級數解與特殊函數

常點(ordinary point)

在你決定要圍繞某個位置 x0 建造冪級數解之前,值得先問一句:這裡是不是一個「安全」的展開點?答案取決於方程的係數在那裡的表現。常點就是一個安全的地方,在那裡係數的性質夠好,普通的泰勒級數解保證存在且收斂。

把它說精確。把方程寫成標準形式 y'' + P(x) y' + Q(x) y = 0,先整除使最高階係數為 1。若 P(x) 與 Q(x) 在 x0 處皆為解析(analytic),則 x0 是常點,所謂解析即各自在該處由收斂冪級數給出;對常見的有理係數而言,這就只是說兩者在 x0 處都不爆掉(沒有除以零)。例如在 y'' + x y' + (x^2 + 1) y = 0 中,每一點都是常點,因為係數是多項式,從不出問題。在常點處你可以放心設 y = a_n (x - x0)^n 之和,並知道存在兩個獨立的級數解,帶著預期的自由常數 a_0 與 a_1。

與之相對的是奇點,那裡 P 或 Q 會爆掉;在那裡普通方法可能失效,你得動用更重型的弗羅貝尼烏斯法。實用上的好處是:事先找出常點(與奇點)能精確告訴你哪裡可以展開,並且透過最近的奇點告訴你所得級數能收斂多遠。

在 (x^2 - 1) y'' + 2x y' - 6 y = 0 中,除以 (x^2 - 1) 得 P = 2x/(x^2-1)、Q = -6/(x^2-1)。它們只在 x = 1 與 x = -1 處爆掉,因此其餘每一點(特別是 x0 = 0)都是常點,你可在那裡安全展開。

務必先化為標準形式:常點與否,是依 P 與 Q 判斷,而非依原始的最高階係數。

凡是最高階係數為零之處(如上面的 x = 1)都自動可疑,但你必須在整除之後檢查 P 與 Q,而非看原方程,因為麻煩藏在那些比值裡。

又称
regular point正常點