我們首先要回顧一下微分方程教程中已經學過的知識, 即求正常點附近的級數解, 從 \(\S 4.1\) 的討論, 我們已知解的形式為
只須將 (4.2.1.) 代入微分方程, 再確定系數 \(a_{n}\) 即可.
[ 例 4.2.1] ]
求方程
在 \(x=0\) 附近的級數解.
以式 (4.2.1) 代入 (4.2.2), 並讓 \(x\) 的同冪系數相等, 得遞推方程
\[y''-xy = 0\\ \sum_{n=1}^{\infty} na_{n}\left(x\right)^{n-1} = 2x\cdot \sum_{n=0}^{\infty} a_{n}\left(x\right)^{n} \\ \sum_{n=1}^{\infty} na_{n}\left(x\right)^{n-1} = 2 \cdot \sum_{n=0}^{\infty} a_{n}\left(x\right)^{n+1} \]對應同次冪\(x\)有
\[\begin{array}{l} a_1\cdot x^0 & \\ 2a_2\cdot x^1 & 2a_0\cdot x^1 \\ 3a_3\cdot x^2 & 2a_1\cdot x^2 \\ \vdots & \vdots \\ na_{n}\cdot x^{n-1} & 2a_{n-2} \cdot x^{n-1} \\ (n+1)a_{n+1}\cdot x^{n}& 2a_{n-1}\cdot x^{n} \\ (n+2)a_{n+2}\cdot x^{n+1} \qquad& 2a_{n}\cdot x^{n+1} \\ \vdots&\vdots \end{array} \]即
\[a_1 = 2a_1 \qquad na_n = 2a_{n-2} \\\downarrow\\ a_{1}=0,\qquad a_{n}=\frac{2}{n} a_{n-2} (n \geq 2) \]
所以, 奇數項系數為零
偶數項系數可用 \(a_{0}\) 來表示
因此,有解
例4.2.2
求Airay方程
的級數解
Airay方程,全空間內正常點
同樣地, 以式 (4.2.1) 代入 (4.2.7), 令同次冪系數相等, 得遞推 公式
對應\(x\)同次冪有
即
所以
\[a_{3 m}=\frac{{a}_{0}}{3 m(3 m-1) \cdots 6 \cdot 5 \cdot 3 \cdot 2}= \frac{\Gamma\left(\frac{2}{3}\right)}{9^{m} m ! \Gamma\left(m+\frac{2}{3}\right)} a_{0}\\ 其中,3\cdot6\cdot9\dots3m=3^m\cdot1\cdot2\cdot3\dots m=3^m\cdot m! \\另外,2\cdot5 \cdot 8 \cdot 11\dots(3m-1)\\ 提出m個3\\3^m\cdot\frac 2 3\frac 5 3\frac 8 3\dots\frac{3m-1} 3\\ 又因為\Gamma( m+\frac 2 3)=(m -\frac 1 3)\dots \frac 8 3\frac 5 3\frac 2 3\Gamma(\frac 2 3)\\ 所以3^m\cdot\frac 2 3\frac 5 3\frac 8 3\dots\frac{3m-1} 3=3^m\frac{\Gamma( m+\frac 2 3)}{\Gamma(\frac 2 3)} \]
Airy 方程的級數解為
適當選擇 \(c_{1}, c_{2}\) 可以得到常用的 Airy 函數: \(c_{1}=3^{-\frac{2}{3}}, c_{2}=-3^{-\frac{4}{3}}\), \(y(x)=A i(x)\), 當 \(c_{1}=3^{-\frac{1}{6}}, c_{2}=3^{-\frac{5}{6}}, y(x)=B i(x)\).
根據 \(\S 4.1\) 的討論, 我們可把 \(x_{0}\) 為正則奇點的方程改寫成下述 形式
\[y^{\prime \prime}+p(x) y^{\prime}+q(x) y=0\\ y^{\prime \prime}+\frac{p(x)(x-x_{0})}{x-x_{0}} y^{\prime}+\frac{q(x)(x-x_{0})^2}{\left(x-x_{0}\right)^{2}} y=0\\ y^{\prime \prime}+\frac{p(x)^*}{x-x_{0}} y^{\prime}+\frac{q(x)^*}{\left(x-x_{0}\right)^{2}} y=0\\ y^{\prime \prime}+\frac{p(x)}{x-x_{0}} y^{\prime}+\frac{q(x)}{\left(x-x_{0}\right)^{2}} y=0\\ p^*,q^*是解析的 \]
式中
為 \(x_{0}\) 的鄰域內的解析函數, 我們可假定該方程有 Frobenius 型級數 解.
且不防有 \(a_{0} \neq 0\), 將上式代入方程 (4.2.12), 得
L是線性算子,\(L y=y^{\prime \prime}+\frac{p(x)}{x-x_{0}} y^{\prime}+\frac{q(x)}{\left(x-x_{0}\right)^{2}} y\)
\(L(f+g)=Lf+Lg\)
正則解其中一個是F型級數,另一個可能是F型級數,也可能是F型級數組合。(至少有一個F型級數解)
\[y''=(n+\alpha)(n+\alpha-1)\sum_{n=0}^{\infty}a_n(x-x_0)^{n+\alpha-2}\\ y'=(n+\alpha)\sum_{n=0}^{\infty}a_n(x-x_0)^{n+\alpha-1}\\ \frac{p(x)}{x-x_0}=\sum_{n=0}^{\infty}p_n(x-x_0)^{n-1}\\ \frac{q(x)}{(x-x_0)^2}=\sum_{n=0}^{\infty}p_n(x-x_0)^{n-2}\\ Ly=(n+\alpha)(n+\alpha-1)\sum_{n=0}^{\infty}a_n(x-x_0)^{n+\alpha-2}\\ +\sum_{i=0}^{\infty}p_n(x-x_0)^{i-1}\cdot(n+\alpha)\sum_{n=0}^{\infty}a_n(x-x_0)^{n+\alpha-1}\\+\sum_{i=0}^{\infty}p_n(x-x_0)^{i-2}\cdot\left(x-x_{0}\right)^{\alpha} \sum_{n=0}^{\infty} a_{n}\left(x-x_{0}\right)^{n} \]利用待定系數法,x的同冪次放到一起。
雙重積分性質
n=0時,
以后,n從1到無窮
令n-i=k,
中括號里,
- an的系數
- ak的系數
所以
也就是要求
也就是要求\((x-x_0)^{\dots}\)的系數為0
a_0不能為0,所以\(\mathscr{P}(\alpha)=0\)
為0沒有意義。如果為零,提出一個(x-x_0),a_1還是充當a_0的位置。
第二式是遞推式,\(知道a_0,推出a_1.知道a_0,a_1,推出a_3,\dots\)
因為\(\mathscr{P(\alpha)}=0\),即\(\alpha(\alpha-1)+p_0\alpha+q_0=0\)(特征方程),解出\(\alpha\)
這樣就可以得到F型級數解\(y=\left(x-x_{0}\right)^{\alpha} \sum_{n=0}^{\infty} a_{n}\left(x-x_{0}\right)^{n}\)。
- 例:n=1時,k從0求和到0,即只有k=0項
a_n的系數\(\mathscr{P}(\mathcal{n+\alpha})\)如果是0,遞推就中斷了。
特征方程的根不等, 且 \(\alpha_{1}-\alpha_{2}\) 不等於整數. 這時, 遞推公 式 (4.2.18) 中
這樣\(\mathscr{P}(\mathcal{n+\alpha})\)不是是0,遞推不會中斷。

所以, 對 \(\alpha=\alpha_{1}, \alpha_{2}\), 我們可完全確定 Frobenius 型級數的系數, 方 程 (4.2.12) 有兩個 Frobenius 型級數解.
- 特征方程有等根, \(\alpha_{1}=\alpha_{2}=\alpha\) 這時, 由於

我們可以得到, 但僅可得到一個 Frobenius 型級數解. 現在要設法 找第二個線性獨立解, 我們已知
暫且取 \(\beta\) 略不同於 \(\alpha\) 以及
\(\beta\)是\(\alpha\)的的變分,微小的偏移
\(\widetilde{a_{n}}\)是\(\beta\)通過遞推式得到
我們使系數 \(a_{n}(\beta)\) 滿足遞推關系 (4.2.18), 那么
\(a_{n}(\beta)=\widetilde{a_{n}}\)
\(\widetilde{a_{n}}\)帶入(4.2.16)
\[Ly=a_0(x-x_0)^{\alpha-2}\mathscr{P(\alpha)}\\+\sum_{n=1}^{\infty}(x-x_0)^{n+\alpha-2}\left[a_n(\mathscr{P}(\mathcal{n+\alpha}))+a_k\sum_{k=0}^{n-1}(p_{n-k}(k+\alpha)+q_{n-k})\right]=0\quad(4.2.16) \]
\(\widetilde{a_{n}}\)是\(\beta\)通過遞推式得到,必然會使中括號里為0,Ly第二項為零。
只剩第一項

兩邊對 \(\beta\) 微商, 再令 \(\beta=\alpha\)
\[\begin{array}{l} \left(\frac{\partial }{\partial \beta}L\tilde y_{1}\right)\bigg|_{\beta=\alpha}\\=\left[a_{0}(\beta-2)\left(x-x_{0}\right)^{\alpha-3} \mathscr P(\beta)+a_0\left(x-x_{0}\right)^{\beta-2} \mathscr P'(\beta)\right]\bigg|_{\beta=\alpha}\\ =a_{0}\left[(\alpha-2)\left(x-x_{0}\right)^{\alpha-3} \mathscr P(\alpha)+\left(x-x_{0}\right)^{\alpha-2} \mathscr P'(\alpha)\right]=0\\\because L是線性的\\ \therefore(\frac{\partial L\tilde y_{1}}{\partial \beta}\bigg|_{\beta=\alpha})= L(\frac{\partial \tilde y_{1}}{\partial \beta}\bigg|_{\beta=\alpha})=0,所以\frac{\partial \tilde y_{1}}{\partial \beta}\bigg|_{\beta=\alpha}是解 \end{array} \]
這是因為特征方程有重根 \(\alpha\) 之故. 這說明方程 (4.2.12) 的另一個與 \(y_{1}\) 線性獨立的解為
\[\begin{align} y_{1}&=\left(x-x_{0}\right)^{\alpha} \sum_{n=0}^{\infty} a_{n}\left(x-x_{0}\right)^{n}\\ y_2&=\frac{\partial y_1}{\partial\alpha}\\&=\frac{\partial(x-x_0)^{\alpha}}{\partial\alpha}\sum_{n=0}^{\infty} a_{n}\left(x-x_{0}\right)^{n}+\left(x-x_{0}\right)^{\alpha}\sum_{n=0}^{\infty} \frac{\partial a_{n}}{\partial \alpha}\left(x-x_{0}\right)^{n}\\ &=\frac{\partial}{\partial \alpha}[e^{\alpha\ln{(x-x_0)}}]+\left(x-x_{0}\right)^{\alpha}\sum_{n=0}^{\infty} c_n\left(x-x_{0}\right)^{n}\\ &=\ln{(x-x_0)}e^{\alpha\ln{(x-x_0)}}+\left(x-x_{0}\right)^{\alpha}\sum_{n=0}^{\infty} c_n\left(x-x_{0}\right)^{n}\\ &=\ln{(x-x_0)}(x-x_0)^{\alpha}+\left(x-x_{0}\right)^{\alpha}\sum_{n=0}^{\infty} c_n\left(x-x_{0}\right)^{n}\\ &=\ln{(x-x_0)}y_1+\left(x-x_{0}\right)^{\alpha}\sum_{n=0}^{\infty} c_n\left(x-x_{0}\right)^{n} \end {align} \]
- 兩根之差為整數, 若 \(\alpha_{1}=\alpha_{2}+N, N>0\). 這時, 我們可以 由
得到一個 Frobenius 型級數解.

\(\alpha_1\)有對應解,\(\alpha_2\)會使遞推式中斷,沒有解。
但由於
除非 (4.2.16) 中第二項
對特征指數 \(\alpha_{2}\), 一般不能得到 Frobenius 型級數解. 仿照有等根的 情況, 還是取 \(\alpha\) 略不同於 \(\alpha_{1}\), 系數 \(a_{n}(\alpha)\) 滿足遞推關系的形式解.
\[構造\\ \tilde y_1=(x-x_0)^{\alpha}\sum_{n=0}^{\infty}\tilde {a_n}(x-x_0)^n \]
代入方程 (4.2.12), 兩邊微商, 再令 \(\alpha=\alpha_{1}\), 得
\[\begin{array}{l} L\left(\frac{\partial y_{1}}{\partial \alpha}\right)=a_{0}\left[(\alpha-2)\left(x-x_{0}\right)^{\alpha-3} \mathscr P(\alpha)+\left(x-x_{0}\right)^{\alpha-2} \mathscr P'(\alpha)\right]=0\\ \because\mathscr P(\alpha_1)=0\\ \therefore L\left(\frac{\partial y_{1}}{\partial \alpha}\right)\bigg|_{\alpha=\alpha_1}=a_0(x-x_{0})^{\alpha_1-2} \mathscr P'(\alpha_1)\\=a_0(x-x_{0})^{\alpha_2+N-2} \mathscr P'(\alpha_2+N)\ne0①\\ \therefore\left(\frac{\partial y_{1}}{\partial \alpha}\right)\bigg|_{\alpha=\alpha_1}不是方程的解\\ \alpha_1=\alpha_2+N\\ ①是非齊次方程,非齊次方程的通解等於它對應齊次方程通解加上非齊次的特解。 \end{array} \]
這是因為 \(\alpha_{2}\) 並不是特征方程的重根的緣故, 我們再求非齊次方程
的 Frobenius 型級數解.
假設它的一個特解如下
把\(\bar y\)代入Ly
仿照
寫出
這樣一來, 確定 \(c_{N}\) 的遞推關系為
適當調整系數 \(a_{0}\), 使它滿足使方程 (4.2.32) 右端為零的條件, 即
\(\mathscr P\left(\alpha_{2}+N\right)\)=0
\[\begin{array}{l} (4.4.32)左邊=0,a_0使右邊為零,那么c_N可以為任意值。\\ 只不過a_0不是任意的了。通常F型級數a_0是任意的,a_1,a_2,a_3\dots都與a_0有關。\\特解中a_0不是任意的,c_1,c_2,c_3\dots都不是任意的,c_N是任意的。c_{N+1}又不任意了(利用齊次的遞推式)。 \end{array} \]
非齊次方程 \((4.70)\) 有 Frobenius 型級數解 \((4.2 .31)\), 那么
是減不是加的原因
\[\begin{array}{l} L(y_2)=L\left(\frac{\partial \tilde{y}_{1}}{\partial \alpha}\right)\bigg|_{\alpha=\alpha_{1}}-L\bar{y}\\ =a_0(x-x_{0})^{\alpha_1-2} \mathscr P'(\alpha_1)-a_{0}\left(x-x_{0}\right)^{\alpha_{2}+N-2} p^{\prime}\left(\alpha_{2}+N\right)=0\\ 即L(y_2)=0 \end{array} \]
- \(\frac{\partial \tilde{y}_{1}}{\partial \alpha}\bigg|_{\alpha=\alpha_{1}}\)是帶\(\ln\)的特解,\(\bar y\)是F型級數的特解,兩個解是線性獨立,相減是通解。(不理解)🤔
就是原方程的另一個線性獨立解, 其一般形式為
這就是 Fuchs 所預言的形式.
對於高階方程, 情況更要復雜一些, 應該如何來進行求解請讀 者思考. 對於 \(x_{0}\) 為正則奇點的高階方程, 其一般形式為
高階不要求
式中 \(q_{0}, q_{1}, \cdots, q_{n-1}\) 在 \(x_{0}\) 鄰域內解析, 它的特征指數方程應為
[ 例 4.2.3] 求 Euler 方程的解
它可以化為
x=0是正則奇點
它的特征方程為
特征方程\(\mathscr P(\alpha)= [\alpha(\alpha-1)+p_0\alpha+q_0]\)
當 \(\alpha_{1} \neq \alpha_{2}\) 時, 有解
F型級數解\(y=\left(x-x_{0}\right)^{\alpha} \sum_{n=0}^{\infty} a_{n}\left(x-x_{0}\right)^{n}\)
遞推式\(a_n(\mathscr{P}(\mathcal{n+\alpha}))=-a_k\sum_{k=0}^{n-1}(p_{n-k}(k+\alpha)+q_{n-k})\)
n=1時,\(\because p_1,q_1=0,a_1(\mathscr{P}(\mathcal{1+\alpha}))=-a_0(p_{1}\alpha+q_{1})=0,a_1=0\)
同理,\(a_2,a_3,a_{\dots}\)=0.只有a_0不是零。
當 \(\alpha_{1}=\alpha_{2}=\alpha\) 時, 有解
\(y_{1}=\left(x-x_{0}\right)^{\alpha} \sum_{n=0}^{\infty} a_{n}\left(x-x_{0}\right)^{n}\)
\(y_{2}=\frac{\partial y_{1}}{\partial \alpha}=y_{1} \ln \left(x-x_{0}\right)+\left(x-x_{0}\right)^{\alpha} \sum_{n=0}^{\infty}\left(\frac{\partial a_{n}}{\partial \alpha}\right)\left(x-x_{0}\right)^{n}\)
顯然, 這是上面所討論結果的特例.
[ 例 4.2.4] 用 Frobenius 方法, 求修正的 Bessel 方程之解.
它的特征方程為
\(p(x)=1,q(x)=-(x^2+\nu^2)\)
特征方程\(\mathscr P(\alpha)= [\alpha(\alpha-1)+p_0\alpha+q_0]=\alpha^2-\nu^2=0\)
\(\alpha=\pm\nu\)
- 當 \(\nu\) 不為零或整數時
兩個根只差為\(2\nu\),有兩個F型級數解
這是兩個線性獨立解.
- 當 \(\nu\) 為半整數時,
差就是整數(並且是奇數)。
剛好 (4.2.18) 右端為零, 上式仍是方程的解.
右端為零的原因:
\[\begin{cases} p_0=1,&&&p_1,p_2,\dots=0\\ q_0=-\nu^2,&q_1=0,&q_2=-1,&q_3,\dots=0 \end{cases} \]\[\begin{array}{l} a_n(\mathscr{P}(\mathcal{n+\alpha}))=-a_{k} \sum_{k=0}^{n-1}\left(p_{n-k}(k+\alpha)+q_{n-k}\right) \\ =-\left[\left[-\nu \cdot p_{n}+q_{n}\right] a_{0}\right. \\ +\left[(-\nu+1) p_{n-1}+q_{n-1}\right] a_{1} \\ +\left[(-\nu+2) p_{n-2}+q_{n-2}\right] a_{2} \\ +\cdots \\ +\left[(-\nu+n-2) p_{2}+q_{2}\right] a_{n-2} \\ \left.\left.+\left[(-\nu+n-1) p_{1}+q_{1}\right] a_{n-1}\right]\right]① \\ =a_{n-2}\\ \therefore a_n(\mathscr{P}(\mathcal{n+\alpha}))=a_{n-2}② \end{array} \]上式中的p,q系數只有 非零,為-1。所以①式倒數第二項留下來了。
\[\begin{array}{l} \therefore n\ne\nu-(-\nu)時,遞推式左邊不為零,由a_0推出a_2,a_4,\dots(偶數項存在);\\ a_1由a_0推出,a_1\mathscr P(1+\alpha)=-a_0(p_1+q_1)=0,a_1=0\\ \therefore 由②式,a_3,a_5,\dots=0(奇數項不存在) \end{array} \]\(設\nu-(-\nu)=m,則m必為奇數\)
\(p(\alpha+m) a_{m}=-\sum_{k=0}^{m-1}\left[(\alpha+k) p_{m-k}+q_{m-k}\right] a_{k}=a_{m-2}\),
左邊是零但是右邊也為零,使遞推式滿足。
- 當 \(\nu=0\) 時, 有重根, 第一個解為
為求出第二個解, 先令 \(\alpha \neq 0\), 將 Frobenius 型級數代入方程, 得到 遞推關系, \(a_{0} \neq 0\).
由此導出 \(b_{0} \neq 0\).