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前导阶分析


一种确定 n 阶常微分方程可去奇点处的行为,而无需实际求解该方程的程序。考虑

 (d^ny)/(dz^n)=F((d^(n-1)y)/(dz^(n-1)),...,(dy)/(dz),y,z),
(1)

其中 Fz 解析,且对其其他参数为有理函数。通过进行如下替换来继续

 y(z)=a(z-z_0)^alpha
(2)

其中 alpha<1。例如,在方程中

 (d^2y)/(dz^2)=6y^2+Ay,
(3)

进行替换得到

 aalpha(alpha-1)(z-z_0)^(alpha-2)=6a^2(z-z_0)^(2alpha)+Aa(az-z_0)^alpha.
(4)

最奇异的项(那些具有最指数的项)被称为“主导平衡项”,并且必须在奇点处平衡指数和系数。这里,前两项是主导项,因此

 alpha-2=2alpha=>alpha=-2
(5)
 6a=6a^2=>a=1,
(6)

并且解的行为表现为 y(z)=(z-z_0)^(-2)。奇点的邻域内的行为由洛朗级数展开给出,在这种情况下,

 y(z)=sum_(j=0)^inftya_j(z-z_0)^(j-2).
(7)

将此级数代入得到

 sum_(j=0)^inftya_j(j-2)(j-3)(z-z_0)^(j-4) 
 =6sum_(j=0)^inftysum_(k=0)^inftya_ja_k(z-z_0)^(j+k-4)+Asum_(j=0)^inftya_j(z-z_0)^(j-2).
(8)

这给出了递推关系,在这种情况下,a_6 是任意的,因此 (z-z_0)^6 项被称为共振或科瓦列夫斯卡娅指数。在共振处,系数将始终是任意的。如果不存在共振项,则存在的极点不是普通的,并且必须使用 psi 函数研究解。


另请参阅

Psi 函数

使用 Wolfram|Alpha 探索

参考文献

Tabor, M. Chaos and Integrability in Nonlinear Dynamics: An Introduction. 纽约: Wiley, 页 330, 1989.

在 Wolfram|Alpha 中被引用

前导阶分析

请引用为

Weisstein, Eric W. "前导阶分析。" 来自 MathWorld——Wolfram Web 资源。 https://mathworld.net.cn/LeadingOrderAnalysis.html

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