在科學(xué)研究中,經(jīng)常需要解含有未知函數(shù)的導(dǎo)數(shù)的方程,,這就是微分方程,。如果方程中只含有對未知函數(shù)的一個自變量的導(dǎo)數(shù),這個方程就被稱為常微分方程,,如果方程中含有對未知函數(shù)的多個自變量的導(dǎo)數(shù),,這個方程就是偏微分方程。求解微分方程的基礎(chǔ)是求解常微分方程,,含有任意個自變量的偏微分方程可以通過某種途徑轉(zhuǎn)化成多個常微分方程,。在常微分方程中,最常見的是二階常微分方程,,即含有對未知函數(shù)的自變量求二階導(dǎo)數(shù)的微分方程,。在二階微分方程中,二階線性齊次常微分方程又是最基本的微分方程,,因此,,我們來討論這種最基本的常微分方程。 二階線性齊次常微分方程具有如下的標準形式: 其中對自變量的最高階導(dǎo)數(shù)是二階導(dǎo)數(shù),,它前面的系數(shù)等于1,。對于更高階的微分方程,也會寫成類似這樣一種標準形式,,它能夠直接告訴我們這個方程的最高階導(dǎo)數(shù)項是哪一階導(dǎo)數(shù),。在二階常微分方程的這個標準形式中,,如果兩個系數(shù)在某點都是解析的,該點就叫做方程的常點,;如果至少有一個系數(shù)在某點不解析,,該點就叫做方程的奇點。對于無窮遠點,,必須作變換 t=1/z,,由此得到 dt/dz=-t2,利用這個結(jié)果將對 z 求導(dǎo)數(shù)轉(zhuǎn)換成對 t 求導(dǎo)數(shù),。對 z 求一階導(dǎo)數(shù)是這樣轉(zhuǎn)換的:對 z 求二階導(dǎo)數(shù)是這樣轉(zhuǎn)換的:把它們代入以 z 為自變量的標準方程中,,得到一個以 t 為自變量的方程:就能夠明顯地看出,上述方程具有二階常微分方程的標準形式,,只不過自變量由 z 變成 t 吧了: 現(xiàn)在,,只要按照前面的方式,考察 t=0 點的特性,,就可以對無窮遠點的奇異性做出判斷,。
一個簡單的例子是勒讓德方程,這是在科學(xué)研究中經(jīng)常遇到的一個常微分方程,,許多微分方程經(jīng)過一系列數(shù)學(xué)變換最終都可以化為勒讓德方程: 把這個方程改寫成標準形式,,就得到兩個系數(shù): 顯然,在 z=±1 這兩個點,,兩個系數(shù)不解析,。對于無窮遠點,方程的兩個系數(shù)具有以下形式: 我們看到,,t=0 是其中一個系數(shù)的奇點,。由此可見,,勒讓德方程有三個奇點:z=±1,∞,。另一個例子是超幾何方程。超幾何方程也是在科學(xué)研究中經(jīng)常遇到的一個微分方程:
許多實際的物理方程經(jīng)過一系列數(shù)學(xué)變換最終都可以化為超幾何方程,。把這個方程寫成標準形式,,就得到它的兩個系數(shù): 結(jié)果發(fā)現(xiàn),z=0,1 是兩個系數(shù)的奇點,。對于無窮遠點,,兩個以 t 為自變量的系數(shù) 我們又得到了 t=0 這個奇點。于是,,超幾何方程也有三個奇點:z=0,1,∞,。讓我們回到求解常微分方程的理論問題上去。如果常微分方程
的兩個系數(shù)在圓 |z-z?|<R 內(nèi)單值解析,,則在這個圓內(nèi),,以下初值問題有唯一的解,,它在這個圓內(nèi)單值解析。于是,,可以把初值點作為展開點,,將常微分方程的解在初值點的這個鄰域圓內(nèi)展開成泰勒級數(shù): 有了這兩個基本系數(shù),,把解的級數(shù)表達式代入微分方程中,通過比較就可以得到各個系數(shù)之間的遞推關(guān)系,,從而得到唯一的解,。
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