級數解與特殊函數

弗羅貝尼烏斯根的三種情形(three cases)

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一旦指標方程交給你它的兩個根 r_1 與 r_2(標記成 r_1 >= r_2),自然就有一問:它們給你兩個乾淨的弗羅貝尼烏斯級數,還是會發生更微妙的事,會不會有對數溜進來?答案被整理成三種情形,完全由差 r_1 - r_2 決定。知道自己落在哪一情形,就能告訴你第二個獨立解該期待的確切形式。

走一遍這三種情形。情形一,兩根相差一個非整數(r_1 - r_2 不是整數):輕鬆幸運的情形。每個根給出各自的獨立弗羅貝尼烏斯級數,y_1 = x^(r_1)(級數)與 y_2 = x^(r_2)(級數),便完成了。情形二,兩根相等(r_1 = r_2):一個根只給一個級數,故第二個解必取形式 y_2 = y_1 ln(x) + x^(r_1)(一個新級數),此處對數總會出現。情形三,兩根相差一個正整數(r_1 - r_2 為正整數):較大的根 r_1 總給出乾淨的級數;較小的根可能給出一個獨立級數,或者遞迴可能崩潰而迫使出現對數項 y_2 = c y_1 ln(x) + x^(r_2)(級數),其中常數 c 可能恰為零(則無對數)或不為零(則有對數)。

為何要記住這套分類?因為它省去你白費的力氣:在情形二與三中,你不可單純期待兩個平凡級數,而要主動把 ln(x) 項建進去(常透過降階法,或對 r 微分)。這正是整數階貝索函數取得其對數型「第二類」夥伴之處。情形的區分,是「找到完整通解」與「只拿到一半便卡住」之間的差別。

階 nu = 1/2 的貝索方程有根 r = +1/2 與 r = -1/2,相差 1,是正整數,故為情形三。此處結局良性:兩根都給出獨立級數(J_(1/2) 與 J_(-1/2),即 sin 與 cos 除以 sqrt(x)),不需對數。但階 nu = 0 給出二重根 r = 0(情形二),那裡第二個解 Y_0 確實帶有一個 ln(x)。

情形三(整數差)是棘手的那個,對數可能出現也可能不出現;你必須算出常數 c 才知道是哪一種。

常見的錯誤是以為只要根差為整數(或相等)就必有對數。在情形三有時並沒有,唯有計算遞迴係數才能定奪;只有情形二(相等根)保證有對數。

又稱
Frobenius casesthe second-solution cases弗羅貝尼烏斯三情形第二解的情形