Интегрирование при помощи степенных и обобщённых степенных рядов.

 

Определение: Функция называется голоморфной в точке , если она представима в точке , т.е. , причём ряд сходится в интервале , ().

Сформулируем теорему Коши для линейного дифференциального уравнения n-ого порядка:

(1).

Заданы начальные условия , ,…, при

 

Теорема Коши:

Если все функции и являются голоморфными в точке , т.е. , , -сходятся в области . Тогда существует единственное решение с заданными начальными условиями, голоморфными в области ,

(2)

Рассмотрим линейное однородное уравнение второго порядка.

(3)

, , ,

, при (3)

Тогда на основании теоремы Коши существует единственное голоморфное в окрестности решение (4)

Подставим решение (4) в уравнение (3):

+ + (5)

или

+ + (6)

 

Воспользуемся формулой произведения степенных рядов.

(7)

Тогда уравнение (6) имеет вид:

+ + (8)

 

Приравнивая коэффициенты при одинаковых степенях, получим:

+ + (9)

 

: , находим С₂

: , находим С₃.

И так далее.

Коэффициенты находятся единственным образом.

+ +

Пусть , и ,

Тогда мы получим два частные решения и , которые образуют в интервале фундаментальную систему.

Следовательно, общее решение построено в окрестности точки , которая называется обыкновенной.

Точка называется обыкновенной, если все коэффициенты уравнения голоморфны в этой точке, в противном случае, точку будем называть особой точкой дифференциального уравнения.

На практике удобно брать фундаментальную систему решений??? в точке .

В нашем случае .

(10)

,

определяя коэффициенты и по формуле (9).

 

Пример 1:

Рассмотрим уравнение Эйри:

(11)

очевидно, что обыкновенная точка.

, (12)

Подставим (12) в уравнение (11):

Приравнивая коэффициенты при одинаковых степенях, получим:

 

:

:

:

:

:

:

 

Аналогично находим :

- общее решение уравнения Эйри.

 

 

Рассмотрим уравнение Бесселя n-ого порядка:

(13),

когда (14)

-особая точка.

Пусть , замена (15)

Приводим уравнение (14) к уравнению:

(16)

, или

(17)

 

Функция Бесселя порядка:

: (18)

- :

 

Ни , ни не являются голоморфными решениями в окрестности точки . Этого следовало ожидать, т.к. является особой точкой.

 

Обобщённым степенным рядом по степеням называется ряд вида , где показатель ρ есть некоторое постоянное число, а ряд есть сходящийся степенной ряд, причём .

Какой вид должны иметь коэффициенты уравнения (1) в окрестности особой точки , чтобы хоть одно из частных решений было представимо в окрестности этой особой точки в виде обобщённого степенного ряда по степеням , т.е. , (19)

Ответ на этот вопрос даёт следующая теорема:

Теорема:

Для того, чтобы уравнение (1) имело в окрестности точки хоть одно частное решение в виде обобщённого степенного ряда (19), достаточно, чтобы это уравнение имело вид:

, (20)

где , сходящиеся степенные ряды при , причём не равны нулю одновременно, ибо в противном случае точка не особая и существует два линейно независимых решения, голоморфных в точке , и ряд заведомо сходится в той же области.

 

ЛЕКЦИЯ 7.