介绍了关于平凡点的幂级数解。这一点与泰勒级数实际上是很相似的。而这一篇是关于奇点处的级数解。泰勒级数是不能在奇点处展开的,一个自然而然的想法是使用洛朗展开。

…当然不是这个。依旧是幂级数,和泰勒级数一样的幂级数。有所区别的是在这里要区分一下奇点:

“方程的平凡点总是相似的,方程的奇点却各有各的不同。”——不是列夫·托尔斯泰


正文

在区别奇点的不同之前,先来回顾一下什么是微分方程的奇点。(原文照抄上一篇文章)

对于:

方程两边除以

,并重新标记,有:

都可以在
处泰勒展开,那么就说
是这个微分方程的平凡点。反之,
任意一者在
处不能泰勒展开,那么这个点就是奇点。

微分方程奇点的区分

任意一者在
处不能泰勒展开,那就是奇点。那现在对奇点的区分,有:

令:

,
处都可以泰勒展开。则称这个奇点
是规则奇点(也叫“正则奇点”、“正则奇异点”,在文章中统一称呼“规则奇点”)。反之,若
,
依旧不能在
处展开,那么这个奇点就称作不规则奇点。

显然,这个定义是关于二阶微分方程的。对于三阶微分方程读者可以自己考虑一下如何推广。

都是有理函数,那么直观的说就是
可以“承受”
的奇点,而
可以“承受”
的奇点。这样能够被“承受住”的奇点就是规则奇点。

例:

可以得到

都是微分方程的奇点。现在区分分别是什么奇点:

关于

,这是
的;

,这是
的。

都能“承受”住这样的奇点。因此
是规则奇点。

在上面的分析也显然可以看见

是不规则奇点。因为
中含有
,是其“不能承受之重”(乘上
之后依旧不能在此泰勒展开)。因此
是不规则奇点。

微分方程在规则奇点处的解

就像关于平凡点的解那样,此之前总得有一个定理作为保证。

(弗罗贝尼乌斯定理:)

微分方程在

这一规则奇点处求级数解,则
至少存在一个如下形式的级数解:

其中

是一个待定常数。(收敛性?就是
,你问我
是什么?我不知道,书上没给/捂脸)需要注意的是,这里是“
至少”有这样的一个解。实际上就会有两种情况:能够求出两个这样的级数解,只能够求出一个这样的级数解。

先不考虑那么多,先看怎么求解。

求解的话,就像平凡点那样代入对比系数就可以了。不过现在代入的是:

(当然默认是在

处的规则零点了) 上面需要注意的是,
的幂次不再是从零次开始,那么求导后求和符号下面就不需要变起始点(反正一开始我这里就错了)。

在操作上与关于平凡点有所不同的是,代入微分方程之后,要做的除了对比系数得到递推公式之外,还得确定

的值。实际上应当先确定
的值。不过比较显然一点的是,若求出的
不是非负整数值,那么这就不是我们之前想要的“幂级数”了。

例:

,则 :
;
代入则有:

对比系数就有:

在关于平凡点求解的时候,最前面的那个式子总是关于

的关系。现在显然情况变了。可以明确的是
不应当取
,否则由后面的递推关系总有
,这样的平凡解求得是没什么意义的。因此需要的是

将二者分别代入则有:

代入

,则:

代入

,则:

则由

的递推式有:

的递推式有:

这又出现了没见过的情况。即使是在前文三项递推的时候都还是(自动)分出了

。但是现在却只出现了一个

不过不用考虑

的问题,在上一篇文章就说过,需要求出来的那两个线性无关的解。
只是拿来“分”出来这两个解罢了。因为若分离出
的级数是微分方程的解,那么这个解的常数倍依然是解。

而现在,

已经很明确的将这两个解区分开来了(乘上
之后连幂次都不一样,区分得已经很明显了)。那么也就不需要通过常数
来区分了。

于是,直接的就有:

由比值检验法可以知道

上收敛。并且很明显的没有谁是谁的常数倍,因此它们也是线性无关的。那么由叠加原理就有:

指标方程

前面弗罗贝尼乌斯定理里面指出只是至少有一个级数解。当时没有考虑那么多,现在得开始考虑了。

上面作为例子的那个方程比较幸运,有两个级数解,因此很简单的就求了出来。但不是每个方程都是这样。比如一个很简单的方程:

,像上面一样代入级数可求得:
。但是通过这两个不同的
却只能求得同一个、相同的级数:

那么,什么时候只能求得一个级数解?这种时候又该怎么求出另外一个线性无关解?

实际上这个问题的解决与上面那个小标题无关。不过还请从这里开始。

从上面的例子可以看见,在化简并对比系数的时候,最左边的项被用来确定

的值。也就是最小次数的项被用于确定
。把这个项的系数拿出来,就是指标方程。

是规则奇点,则:

就消去了这个规则奇点。并且

处是可展开的。若有:

那么代入

,取最低次项对比次数即有(具体过程就不放上来了):

实际上是
处的函数值。那么就有:

这就是指标方程。

指标方程可以在不代入求解的情况下知道

的具体值。如果再加上后文的方法,就可以在带入之前就知道这个微分方程能够求得几个(关于规则奇点的)级数解。(不过并没有什么用,毕竟最后都得代进去求解)

可见指标方程是二次的,这就表明了它可能会有复数解。不过“这里将忽略最后一种情况(像大多数读者会做的那样)[1]”(皮一下相当开心)

由于指标方程是二次的,那么必然会有两个解

的不同,会带来三种不同的情况。若假设
,有:

Ⅰ、

即两根的差不是整数的情况。这种情况下一定可得到两个不同的级数解

.那么有:

Ⅱ、

即两根的差是正整数的情况。在这种情况下可以得到:

其中

是一个常数,其值可为

这种情况的意思就是,我们并不能事先由

判断出代入级数后能够求出什么。或许可以得到两个级数解,也就是后者
的情况;或许只能得到一个级数解,也就是后者
的情况。由于
的时候后者含有
,那么是不能通过级数的方式求得的,因此只能得到一个级数解,另一个则无法求得。

Ⅲ、

在这种情况下总有:

可以看到,与上面不同的是,

不见了,并且
的级数求和下标是从
开始。
不见了预示着通过级数求解就只能求得一个级数解。而下标从
开始并没有什么启发性的东西。毕竟我们也不能求得它。

那么在只能求得一个级数解的时候,另一个解是否就无能为力?

显然不是。对于二阶微分方程来说,求得一个(非平凡)解实际上也就求得了全部解。由于假设

是线性无关的,那么它们的商不会是一个常数。那么可以设:
代入,进行一些计算就可以得到:

那么微分方程的通解就有:

不过像后面用已知的级数特解和积分来求另一个特解,手动计算的话是很困难的。毕竟涉及了级数的平方和倒数。

微分方程在不规则奇点处的解

可能无法求得任何形如

的解。(再皮一下…结束了)

最后一点附注

1、若是真正要求关于规则零点解的话最好还是以

的形式求解,而非
的形式。也就是说,把
的分母去掉。

2、

时(不确定的情况)。可以尝试先将较小的
代入。(只是
尝试!)

参考

  1. ^(美) Richard Haberman著.Applied Partial Differential Equations with Fourier Series and Boundary Value Problem (Fourth Edition).郇中丹等译.北京:机械工业出版社,2007.2:27

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