級數解與特殊函數

指標方程(indicial equation)

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當你在正則奇點處發動弗羅貝尼烏斯級數 y = x^r (a_0 + a_1 x + ...) 時,方程最先回給你的不是係數,而是領頭指數 r 的容許值。指標方程就是那位守門人:一個小小的代數方程(通常是 r 的簡單二次式),其根便是一個有效弗羅貝尼烏斯解可以起頭的指數 r。它對奇點所扮演的角色,正如特徵方程對常係數方程所扮演的:一點代數,就解開了解的形式。

它如何出現,一步步說。你把弗羅貝尼烏斯級數代入 y'' + P(x) y' + Q(x) y = 0(帶領頭因子的形式)。由於 a_0 不為零,x 的最低冪次(即 x^(r - 2) 或不論最低的是什麼)必須單獨地係數為零,而那係數是 a_0 乘以一個 r 的多項式。令該多項式為零,便得指標方程。在乾淨的標準形式中,若寫 x^2 y'' + x p(x) y' + q(x) y = 0,並令 p_0 = p(0)、q_0 = q(0),則指標方程為 r(r - 1) + p_0 r + q_0 = 0,一個二次式,有兩個根 r_1 與 r_2。

那兩個根便是接下來整齣戲的劇情。它們告訴你每個解在奇點附近的領頭行為,是保持有限、爆掉、還是帶上一個分數冪,而且至關重要的是,差 r_1 - r_2 決定你落入三種弗羅貝尼烏斯情形中的哪一種,包括第二個解裡是否必須出現一個對數。先讀指標根,它們預告了一切。

貝索方程 x^2 y'' + x y' + (x^2 - nu^2) y = 0 有 p_0 = 1、q_0 = -nu^2(取自常數項),故指標方程為 r(r-1) + r - nu^2 = r^2 - nu^2 = 0,得根 r = +nu 與 r = -nu。這兩個根 +-nu 恰是兩個貝索解的階。

只有(適當縮放後)係數的常數項 p_0、q_0 進入指標方程,級數的其餘部分不影響指數。

指標方程只依賴係數在奇點處的值,不依賴其完整泰勒展開,因此能迅速讀出,但它只告訴你領頭指數,絕非整個解。

又稱
indicial polynomial指數方程決定方程