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弗罗贝尼乌斯方法


如果 x_0常微分方程 的常点,则将 y 在关于 x_0泰勒级数 中展开。通常,展开点可以取为 x_0=0,得到 麦克劳林级数

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

y 代回 ODE,并按 系数 进行分组。现在,获得 n 项的 递推关系,并用 a_n 表示 级数展开。前几个导数的展开式为

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 的正则奇点,

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

可以通过弗罗贝尼乌斯方法或在 洛朗级数 中展开来找到解。在弗罗贝尼乌斯方法中,假设解 的形式为

 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)

现在,将 y 代回 ODE,并按 系数 进行分组,以获得 a_n 项的递归 公式,然后用 a_n 表示 级数展开。将 a_0 项设为 0 将产生所谓的 指标方程,这将给出 级数展开k 的允许值。

作为一个例子,考虑 贝塞尔微分方程

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

将 (◇) 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)

通过设置 n=0 获得的 指标方程

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

由于 a_0 被定义为第一个 非零 项,k^2-m^2=0,所以 k=+/-m。为了说明目的,忽略 k=-m,仅考虑 k=m 的情况(避免特殊情况 m!=1/2),那么方程 (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)

对于 n=2, 3, ..., 所以

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

对于 n>1。然后代回到 (◇),重新排列和简化,得到定义 第一类贝塞尔函数 J_m(x) 的级数解,它是 (◇) 的非奇异解。(考虑 m=-k 的情况类似,并得到解 J_(-m)(x)=(-1)^mJ_m(x)。)

福克斯定理 保证,如果展开点是常点或正则 奇点,则应用弗罗贝尼乌斯方法时,至少会获得一个 幂级数 解。对于正则 奇点,也可以使用 洛朗级数 展开。在 洛朗级数 中展开 y,令

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

y 代回 ODE,并按 系数 进行分组。现在,获得 c_n 项的递归 公式,并用 c_n 表示 泰勒级数


另请参阅

福克斯定理常微分方程

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参考文献

Arfken, G. "级数解--弗罗贝尼乌斯方法。" 物理学家的数学方法,第 3 版。 Orlando, FL: Academic Press, pp. 454-467, 1985.Frobenius. "关于通过级数积分线性微分方程。" J. reine angew. Math. 76, 214-235, 1873.Ince, E. L. 第 5 章,常微分方程。 New York: Dover, 1956.

Wolfram|Alpha 引用

弗罗贝尼乌斯方法

引用为

Weisstein, Eric W. "弗罗贝尼乌斯方法。" 来自 MathWorld--Wolfram Web 资源。 https://mathworld.net.cn/FrobeniusMethod.html

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