級數解與特殊函數

正則奇點(regular singular point)

在奇點當中有一種寬容的類型。在正則奇點處係數確實爆掉,所以它真的是奇點,但只是溫和地爆,慢到讓一個略加修改的級數仍然管用。這正是那條精確的分界線,決定弗羅貝尼烏斯法是否能救你(在正則奇點處能救)還是你陷入了更深的麻煩(非正則奇點)。

判斷的方法在此,而且是機械式的。把方程化為標準形式 y'' + P(x) y' + Q(x) y = 0,看一個奇點 x0。作出兩個量 (x - x0) P(x) 與 (x - x0)^2 Q(x)。若兩者在 x0 處皆解析,也就是 (x - x0) 這個因子足以抵消 P 的爆掉,而 (x - x0)^2 足以抵消 Q 的爆掉,那麼 x0 就是正則奇點。直覺是:P 爆掉的程度不得壞於 1/(x - x0),Q 不得壞於 1/(x - x0)^2。貝索方程在 x = 0 處通過此測試:x 乘 (1/x) = 1,x^2 乘 (x^2 - nu^2)/x^2 = x^2 - nu^2,兩者都完全解析。

為何如此講究?因為在正則奇點處,解的樣子像 (x - x0)^r 乘以一個普通冪級數,其中 r 是一個可能為分數甚至為負的指數,由指標方程決定。那溫和的奇性恰好以前頭多出的那個冪 (x - x0)^r 顯現出來。認出正則奇點,就是放行去發動弗羅貝尼烏斯級數、而非平凡泰勒級數的綠燈。

對 2x^2 y'' + 3x y' - (x + 1) y = 0,標準形式給出 P = 3/(2x)、Q = -(x+1)/(2x^2),兩者在 x = 0 奇異。檢驗:x P = 3/2(解析)、x^2 Q = -(x+1)/2(解析)。兩者皆過關,故 x = 0 是正則奇點,弗羅貝尼烏斯法適用。

因子 (x - x0) 與 (x - x0)^2 必須分別完全抵消 P 與 Q 的爆掉;若做到,該點即為正則奇點。

兩個條件必須同時成立。若 (x - x0) P 沒問題、但 (x - x0)^2 Q 仍爆掉(或反之),該點即為非正則奇點,弗羅貝尼烏斯法不保證有效。

又稱
RSP正規奇點