梁昆淼_数学物理方法第9章.ppt

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梁昆淼_数学物理方法第9章

连带勒让德方程 对于有自然边界条件的情况 贝塞尔方程 勒让德方程 (二)、施图姆—刘维本征值问题的性质 (1)、若k(x),k’(x),q(x) 连续,或最多以x=a,x=b 为一阶极点,则存在无限多本征值 (2)、所有本征值均大于零 对应有非零本征函数 (3)、有带全重 ? (x) 的正交关系 本征函数 yn 和 ym 满足 证: 第一式乘以 yn 第二式乘以 ym 相减 积分 根据边界条件 或 或自然边界条件 或 (4)、本征函数族 是完备的,且 (三)、广义Fourier级数 上式称为广义Fourier级数,fn称为广义Fourier系数 由正交性 令 Nm 称为 ym (x) 的模 可合并为 而 如,贝塞尔函数 勒让德函数 一般正、余弦函数 * 先取 s1 =? 代入?阶贝塞尔方程 即 即 比较各次幂系数有 得 其中 而 故只要 x 有限,级数收敛 (2)、解的收敛性 利用达朗贝尔判别法有 故只要 x 有限,级数收敛 (3)、贝塞尔函数 有 取 称为贝塞尔函数 表示为?阶贝塞尔函数 同理有 用 ?阶贝塞尔方程的通解为 J? 和 J-? 称为第一类柱函数 当 ? ? m时,J? 和 J-? 线性无关 当 ? = m时,J? 和 J-? 线性相关 证明如下: (4 )、整数 m 阶贝塞尔方程 令 k-m=l, 因为 k-m+10 故当 ? = m时,J? 和 J-? 线性相关 需要寻找另一与 Jm 无关的解 取 ?阶贝塞尔方程的一个特解为 称为?阶诺伊曼函数 ?阶诺伊曼函数为第二类柱函数 ?阶贝塞尔方程的通解可取为 但当 ? = m时 C为欧拉常数 考虑(l+1/2)阶贝塞尔方程 取 l=0 代入?=1/2 (5 )、(l+1/2)阶贝塞尔方程 1/2阶贝塞尔函数 1/2阶贝塞尔函数 s1 — s2 = 1 第二个特解应为 但可试着用? =-1/2代入贝塞尔函数 与 线性无关 故J1/2 和 J-1/2 可作为? =1/2贝塞尔方程的线性独立解 ? =1/2贝塞尔方程的通解为 l+1/2贝塞尔函数为 s1 — s2 = 2l+1 第二个特解应为 但可试着用? =-(l+1/2)代入贝塞尔函数 与 线性无关 ? =l+1/2贝塞尔方程的通解为 当 x?0 时, (6)、x=0处的自然边界条件 剩下 若研究区域含x=0,要去掉 称 x=0 处的具有自然边界条件 考虑?阶虚宗量贝塞尔方程 (三)、虚宗量贝塞尔方程 (1)、?阶虚宗量贝塞尔方程 令 为?阶贝塞尔方程 和 ?阶诺伊曼函数 令?阶虚宗量贝塞尔函数为实数 ?阶虚宗量贝塞尔方程的一般解为 考虑m阶虚宗量贝塞尔方程 (2)、整数m阶虚宗量贝塞尔方程 令 为m阶贝塞尔方程 m阶虚宗量贝塞尔函数为实数 故要寻找另一个独立解 而 m阶虚宗量贝塞尔函数为实数 9.5 施图姆—刘维本征值问题 (一)、施图姆—刘维本征值问题 考虑形式为 的带参量?的二阶常微分方程,只有某些非零?方程才有解,?称为本征值,对应的非零解称为本征函数 前面介绍的方程都属于施图姆—刘维型方程 (i)考虑贝塞尔方程 (i) 贝塞尔方程 注意:贝塞尔方程是在柱坐标系中代换得到的 自然边界条件 (ii)勒让德方程 自然边界条件 (iii)连带勒让德方程 自然边界条件 (iv)一般二阶常微分方程 边界条件 (1)、球坐标系 (三)、亥姆霍兹方程 首先试图将此变量变r与 ? 和 ?分离 代入 两边除以R,Y,乘以r2 令 化简为两个方程 上边第一式化为 这称为 l 阶球贝塞尔方程 称为球函数方程 令 若 k=0 l 阶球贝塞尔方程 退化为欧拉型方程 l 阶球贝塞尔方程 l 阶球贝塞尔方程 为 l+1/2 阶贝塞尔方程 l 阶球贝塞尔方程 连带勒让德方程 (2)、柱坐标系 试图将变量变 ? 与 ? 和 z 分离 代入 用 除以两边 代入 令 令 代入 令 令 为 m 阶贝塞尔方程 令 代入 若 为 m 阶贝塞尔方程 m 阶球贝塞尔方程 退化为欧拉型方程 为 m 阶贝塞尔方程 m 阶贝塞尔方程退化为欧拉型方程 9.3 常点邻域的级数解法 考虑二阶常微分方程 初始条件为 可以用级数求 更一般,对于复变函数 w(z) 初始条件为 z为复变函数, z0 为选定点,C0,C1为复常数 若 p(z)和 q(z)在 点z0 的邻域内解析,z0 称为方程的常点 若 z0 是p(z)和 q(z)的奇点,z0 称为方程的奇点 对于常点邻域内解析的情形,可用级数解法求解 其中ak有待确定 (1)、勒让德方程的级数解 即 在 x0 =0的邻域内解析, 可以用级数求 勒让德方程 或 令 代入有 即 比较各次幂系数有 从而可得 外推 外推 将以上系数代入得 其中 将以上系数代

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