級數解與特殊函數

奇點(singular point)

如果說常點是安全的展開之處,那麼奇點就是要提防的地方,那裡方程的係數行為失常,普通冪級數法可能崩潰。奇點與其說是要避開的麻煩,不如說是要敬重的特徵:物理系統最有趣的行為,往往就坐落在奇點上,例如振動薄膜被釘住之處、原子的中心、透鏡的邊緣。

其定義不過是常點性質的失效。把方程化為標準形式 y'' + P(x) y' + Q(x) y = 0。若 P(x) 或 Q(x) 在 x0 處不解析(通常是其中之一在 x0 爆掉,發生在原最高階係數的零點),則 x0 是奇點。例如貝索方程 x^2 y'' + x y' + (x^2 - nu^2) y = 0,除以 x^2 後係數 P = 1/x、Q = (x^2 - nu^2)/x^2,兩者在 x = 0 都奇異;所以 x = 0 是貝索方程的奇點,而那恰是物理學家最在意的那一點。

奇點分成兩種,決定方程在那裡有多難解:正則奇點,其爆掉的程度溫和,弗羅貝尼烏斯法能救你;以及非正則奇點,其爆掉嚴重,連弗羅貝尼烏斯法都可能失效。認出一個點是奇點,就是停止伸手去拿普通配方的信號,並在繼續之前先把奇點分類。

勒讓德方程 (1 - x^2) y'' - 2x y' + l(l+1) y = 0 的最高階係數 (1 - x^2) 在 x = 1 與 x = -1 處為零。整除後 P = -2x/(1-x^2) 在那裡爆掉,故 x = 1 與 x = -1 是奇點,即球的兩極,正是勒讓德多項式著名地保持有限之處。

奇點落在最高階係數的零點上,而那些通常正是具物理意義的位置,例如球的兩極。

並非每個奇點都是災難:許多是「正則」的,能給出完全良好(只是更繁複)的解。「奇」字標示的是困難,而非無望。

又稱
singularity奇異點