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06第六章勒让德多项式.ppt

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06第六章勒让德多项式

* 西安理工大学应用数学系 西安理工大学应用数学系 * 第六章 勒让德(Legendre)多项式 ------特殊函数之二 1 Legendre方程的导出 §6.1  Legendre方程及其求解 引例:求解下列问题 用分离变量法求解。令 在球坐标下方程为 代入方程得 n为实数或复数 Euler方程 连带的勒让德方程 勒让德方程 2. Legendre方程的解 用幂级数法求解该方程。由常微分方程理论,设方程的解为 各阶导数为 代入方程,整理,得 注意 于是由幂级数展式的唯一性,有 于是 其中   为任意常数,则方程的解为    由   的任意性知,下列两个函数也是方程的解:    的性质: (1)线性无关,故得到了Legendre方程的通解 (2)收敛区间均为(-1,1),在端点发散,因而Legendre方程在[-1,1]内没有有界解。 (3 )当n是正整数时,一个解为多项式Pn(x),在[-1,1]有界,另一个仍为无穷级数,记为Qn(x),在[-1,1]内无界,通解为 Qn(x)称为第二类Legendre函数。 §6.2  勒让德多项式 讨论勒让德方程中的参数n,考察系数递推关系式 情形(1) 当n不取整数时,若   不为零,则  不为零,这时       均为无穷级数,且收敛域为(-1, 1)    情形(2) 当n取整数(包括零)时,      中有一个是多项式,另一个是无穷级数。 举例分析 1. Legendre多项式 如n=4,这时 如n=-4,这时 如n=5,这时 不妨取n为非负整数,那么对应多项式结构如何?这时 取       ,代入上式,并化简得       分析n的奇偶性:       当n为偶数时,有系数          ,对应多项式          为关于x的偶次方的多项式       当n为奇数时,有系数          ,对应多项式          为关于x的奇次方的多项式       n次Legendre多项式 统一写法,有       称为n次Legendre多项式或第一类Legendre多项式 Legendre多项式微分形式或称为罗德利克公式:       前几次Legendre多项式及其图形       注意其定义域       2. Legendre多项式的母函数 证明:      称为w(x, z) 为Pn(x)的母函数。      对函数w(x, z) ,当   时,在单位圆 内是  解析函数,于是由复变函数理论,将w(x, z) 展成幂级数 其中 C是单位圆内包含原点z=0的任何封闭曲线。 做自变量代换 ,即 则 显然,z平面上的点O对应于u平面上的点x,z沿C一周,相应的u绕点x也沿某闭曲线C’一周,因此 又 于是 3. Legendre多项式的性质 x=1 x=-1 x=0 基本性质 以-x代 x 以-z代 z 奇偶性 递推公式 对z求导 对x求导 } 整理得 即 } 整理得 正交性 在[-1,1]上正交,即       先证明: 所以

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