幂级数解方程(偏微分方程)
高等数学(四)12-函数的幂级数展开式的应用-微分方程的幂级数解法、欧拉公式
n
n!
绝对收敛,
因此级数 1 zn 在整个复平面上是绝对收敛的.
n0 n! ez
1 xn ex
n0 n!
定义 ez 1 z 1 z2 1 zn
2!
n!
当 x 0 时， z 为纯虚数 yi ，
( z )
e yi 1 yi 1 ( yi)2 1 ( yi)3 1 ( yi)n
n2
n2
2a2
3
2a3 x
(4
3a4
1)x 2
(5
4a
a
)x 3
5
2
(6 5a a )x4 63
(n 2)(n 1)an2 an1 xn+
0. y xy 0
a2 0 , a3 0 , a4
1 43
,
a5
0
,
a6
0
,
,
一般地
an 2
(n
an1 2)(n
1)
(n 3, 4,
un
u2 n
vn2
,
vn
u2 n
vn2
(
n 1, 2,
)
则级数 un 、 vn 绝对收敛，
n1
n1
从而级数 (un vni) 绝对收敛.
n1
复数项级数 1 z 1 z2 1 zn (z x yi) ,
2!
n!
1
x2 y2 1
x2 y2
2
2!
1
x2 y2
2!
3!
n!
1 yi 1 y2 1 y3i 1 y4 1 y5i 2 3! 4! 5!
(1 1 y2 1 y4 ) (y 1 y3 1 y5 )i
偏微分方程的精确解及taylor级数解
大连理工大学硕士学位论文偏微分方程的精确解及Taylor级数解姓名：***申请学位级别：硕士专业：计算数学指导教师：***20040601摘要本文以计算机代数和导师张鸿庆教授的“ＡＣ＝ＢＤ”理论为工具，以构造机械化算法为目的，以源于物理，力学，光学等领域中的非线性问题所对应的非线性偏微分代数方程（组）为研究对象，研究了它们的一些问题，如精确解（孤子解，周期解），Ｋｉｃｃａｔｉ方程展开法，微分代数及Ｔａｙｌｏｒ级数解。
第一章介绍了孤立予理论，计算机代数，数学机械化等学科的起源和发展，以及国内外学者在这些方面所做的工作和一些所取得的成就。
第二章以“ＡＣ＝ＢＤ”的理论模式为指导，考虑了非线性偏微分方程（组）的精确解的构造，给出了“ＡＣ＝ＢＤ”理论的基本思想，Ｃ—Ｄ可积理论在微分方程求解中的应用，然后通过具体的变换给出了构造Ｃ—Ｄ对的算法。
第三章基于非线性发展方程求解，代数化，算法化，机械化的指导思想，运用吴方法和符号计算为工具，考虑了非线性发展方程精确解的构造，提出了射影Ｐｄｃｃａｔｉ方程展开法，并将其应用到求解二维广义Ｂｕｒｇｅｒｓ方程及耦合ＭＫｄＶ—ＫｄＶ方程中。
第四章介绍了微分代数的基础知识，并讨论了偏微分代数方程的Ｔａｙｌｏｌ一级数解。
在特征集的基础上，讨论了其参数导数构成的状况，并给出算法。
关键词：偏微分代数方程；精确解；数学机械化；射影Ｒｉｃｃａｔｉ方程展开法；Ｔａｙｌｏｒ级数解。
ＡｂｓｔｒａｃｔＩｎｔｈｉｓｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ，ｔｈｅｎｏｎｌｉｎｅａｒｐａｒｔｉａｌｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌａｌｇｅｂｒａｉｃｅｑｕａｔｉｏｎｏｒｅｑｕａｔｉｏｎｓ（ＰＤＡＥｏｒＰＤＡＥｓ）ｒｅｌａｔｅｄｔｏｓｏｍｅｎｏｎｌｉｎｅａｒｔｏｐｉｃｓｗｈｉｃｈｏｒｉｇｉｎｆｒｏｍｐｈｙｓｉｃｓ，ｍｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄｏｐｔｉｃｓｅｔａｌａｒｅｓｔｕｄｉｅｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｅｘａｃｔｓｏｌｕｔｉｏｎｓ（ｓｏｌｉｔｏｎｓｏｌｕｔｉｏｎｓ，ｐｅｒｉｏｄｉｃｓｏｌｕｔｉｏｎ），ｔｈｅｐｒｏｊｅｃｔｉｖｅＲｉｃｃａｔｉｅｑｕａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄａｎｄＴａｙｌｏｒｓｅｒｉｅｓｓｏｌｕｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅｃｏｍｐｕｔｅｒａｌｇｅｂｒａａｎｄｔｈｅ“ＡＣ＝ＢＤ’’ｍｏｄｅｌｏｆＰｒｏｆｅｓｓｏｒＺｈａｎｇＨｏｎｇｑｉｎｇａｒｅｅｍｐｌｏｙｅｄａｓｔｈｅｔｏｏｌｓｔｏｄｅａｌｗｉｔｌｌｔｈｉｓｐｒｏｂｌｅｍＣｈａｐｔｅｒ１ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｏｒｉｇｉｎａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｓｅｖｅｒａｌｓｕｂｊｅｃｔｓｒｅｌａｔｅｄｔｏｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｓｕｃｈａｓｔｈｅｓｏｌｉｔｏｎｔｈｅｏｒｙ，ｃｏｍｐｕｔｅｒａｌｇｅｂｒａ，ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓｍｅｃｈａｎｉｚａｔｉｏｎＴｈｅｍａｉｎｗｏｒｋｓａｎｄａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｓｔｈａｔｈａｖｅｂｅｅｎｏｂｔａｉｎｅｄａｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｃｈａｐｔｅｒ２ｃｏｎｓｉｄｅｒｓｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｅｘａｃｔｓｏｌｕｔｉｏｎｓｏｆｐａｒｔｉａｌｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｅｑｕａｔｉｏｎｓ（ＰＤＥｓ）ｕｎｄｅｒｔｈｅｇｕｉｄａｎｃｅｏｆｔｈｅｔｈｅｏｒｙｏｆ“ＡＣ＝ＢＤ”Ｔｈｅｂａｓｉｃｔｈｅｏｒｙｐｆ“ＡＣ＝ＢＤ”ａｎｄｔｈｅａｌｇｏｒｉｔｈｍｔｏｃｏｎｓｔｒｕｃｔｔｈｅＣ—ＤｐａｉｒａｒｅｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｄｔｈｒｏＬＩｇｈｓｏｍｅｃｏｎｃｒｅｔｅｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｓ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｉｄｅａｓｏｆａｌｇｅｂｒａｉｃｍｅｔｈｏｄ，ａｌｇｏｒｉｔｈｍｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ，ａｎｄｍｅｃｈａｎｉｚａｔｉｏｎｆｏｒｓｏｌｖｉｎｇｎｏｎｌｉｎｅａｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎｅｑｕａｔｉｏｎｓ，Ｃｈａｐｔｅｒ３ｄｅａｌｓｗｉｔｈｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｅｘａｃｔｓｏｌｕｔｉｏｎｓｆｏｒｎｏｎｌｉｎｅａｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎｅｑｕａｔｉｏｎｓｂｙｕｓｅｏｆＷｕ—ｍｅｔｈｏｄａｎｄｓｙｍｂｏｌｉｃｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ．ＴｈｅｐｒｏｊｅｃｔｉｖｅＲｉｃｃａｔｉｅｑｕａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｉｓｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄｔｏｏｂｔａｉｎｓｏｍｅｎｅｗｅｘａｃｔｓｏｌｕｔｉｏｎｓｆｏｒｔｗｏ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄＢｕｒｇｅｒｓｅｑｕａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｃｏｕｐｌｅｄＭＫｄｖ—ＫｄＶｅｑｕａｔｉｏｎｓ．Ｃｈａｐｔｅｒ４ｉｓｄｅｖｏｔｅｄｔｏｓｔｕｄｙｉｎｇｔｈｅＴａｙｌｏｒｓｅｒｉｅｓｓｏｌｕｔｉｏｎｓ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｅｔ，ｔｈｅｃａｓｅｏｆｉｎｆｉｎｉｔｙｐａｒａｍｅｔｅｒｓｉｓｄｅｓｃｒｉｂｅｄｂｙｕｓｉｎｇｏｆｆｉｎｉｔｅｖａｌｕｅａｎｄｆｕｎｃｔｉｏｎｓ．ＴｈｅｓｉｔｕａｔｉｏｎｏｆｌｉｎｅａｒＰＤＡＥｓｉＳｅｘｔｅｎｄｅｄｔｏｔｈｅｎｏｎ／ｉｎｅａｒＰＤＡＥｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐａｒｔｉａｌｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌａｌｇｅｂｒａｉｃｅｑｕａｔｉｏｎ；ｅｘａｃｔｓｏｈｉｆｉｏｎ；Ｔａｙｌｏｒｓｅｒｉｅｓｓｏｌｕｔｉｏｎ；Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓｍｅｃｈａｎｉｚａｔｉｏｎ；ｐｒｏｊｅｃｔｉｖｅＩｕｃｃａｔｉｅｑｕａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ大连理工大学硕士学位论文第一章绪论本文以物理，力学，光学等领域的线性和非线性问题所对应的线性和非线性微分代数方程（组）为研究对象，以计算机代数（符号计算）为工具，研究了其精确解，可积性等问题。
形式幂级数的基础理论和应用
形式幂级数的基础理论和应用形式幂级数是现代数学基础理论中的一个重要分支，是研究无穷级数的一个重要手段。
本文将从形式幂级数的定义、性质等方面来探讨其基础理论和应用。
一、形式幂级数的定义与基本性质形式幂级数指的是由一系列形如$a_n x^n$的项所组成的级数，其中$x$为未定元，系数$a_n$可以取任意实数或复数。
例如：$$f(x)=\sum_{n=0}^{\infty} a_n x^n=a_0+a_1 x+a_2 x^2+...+a_n x^n+... (a_n\in \mathbb{C})$$其中$f(x)$为形式幂级数，如果其中某一项$a_nx^n=a_mx^m(m\neq n)$，则称其为一项余项。
形式幂级数不是函数，只是一个由一系列项组成的形式化级数。
针对形式幂级数，有一些基本性质：1. 形式幂级数的加法运算：设$f(x)=\sum_{n=0}^{\infty}a_n x^n,g(x)=\sum_{n=0}^{\infty} b_n x^n$，则它们之和为:$$f(x)+g(x)=\sum_{n=0}^{\infty}(a_n+b_n)x^n$$2. 形式幂级数的乘法运算：设$f(x)=\sum_{n=0}^{\infty}a_n x^n,g(x)=\sum_{n=0}^{\infty} b_n x^n$，则它们的乘积为:$$f(x) \cdot g(x)=\sum_{n=0}^{\infty}c_n x^n$$其中:$$c_n=\sum_{k=0}^n a_k b_{n-k}$$3. 形式幂级数的复合运算：设$f(x) =\sum_{n=0}^{\infty} a_n x^n,g(x)=\sum_{n=0}^{\infty}b_n x^n$，则它们的复合为：$$f(g(x))=\sum_{n=0}^{\infty} a_n g^n(x)$$其中$a_n g^n(x)$表示对于形式幂级数$g(x)$，将其代入到 $a_n x^n$ 中，再对一系列项进行求和。
高等数学 第十一节 微分方程的幂级数解法
y = c1 cos ( 25 π g / m t ) + c2 sin ( 25 π g / m t )
y = c cos ( 25 π g/ m t ) +c2 sin ( 25 π g/ m t ) 1
2π y ( t ) 的周期 T = , 25 π g / m
已知 T = 2 ( 秒 ) .
其中 a0 , a1 是两个任意常数 ,
y 是 Legendre 方程的通解 , 幂级数在 ( − 1 , + 1 ) 内收敛 .
9
P 310 Ex 12 − 8
3,4,5.
3 . 一个单位质量的质点在数轴上运动 , 开始时质点在原点 O
的大小与质点到原点的距离成正比 ( 比例系数 k1 > 0 ) 而方
2 k k 2 + 4 k1 2 − − 2 t 2
(1 ) (2)
∴
x = c1 e
+ c2 e
.
x(0) = 0 ⇒ c +c2 = 0 , 1
c2 = − c . 1
2 2 k2 k 2 + 4 k1 k 2 + 4 k1 k2 t − t− t − 2 t+ 2 2 x = c1 e −e 2 2 2 k 2 + 4 k1 k 2 k 2 + 4 k1 k2 2 − t t − t − t k2 + 4k1 2 = c1 e 2 e 2 −e = 2 c1 e 2 sh t 2 11
由(4) 得 a0 = 0 , a1 = 1 .
( x0 =0)
y′′ = 2 a2 + 6 a3 x + 12 a 4 x 2 +⋯+ n( n − 1) an x n −2 + ⋯⋯
微分方程的基本解法
微分方程的基本解法及其应用微分方程是数学学科中的一个重要分支，主要研究函数及其导数之间的关系。
通过微分方程，我们可以描述许多自然现象的变化规律，如物体的运动、流体的流动、电路的分析等。
因此，掌握微分方程的解法对于解决实际问题具有重要意义。
一、微分方程的分类微分方程按照其含有的未知函数的最高阶导数的次数可以分为线性微分方程和非线性微分方程。
线性微分方程中的未知函数及其导数的次数都是一次，而非线性微分方程中至少有一个未知函数或其导数的次数是二次或更高。
二、微分方程的基本解法1. 分离变量法分离变量法是求解一阶线性微分方程的一种常用方法。
其基本思想是通过将方程中的未知函数和其导数分离到方程的两边，然后对方程进行积分，从而求出未知函数。
这种方法的优点是步骤简单，易于操作。
2. 变量代换法对于某些非线性微分方程，我们可以通过变量代换将其转化为线性微分方程，从而简化求解过程。
变量代换法的关键在于选择合适的代换变量，使得原方程在新的变量下呈现出线性关系。
3. 常数变易法常数变易法是一种求解一阶非齐次线性微分方程的方法。
其基本思想是将非齐次项看作一个已知的函数，然后将原方程转化为一个关于未知函数的线性微分方程。
这种方法的关键在于利用线性微分方程的叠加原理，将非齐次项的影响分离出来。
4. 积分因子法积分因子法是一种求解一阶线性微分方程的方法，特别适用于当方程中的系数不是常数而是关于x的函数时的情况。
其基本思想是通过引入一个积分因子，使得原方程的系数变为常数，从而简化求解过程。
积分因子的选择依赖于原方程的系数。
5. 特征线法（对于一阶偏微分方程）特征线法是一种求解一阶偏微分方程的方法。
它基于物理直觉，将偏微分方程视为描述某种物理过程的数学模型。
通过找到这些过程的“特征线”，即满足方程的一组曲线，我们可以简化问题并找到解。
6.幂级数法（对于高阶微分方程）幂级数法是一种求解高阶微分方程的方法，特别适用于当方程的解在某一点附近可以表示为一个幂级数时的情况。
微分方程的幂级数解法
dy 例如 = x2 + y2, dx
解不能用初等函数或其积分式表达. 寻求近似解法: 幂级数解法; 卡比逐次逼近法; 数值解法.
dy = f ( x, y) 特解求法 二、 dx
dy 问题 求 = f ( x , y ) 满足 y dx
x = x0
∞
n
∞
n −1
∞
n= 0
n=0
n [( n + 2 )( n + 1 ) a − ( n + 1 ) a ] x ≡ 0, ∑ n+ 2 n n=0
a n+ 2
an = , n+ 2
n = 0,1,2,L
a0 a0 a2 = , a4 = , 8 2
a1 a3 = , 3 a1 a5 = , 15
∴ 方程组通解为
x = α 3C1e − αt − α 3C 2e αt − β 3C 3 cos β t 3 t C sin t 2 e + β β − 4 − αt αt t y C e C e C cos t C sin t e = + + β + β + 1 2 3 4
(n) ( n −1 ) y + a y + L + a n −1 y ′ + a n y = f ( x ) 例如， 1
用记号 D 可表示为
( D + a1 D
n
n −1
+ L + a n −1 D + a n ) y = f ( x )
注意:
D n + a1 D n−1 + L + a n−1 D + a n 是 D 的多项式
幂级数解法
幂级数解法在数学中，幂级数解法是指将一类复杂的数学问题转化成一系列的简单的计算问题，从而解决复杂问题的数学方法。
它可以通过计算把一个一般性函数表示成一系列的均匀分布参数，从而用最简单、最全面的方法解决复杂问题，它在数学与物理等科学领域有着重要的应用。
幂级数解法是根据数学定义来有效处理复杂问题的方法。
它可以将一个复杂函数分解为一系列简单的函数，每一步都能够获得有效的计算结果。
它一般分为几步：第一步，将函数的定义矩阵按顺序排列，然后将每行参数和每列参数的乘积累加计算，从而得出函数的一阶导数值；第二步，根据一阶导数的变化规律，分别计算出二阶的导数值和三阶的导数值，以此类推；第三步，从每一阶导数中求出函数的幂级数系数，以及它们之间的关系；第四步，根据计算出的系数和关系，将函数表示成一系列的幂级数，从而实现函数的幂级数分解。
幂级数解法不仅可以实现复杂函数的分解，而且可以计算出函数的在某些特定点的取值。
它的优点是可以很完整地分析复杂函数的变化趋势，可以根据系数和关系，对复杂的函数进行完整的分析，用最全面的方法来解决复杂问题。
幂级数解法在数学、统计学、物理学、工程学等学科领域有着广泛的应用。
它可以用来分析函数随时间变化的规律，可以用来计算非常复杂的多项式函数，也可以用来研究特殊的解析数学问题。
例如，在统计学中，幂级数解法可以用来求解偏差方程，从而确定特定数据集的参数估计；在工程学中，幂级数解法可以用来近似计算复杂的几何图形的变化趋势；在物理学中，幂级数解法可以用来解决模拟电路、混沌系统等问题；在地理学中，幂级数解法可以用来表示地形。
总之，幂级数解法是一种通过计算实现复杂问题分解的数学方法，它不仅能帮助我们解决数学问题，而且还能为科学研究带来全新的思路和刺激。
只要加以运用，就可以迅速发现解决各种复杂问题的有效方法，并使我们更加深入地了解各种问题的发展趋势。
12微分方程的幂级数解法
y a1 2a2 x1 3a3 x2 nan xn1 ,
将 y, y 的幂级数展开式带入原方程
a1 2a2 x 3a3 x2 4a4 x3 x (a1x a2 x2 a3 x3 a4 x4 )2
x a12 x2 2a1a2 x3 (a22 2a1a3 )x4
假设所求特解可展开为x x0的幂级数,
y y0 a1( x x0 ) a2 ( x x0 )2 其中a1 ,a2 ,,an ,为待定的系数.
例1
求 dy dx
x
y2
满足y
|x0
0的特解.
解 x0 0， y0 0,
设 y a1 x a2 x2 a3 x3 an xn ,
解 设方程的解为 y an xn ,
n0
则 y nan x n1 ,
n0
y n(n 1)an xn2 (n 2)(n 1)an2 xn ,
n1
n0
将 y, y, y 带入 y xy y 0,
(n
2)(n
1)an2
x n
x
nan xn1
an
xn
0,
n0
n0
n0
[(n 2)(n 1)an2 (n 1)an ]xn 0,
比较恒等式两端x的同次幂的系数, 得
a1
0,
a2
1, 2
a3
0,
a4
0,
a5
1 , , 20
所求解为 y 1 x2 1 x5 . 2 20
小结: 无初始条件求解
可设 y C an xn
ห้องสมุดไป่ตู้n1
(C是任意常数)
三、二阶齐次线性方程幂级数求法
定理 如果方程 y P( x) y Q( x) y 0中的系数
微分方程幂级数解法
∑ ∞
∞
∑ (n + 2)(n + 1)an+2 x n− x ∑ nan x n−1−
∞
an xn
= 0,
n=0
n=0
n=0
∞
∑[(n + 2)(n + 1)an+2 − (n + 1)an ]x n ≡ 0,
n=0
an+2
=
an , n+2
n = 0,1,2,L
a2
=
a0 2
,
a3
=
a1 3
,
L a4
=
a0 8
,
L a5
=
a1 , 15
a2k
=
a0 k! 2k
,
a 2 k +1
=
a1 , (2k + 1)!!
原方程的通解
k = 1,2,3,L
∑ ∑ y
=
a0
∞ n=0
x2n 2n n!
+
a1
∞ n=0
x 2n+1 (2n + 1)!!
(a0 ,a1是任意常数)
四、小结
一阶方程
作降 变阶 换
高阶方程
微分方程解题思路
作变换
分离变量法
积分因子
全微分方程
程
特征方程法
幂级数解法
待定系数法
思考题
什么情况下采用“幂级数”解法求解 微分方程？
思考题解答
当微分方程的解不能用初等函数或其积分 表达时, 常用幂级数解法.
练习题
一、试用幂级数求下列各微分方程的解:
比较恒等式两端x的同次幂的系数, 得
幂级数展开的微分方程法
幂级数展开的微分方程法随着科学技术的不断进步，微分方程作为一种重要的数学工具被广泛应用于各个领域。
在解决微分方程时，一种常见的方法是通过幂级数展开来得到近似解。
本文将介绍幂级数展开的微分方程法，并结合实例进行详细说明。
一、幂级数展开的基本概念幂级数是一种形式为∑anxn的级数，其中an是常数，x是变量。
幂级数在数学中有着广泛的应用，如在微积分、常微分方程、偏微分方程、复分析等领域中都有重要的作用。
幂级数展开是指将一个函数表示成幂级数的形式。
例如，f(x)可以表示为：f(x) = ∑anxn幂级数展开的应用范围很广，其中一项就是在求解微分方程时使用。
二、幂级数展开的微分方程法当我们遇到一些微分方程难以求解时，可以尝试使用幂级数展开的方法来得到近似解。
具体步骤如下：1. 假设所求解的函数可以表示成一个幂级数。
2. 将所得到的幂级数代入微分方程中，得到一个关于幂级数系数的递推关系式。
3. 利用递推关系式求出幂级数系数，从而得到所求解的函数。
下面通过一个具体的实例来说明幂级数展开的微分方程法。
例1 求解微分方程y'' + y = 0解：假设所求解的函数可以表示成一个幂级数，即：y(x) = ∑anxn将y(x)代入微分方程中，得到：∑n(n-1)anxn-2 + ∑anxn = 0对于幂级数展开中的每一项，都有：n(n-1)an + an = 0解得：an = (-1)n/(n!)因此，所求解的函数为：y(x) = ∑(-1)n/(n!)xn这就是微分方程y'' + y = 0的解。
三、幂级数展开的优缺点幂级数展开的方法在解决微分方程时具有以下优点：1. 可以得到近似解，在一定程度上可以满足实际需求。
2. 可以处理一些常规方法难以解决的微分方程。
然而，幂级数展开的方法也存在一些缺点：1. 幂级数展开只能得到一定精度的近似解，无法得到精确解。
2. 幂级数展开的计算量较大，需要耗费较多的时间和精力。
微分方程的幂级数解法
求
了 = P (X, y)
、y x=Xo = y 0 的解，其中
P (x, y ) = + aoo aio( x - xo)+aoi( y - y°)+…+aim(x - xo)1 (y - y°)m 设 y = yo + b1(x—xo)+b2( x—xo)2 H—F bn (x—xo)) H—, 代入方程确定系数 402,…,与
n+1
故所求得解为：
y = 1 x 2 + 丄 x5 + 丄 x8 + ….
> 2 20 160
■二、二阶变系数齐次方程—
问题：求方程y" + p(x)y + q(x)y = 0的解.
结论：若p(x)与q(x)在区间(-A,R)内可快展开为
x的幕级数，则方程在(-R, R)内公有形如
的解.
8
y =£bnXn n=0
例1求方程y - x+y2满足y\x=o = 0的解・ 解 设 y =
+ b]x + bxx + •—卜 bnx" + —. 由于y|x=0 = 0 ,则b0 = 0.从而 y = b] x + b? x + • —
+ bn xn + ,—.
代入方程得：
b + 2b? x + 3b^ x 七 + 4b^ x' + 5b^ x" + —
—x + (b] x + b? x2 + • —+ bnxn + —)2 =x + b] x + 2b] b? x + (b； + 2b] b^ ) x" +
偏微分方程的几种经典解法
偏微分方程的几种经典解法经过一个学期偏微分方程课程的学习,我们掌握了几种求解三种典型方程的方法,如分离变量法、行波法、特征函数展开法、求解非齐次方程的Duhanmel 原理灯,此外,我们通过学习还掌握了求解波动方程的'D Alembert 公式,求解位势方程的Green 公式等等.这些经典方法的综合运用可以求解很多初等偏微分方程,故而是基本而重要的.本文着重总结了偏微分方程的几种经典解法,一次介绍了分离变量法、行波法、幂级数解法、Fourier 变换法以及Green 函数法,通过对典型方程的研究,深入理解集中经典方法.1.分离变量法分离变量法：基本思想是设法把偏微分方程的问题转化为解常微分方程的问题.1.1第一初边值问题例：利用分离变量法求解下述问题(非齐次0边值双曲方程)2222sin 2cos 2,u ux t t x ∂∂-=∂∂ 0,0x t π<<> (1.1) (0,)(,)0,u t u t π== 0t > (1.2) (,0)sin ,u x x =0x π<< (1.3)(,0)sin 2,ux x t∂=∂ 0x π<< (1.4) 解：用分离变量法求问题(1.1)—(1.4)的形式解.设该问题有如下形式的非零解(,)()()u x t X x T t = (1.5)方程(1.1)对应的齐次方程为22220,u ut x∂∂-=∂∂0,0x t π<<> (1.6) 将(1.5)式代入方程(1.6)得""()()()(),X x T t X x T t =0,0x t π<<>即""()()()()X x T t X x T t λ∆==- (1.7) 其中λ为固定常数,下面证明0λ>. 由(1.7)有"()()0,X x X x λ+=上式两端同乘()X x ,并在(0,)π上积分,得"20()()()0,X x X x dx X x dx ππλ+=⎰⎰注意到由(1.2)和(1.5)有(0)()0,X X π==所以有'220()()X x dx X x dx ππλ=⎰⎰易见0λ>.所以(1.2)—(1.6)可以化为如下形式的两个常微分问题,即()()"()()0,1(0)()0,2X x X x X X λπ⎧+=⎪⎨==⎪⎩ 以及由"()()0T t T t λ+=和适当的定解条件确定的关于()T t 的常微分问题. 求解问题(1).根据常微分方程的理论可知,问题(1)的通解为().X x A B =+将其带入(0)0,X =得0A =.再将()X x B =带入()0X π=,得2,1,2,3,n n n λ==特征值2n n λ=相应的特征函数为()sin ,1,2,n X x nx n == (1.8)注意到{}1()n n X x ∞=是一个直交系统,即0,,()(),,2m n m n X x X x dx m n ππ≠⎧⎪=⎨=⎪⎩⎰这表明{}1()n n X x ∞=正规化后是2((0,))L π的一个基底.将问题(1.1)—(1.4)中的非齐次项和初值按{}1()n n X x ∞=展开,得1sin 2cos 2()sin ,n n x t f t nx ∞==∑ 0,0x t π≤≤≥1sin sin ,n n x a nx ∞==∑ 0,x π≤≤1sin 2sin ,n n x b nx ∞==∑ 0,x π≤≤其中0,1()cos 2,20,0,3n n f t t n t n =⎧⎪==≥⎨⎪≥⎩ 1,10,2n n a n =⎧=⎨≥⎩,0,11,20,3n n b n n =⎧⎪==⎨⎪≥⎩设1(,)()()n n n u x t X x T t ∞==∑, 0,0x t π≤≤≥ (1.9)是问题(1.1)—(1.4)的形式解,将上式代入(1.1)—(1.4)可得,()n T t 是如下常微分方程初值问题的解,"'()()(),0(0),(0),n n n n n n n n T t T t f t t T a T b λ⎧+=>⎪=⎨⎪=⎩,其中1,2,n = . 求解问题(2).当1n =时,问题(2)转化为求常微分问题"11'11()()0,(0)0,(0)1,T t T t T T ⎧+=⎪=⎨⎪=⎩ (3) 有常微分方程理论可知,问题(3)的通解为112()cos sin T t c t c t =+.将其代入1(0)1T =,得11c =.将12()cos sin T t t c t =+代入'1(0)0T =得20c =.故1()cos T t t =. 当2n =时,问题(2)转化为常微分问题"22'22()4()cos 2,(0)1,(0)0,T t T t t T T ⎧+=⎪=⎨⎪=⎩ (4)对应其次方程的特征根为2i α=±,用常微分方程中的算子解法求特解.2(4)cos2,D x t +=故sin 24tx t =.所以问题(4)的通解为212()cos 2sin 2sin 2.4tT t c t c t t =++将其代入2(0)0T =得10c =,将22()sin 2sin 24t T t c t t =+代入'2(0)1T =得212c =,故22()sin 2.4t T t t +=当3n ≥时,问题(2)转化为常微分问题"2'()()0,(0)0,(0)0,n n n nT t n T t T T ⎧+=⎪=⎨⎪=⎩ (5) 由常微分理论可知,问题(5)的通解为12()cos sin ,3,4,n T t c nt c nt n =+= 将其代入(0)0,n T =得10c =.将2()sin n T t c nt =代入'(0)0,n T =得20c =.故()0n T t =. 综上有cos ,1,2()sin 2,2,040,3,n t n t T t t n t n =⎧⎪+⎪==≥⎨⎪≥⎪⎩(1.10)将(1.8)(1.10)代入(1.9)中,得问题(1.1)—(1.4)的形式解为2(,)sin cos sin 2sin 2,4t u x t x t x t +=+ 0,0x t π≤≤≥经检验,该形式解满足原问题及初边值条件,该形式解就是原问题的解. 例：利用分离变量法求解下述问题22220,u ut x ∂∂-=∂∂ 0,0x t π<<> (1.11) (0,)sin ,(,)0,u t t u t π== 0t >, (1.12) (,0)0,u x = 0x π<<, (1.13)(,0),u x x t ππ∂-=∂ 0x π<<, (1.14)解：将上述非零边值问题转化为零边值问题,用变量代换,设(,)u x t 是原问题的解,令(,)(,)sin ,xv x t u x t t ππ-=-0,0x t π≤≤≥. 则(,)v x t 是如下问题的解2222(,),v vf x t t x ∂∂-=∂∂ 0,0x t π<<> (1.15) (0,)(,)0,v t v t π== 0t >, (1.16) (,0)0v x =, 0x π<<, (1.17)(,0)0,vx t∂=∂ 0x π<<, (1.18) 其中(,)sin ,xf x t t ππ-=0,0x t π≤≤≥. 用分离变量法求问题(1.15)—(1.18)的形式解.设该问题有如下形式的形式解(,)()()v x t X x T t =, (1.19)方程(1.15)对应的齐次方程为22220,v vt x∂∂-=∂∂ 0,0x t π<<>, (1.20) 将(1.19)代入方程(1.20)得""()()()(),X x T t X x T t =0,0x t π<<>即""()()()()X x T t X x T t λ∆==- (1.21) 其中λ为固定常数,下面证明0λ>. 由(1.21)有"()()0,X x X x λ+=上式两端同乘()X x ,并在(0,)π上积分,得"20()()()0,X x X x dx X x dx ππλ+=⎰⎰注意到由(1.16)和(1.19)有(0)()0,X X π==所以有'220()()X x dx X x dx ππλ=⎰⎰易见0λ>.所以(1.16)—(1.18)(1.20)可以化为如下形式的两个常微分问题,即"()()0,(0)()0,X x X x X X λπ⎧+=⎨==⎩ (6) 以及由"()()0T t T t λ+=和适当的定解条件确定的关于()T t 的常微分问题.(7) 求解问题(6).根据常微分方程的理论可知,问题(6)的通解为().X x A B =+将其带入(0)0,X =得0A =.再将()X x B =带入()0X π=,得2,1,2,3,n n n λ==特征值2n n λ=相应的特征函数为()sin ,1,2,n X x nx n == (1.22)注意到{}1()n n X x ∞=是一个直交系统,即0,,()(),,2m n m n X x X x dx m n ππ≠⎧⎪=⎨=⎪⎩⎰这表明{}1()n n X x ∞=正规化后是2((0,))L π的一个基底. 将问题(1.15)—(1.18)的非齐次项按{}1()n n X x ∞=展开,得1sin ()sin ,n n xt f t nx ππ∞=-=∑0,0.x t π≤≤≥ 令sin n xc nx ππ-=,则在其两端同乘sin nx 再在(0,)π上积分,得 200sin sin 2nn x nxdx c nxdx c πππππ-==⎰⎰. 由分部积分,经计算可得2n c n π=.从而2()sin n f t t n π=,0t ≥,1,2,n = . 设1(,)()()n n n v x t X x T t ∞==∑,0,0.x t π≤≤≥是问题(1.15)—(1.18)的形式解,将其带入(1.15)—(1.18)可得,()n T t 是如下常微分问题的解"22()()sin ,n n T t n T t t n π+=0,t > (1.23) (0)0,n T = (1.24) '(0)0,n T = (1.25)其中1,2,n =(1.23)—(1.25)对应的齐次方程的特征根为ni α=±,则通解为()cos sin n n n T t A nt B nt =+.用算子算法求特解,222()()sin n D n T t t n π+=,解得 22sin ()(1)n tT t n n π=-.故该问题的通解为22sin ()cos sin (1)n n n tT t A nt B nt n n π=++-. (1.26)将上式代入(0)0,n T =得0n A =,将22sin ()sin (1)n n tT t B nt n n π=+-代入'(0)0,n T =得222(1)n B n n π-=-,1,2,n = . 故2222sin 2sin ()(1)(1)n nt tT t n n n n ππ-=+--,0,t >1,2,n = . 因此,问题(1.15)—(1.18)的形式解为22212sin 2sin (,)sin (1)(1)n nt t v x t nx n n n n ππ∞=⎛⎫-=+ ⎪--⎝⎭∑,0,0.x t π≤≤≥ (1.27) 考察(1.27)右端级数的收敛性.记2222sin 2sin sin (1)(1)n nt t a nx n n n n ππ⎛⎫-=+ ⎪--⎝⎭,0,0,x t π≤≤≥1,2,n = . 容易验证下列级数均在[0,][0,)π⨯+∞上一致收敛1n n a ∞=∑,1n n a x ∞=∂∂∑,1n n a t ∞=∂∂∑,221n n a x ∞=∂∂∑,221n n a t ∞=∂∂∑,21nn a x t ∞=∂∂∂∑. 经检验,(,)v x t 满足问题(1.15)—(1.18),就是 问题(1.15)—(1.18)解.将(1.27)代入(,)(,)sin xu x t v x t t ππ-=+,0,0,x t π≤≤≥ 得22212sin 2sin (,)sin sin (1)(1)n nt t xu x t nx t n n n n ππππ∞=⎛⎫--=++ ⎪--⎝⎭∑,0,0,x t π≤≤≥ 此即为原问题(1.11)—(1.14)的解.1.2第二初边值问题例：利用分离变量法求解下述问题(抛物型)220,u ut x ∂∂-=∂∂ 01,0x t <<> (1.28) (0,)(1,)0,u u t t x x ∂∂==∂∂ 0,t > (1.29) (,0)cos ,u x x π= 01,x << (1.30)解：用分离变量法求解问题(1.28)—(1.30)的形式解.设该问题有如下形式的非零解(,)()()u x t X x T t = (1.31)将其代入(1.28)有"'()()()()X x T t X x T t λ∆==-,01,0x t <<> (1.32) 其中λ为某一常数,且0λ≥. 由(1.32)有"()()0,X x X x λ+=上式两端同乘()X x ,并在(0,1)上积分,得11"20()()()0,X x X x dx X x dx λ+=⎰⎰注意到由(1.29)和(1.31)有''(0)(1)0,X X ==所以有11'220()()X x dx X x dx λ=⎰⎰易见0λ≥.故(1.28)—(1.30)可化为如下形式的两个常微分问题,即"''()()0,01,(0)(1)0,X x X x x X X λ⎧+=<<⎨==⎩ (8) 和'()()0,0T t T t t λ+=> (9)求解问题(8),当0λ=时,有"()0X x =,''(0)(1)0,X X ==由常微分方程的理论可知,问题(8)的通解为12()X x c c x =+,01x ≤≤.将其代入'(0)0X =,有20c =,故1()X x c =,其中1c 为任意常数. 当0λ>时,由常微分方程的理论可知,问题(8)的通解为12(),X x c c =+ 01x ≤≤将其代入'(0)0X =,则20c =,将1()X x c =代入'(1)0X =,得2()n n λπ=, 1,2,n =特征值n λ对应的特征函数为()cos n X x n x π=,1,2,n = ,01x ≤≤. 所以,对于0λ≥,有()cos n X x n x π=,01x ≤≤, 0,1,2,n =注意到{}1()n n X x ∞=是一个直交系统,即10,,()(),,2m n m n X x X x dx m n π≠⎧⎪=⎨=⎪⎩⎰ 这表明{}1()n n X x ∞=正规化后是2((0,1))L 的一个基底. 下面求解问题(9),将2()n n λπ=代入,可有'22()()0,n n T t n T t π+=0,1,2,n = ,0t ≥.有常微分方程理论可知其通解为223()n t n T t c e π-=, 0,1,2,n = , 0t ≥.此时,形式解为2230(,)()()cos n t n n n n u x t X x T t c n xe ππ∞∞-====∑∑, 01x ≤≤,0t ≥.将其代入(1.30)中,得30(,0)cos cos n u x c n x x ππ∞===∑,01,x <<由比较系数法,可得31,10,1n c n =⎧=⎨≠⎩故问题(1.28)—(1.30)的形式解为2(,)cos t u x t xe ππ-=,01x ≤≤,0t ≥.经检验,该形式解满足原问题(1.28)—(1.30),此即为原问题的解.1.3 Poisson 方程的边值问题分离变量法还适用于某些特殊形状区域上的二维Poisson 方程的各种边值问题,如果所考虑的定解区域是矩形域,那么可以完全仿照前面的方法来求解,只是此时x,y 之一要扮演t 的角色；如果定解区域是圆域或环形域,则应先做极坐标变换将定解问题化为矩形区域上的定解问题,然后利用分离变量法求解. 例:利用分离变量法求解下述问题22222212(),u u x y x y∂∂+=-∂∂ 12,<< (1.33)(,)0,u x y =1,= (1.34)(,)0,ux y υ∂=∂2,= (1.35)其中υ为2{(,)2}x y R ∂∈上的单位外法向量.解：用分离变量法求解问题(1.33)—(1.35)的形式解.首先,通过极坐标变换将环形域上的定解问题化为矩形域上的定解问题,做极 坐标变换cos ,sin ,x y ρθρθ=⎧⎨=⎩ 12,02ρθπ≤≤≤≤, 则(1.33)—(1.35)化为2222221112cos 2,v v vρθρρρρθ∂∂∂++=∂∂∂ 12,02ρθπ<<<<, (1.36) (1,)0,(2,)0,vv θθρ∂==∂ 02θπ<<, (1.37) 其中(,)(cos ,sin )v u ρθρθρθ=,12,02ρθπ≤≤≤≤.注意到在极坐标条件下(,0)ρ与(,2)ρπ表示同一点,故(,)v ρθ还满足如下周期性条件(,0)(,2),(,0)(,2),v v v v ρρπρρπθθ∂∂==∂∂ 12,ρ<< (1.38) 问题(1.36)—(1.38)是一个定解问题. 方程(1.36)对应的齐次方程为22222110,v v vρρρρθ∂∂∂++=∂∂∂ 12,02ρθπ<<<<, (1.39) 设问题对应的形式解为(,)()()v R ρθρθ=ψ,12,02ρθπ≤≤≤≤. (1.40)将(1.40)代入(1.37)中,得"'"211()()()()()()0,R R R ρθρθρθρρψ+ψ+ψ= 12,02ρθπ<<<<即"2"'()()(),()()R R R θρρρρλθρ∆ψ+=-=-ψ12,02ρθπ<<<<, (1.41) 其中λ为固定常数,下面证明0λ≥.由(1.41)有"()()0,θλθψ+ψ= 02θπ<<,在上式两端同乘()θψ,并在(0,2)π上积分,由(1.38)和(1.40)可知''(0)(2),(0)(2),ππψ=ψψ=ψ所以有22'220()(),d d ππθθλθθψ=ψ⎰⎰易见0λ≥.所以问题(1.37)(1.38)(1.40)可化为两个常微分问题,即"''()()0,(0)(2),(0)(2),θλθππ⎧ψ+ψ=⎪⎨ψ=ψψ=ψ⎪⎩ 02θπ<<, (10) 以及2"'()()()0R R R ρρρρλρ+-=和适当定解条件的常微分问题(11)求解问题(10).当0λ=时,有"''()0,(0)(2),(0)(2),θππψ=ψ=ψψ=ψ由常微分方程的理论可知,问题(10)的通解为()A B θθψ=+,02θπ≤≤,代入(0)(2)πψ=ψ得()A θψ=,其中A 为任意实数. 当0λ>时,通解为(),A B θψ=+02θπ≤≤, 将其代入''(0)(2),(0)(2)ππψ=ψψ=ψ有sin ,A A B =+=-+,故2,1,2,n n n λ==特征值n λ对应的特征函数为()cos sin ,02,1,2,n n n A n B n n θθθθπψ=+≤≤= .其中n A 和n B 是任意不同时为零的实数,综上可知()cos sin ,02,0,1,2,n n n A n B n n θθθθπψ=+≤≤= ,其中0A 是任意不为零的实数,n A 和n B 是任意不同时为零的实数. 注意到1{cos sin }n n n θθ∞=+是一个直交系统,即20()()0,,,0,1,2,m n m n m n πθθψψ=≠=⎰,这表明1{cos sin }n n n θθ∞=+正规化后是2((0,2))L π的一个基底.设1(,)()()()cos ()sin ,n n n n n n n v R A n B n ρθρθρθρθ∞∞∞====ψ=+∑∑∑12,02ρθπ≤≤≤≤,将非齐次项按1{cos sin }n n n θθ∞=+展开,有2n =时,2212A ρ=代入(1.4)—(1.6)有"'22222'2214()()()12,(1)(2)0,A A A A A ρρρρρρ⎧+-=⎪⎨⎪==⎩ 12,ρ<< 2"'2'1()()()0,12,(1)(2)0,n n n nn n A A A A A ρρρρρρ⎧+-=<<⎪⎨⎪==⎩ 0,1,3,4,n = ,和2"'2'1()()()0,12,(1)(2)0,n n n nn n B B B B B ρρρρρρ⎧+-=<<⎪⎨⎪==⎩ 1,2,3,n = .解得2242129112(),1717A ρρρρ-=-++ 12ρ≤≤, ()0n A ρ=, 12ρ≤≤,0,1,3,4,n = , ()0n B ρ=, 12ρ≤≤,1,2,3,n = .故224129112(,)()cos 21717v ρθρρρθ-=-++, 12,02ρθπ≤≤≤≤ 因此,原问题的形式解为2222222112(,)[12917()],17()x y u x y x y x y -=-++++12≤. 经检验,该形式解满足原问题,即为原问题的解.二．行波法行波法：求解一维波动方程的常用解法,利用这种方法得到波动方程的一个重要求解公式（'d Alembert 公式）1.齐次波动方程cauchy 问题定理2.1（'d Alembert 公式）设2C R ϕ∈（）,1C R ψ∈（）,则函数 ()()()()()x+atx-at11u x t =x-at +x+at +d 22a ϕϕψξζ⎰，,[)()2u C R 0+∈⨯∞， 是cauchy 问题22222u u-a=0t x ∂∂∂∂, x R t>0∈， ()(),0u x x ϕ=, x R ∈()(),0ux x tψ∂=∂, x R ∈的解.例：求解下述波动方程的cauchy 问题()()2222120,,0,0cos ,,0cos ,u u uu x R t t x t u x x x R ux e x x R t -⎧∂∂∂-++=∈>⎪∂∂∂⎪⎪=∈⎨⎪∂⎪=-∈⎪∂⎩解：首先将方程化为标准形式.设u 是原问题的解,令()(),,,,0t v x t e u x t x R t =∈≥则v 是如下问题的解()()222210,,0,cos ,,0,v vx R t t x v x t x x Rvx e x R t -⎧∂∂-=∈>⎪∂∂⎪⎪=∈⎨⎪∂⎪=∈∂⎪⎩由定理2.1可知()()()()1111,cos cos 22cos cos ,,0x t x tv x t x t x t e d x t te x R t ζ+---=-+++=+∈≥⎰ 因此()()()1,cos cos t u x t e x t t e -+=+, ,0x R t ∈≥为原问题的解.利用一维齐次波动方程cauchy 问题的通解表达式,还可以求解其他定解问题.在此不再赘述.2.非齐次波动方程的cauchy 问题定理2.2（'d Alembert 公式）设2C R ϕ∈（）,1C R ψ∈（）,[)()10,f C R ∈⨯+∞, 则函数()()()()()()()()011,221,,,02x atx att x a t x a t u x t x at x at d a f d d x R t a ττϕϕψξζζτζτ+-+---=-++++∈≥⎰⎰⎰属于[)()20,C R ⨯+∞,是cauchy 问题()()()()()22222,,,0,0,,0,u u a f x t x R t t x u x x x R ux x x R t ϕψ⎧∂∂-=∈>⎪∂∂⎪⎪=∈⎨⎪∂⎪=∈∂⎪⎩的解,其中0a >.注2.1上述问题解得光滑程度本质上取决于初值和非齐次项的光滑程度. 注2.2 如果()(),x x ϕψ和(),f x t 都是x 的奇（偶,周期）函数,则上述问题的解也是x 的奇（偶,周期）函数. 例：求解下述波动方程的定解问题()()()()()()22222,,00,0,0,0,0,0,0u u a f x t x t x u t t u x x x ux x x tϕψ∂∂-=>∂∂=>=>∂=>∂其中0a >,[)()[)()[)[)()2110,,0,,0,0,C C f C ϕψ∈+∞∈+∞∈+∞⨯+∞,且满足相容性条件()()()()2''000,00,0a f ϕψϕ==-=解：注意到如果u 是x 的奇函数,则u 自然满足边值条件.因此,根据注2.2,我们可以采用奇延拓方法来求解上述问题.将()(),x x ϕψ和(),f x t 关于0x =做奇延拓,即令()()(),0,0x x x x x ϕϕ≥⎧⎪Φ=⎨-<⎪⎩ ()()(),,0x x x x x ψψ≥⎧⎪ψ=⎨-<⎪⎩ ()()(),,0,0,,,0,0f x t x t F x t f x t x t ≥≥⎧⎪=⎨-<≥⎪⎩考虑cauchy 问题()()()()()22222,,,0,0,,0,u u a F x t x R t t x u x x x R ux x x R t⎧∂∂-=∈>⎪∂∂⎪⎪=Φ∈⎨⎪∂⎪=ψ∈∂⎪⎩ 按'd Alembert 公式形式地写出其解()()()()()()()()011,221,,,02x atx at t x a t x a t u x t x at x at d F d d x R t aττξζζτζτ+-+---=Φ-+Φ++ψ+∈≥⎰⎰⎰回到原来的初值,ϕψ和非齐次项f ,就可以得到原问题的形式解如下：当0x at ≥≥时,()()()()()()()()011,221,2x atx at t x a t x a t u x t x at x at d af d d aττϕϕψξζζτζτ+-+---=-++++⎰⎰⎰ ()1而当0x at ≤≤时,()()()()()()()()()()())/0/11,221(,,2x at at x t x a x a t t x a t a t x t x a x a t u x t at x x at d af d d f d d aττττϕϕψξζζτζτζτζτ+--+-+------=--+++++⎰⎰⎰⎰⎰ ()2可以直接验证由()1和()2确定的形式解[)[)()20,0,u C ∈+∞⨯+∞就是定解问题的解.三．幂级数解法幂级数解法：是求解偏微分方程的经典解法之一,不仅可以求解一维问题,还可以求解高维问题.我们先来求解如下的常微分方程初值问题()()()()2''0,00,'00,u t a u t t u A u +=>== ()()()3.13.23.3其中0a >方程()3.1的通解是()12cos sin ,0u t C at C at t =+≥其中1C 和2C 是任意实数.由边值条件()3.2和()3.3,可得12,0C A C ==.于是,问题()()3.1 3.3-的解为()cos ,0u t A at t =≥注意到()()()201cos ,02!nnn at at t n ∞=-=≥∑因此,问题()()3.1 3.3-的解可写为如下的级数形式()()()()()()222001,02!2!nn nnn n at tu x A a A t n n ∞∞==-==-≥∑∑. ()3.4定理3.1 假设()C R ϕ∞∈,并且对任意的0R >,都存在非负数列{}0n n a ∞=,满足级数()202!nn n t a n ∞=∑在[)0,+∞上收敛,且()2,,0,1,2,n n D x a x R n ϕ≤≤=则函数()()()()()2222200,,,0,2!2!nn n nn n t t u x t x D x x R t n x n ϕϕ∞∞==⎛⎫∂==∈≥ ⎪∂⎝⎭∑∑ 就是波动方程Cauchy 问题()()()22220,,0,0,,0=0,u ux R t t x u x x x R u x x Rt ϕ⎧∂∂-=∈>⎪∂∂⎪⎪=∈⎨⎪∂⎪∈∂⎪⎩的级数形式的形式解.定理3.2 假设()C R ϕ∞∈,并且对任意的0R >,都存在非负数列{}0n n a ∞=,满足级数0!nn n t a n ∞=∑在[)0,+∞上收敛,且()2,,0,1,2,n n D x a x R n ϕ≤≤=则函数()()()22200,,,0,!!nn n nn n t t u x t x D x x R t n x n ϕϕ∞∞==⎛⎫∂==∈≥ ⎪∂⎝⎭∑∑就是热传导方程Cauchy 问题220,,0u u x R t t x ∂∂-=∈>∂∂()(),0,u x x x R ϕ=∈的级数形式地形式解.幂级数方法求解问题的一大优点就是空间维数不限,下面的例子是一个高维问题.例：求解三维波动方程的Cauchy 问题()()()()()()()()()232330,,,,0, 3.5,,,0,,,,,, 3.6,,,00,,,,3.7uu x y z R t t u x y z x y z x y z R ux y z x y z R tϕ∂-∆=∈>∂=∈∂=∈∂ 其中222222,x y z∂∂∂∆=++∂∂∂()()2223,,,,,x y z x y z x y z R ϕ=++∈解：令2,a A ϕ=-∆=,则由()3.4可得到问题()()3.5 3.7-的级数形式的形式解()()()()230,,,,,,,,,02!n nn t u x y z t x y z x y z R t n ϕ∞==∆∈≥∑ ()3.8将ϕ的表达式代入()3.8,得()()22223,,,3,,,,0u x y z t x y z t x y z R t =+++∈≥容易验证,这个形式解的确是定解问题的解.四.Fourier 变换方法1.()R ε,()D R 和()R ϕ空间（i ）()R ε空间：对于{}()1n n u C R ∞∞=⊂和()u C R ∞∈,如果对任何a b <及任何非负整数k ,都有[]()()()(),0sup limk knn x a b u x u x →∞∈-= 则称()n u x 在()C R ∞中收敛于()u x ,赋予上述收敛性的函数空间()C R ∞,称为基本空间()R ε.(ii ）()D R 空间：对于{}()01n n u C R ∞∞=⊂和()0u C R ∞∈,如果存在a b <,使得[],n u a b ⊂supp 且对任何非负整数k ,都有()()()()0sup limk knn x Ru x u x →∞∈-= 则称()n u x 在()0C R ∞中收敛于()u x ,赋予上述收敛性的函数空间()0C R ∞,称为基本空间()D R .(iii ）()R ϕ空间：如果()u C R ∞∈,且对任何非负整数k 和m ,都有()()s u p k mx Rxu x ∈<+∞,则称()u R ϕ∈.()R ϕ中序列收敛的概念：对于{}()1n n u R ϕ∞=⊂和()u R ϕ∈,如果对任何非负整数m 和k ,都有()()()()()0sup limkkmnn x Rx u x u x →∞∈-= 则称()n u x 在()R ϕ中收敛于()u x .2．速降函数空间上的Fourier 变换(i ）定义：设(),R ϕϕ∈称函数[]()(),ix Rx e dx R ξϕξϕξ-=∈⎰F为ϕ的Fourier 变换,也记为();ϕξ∧称函数[]()-11x (),2ix Re d x R ξϕϕξξπ=∈⎰F为ϕ的Fourier 逆变换,也记为()x ϕ∨. (ii ）性质：a ）设()R ϕϕ∈,对任意正整数m 有()()()[]()()()()[]()11,;m m m m i x ix x ϕξξϕξϕϕ--⎡⎤⎡⎤==-⎣⎦⎣⎦F F F F[]()()()()()[]()()()()()11,.m m mm ix x i x ϕξϕξϕξϕ--⎡⎤⎡⎤=-=⎣⎦⎣⎦F F F Fb) 设()R ϕϕ∈,对任意正整数0a R b R ∈≠∈和,有[]()[]()()()[]()11(),;ia iaxx a e a x e x ξϕξϕξϕξϕ----=-=⎡⎤⎣⎦F F FF[]()[]()()()[]()1111(),.x bx b x b b bbξϕξϕϕξϕ--==⎡⎤⎣⎦F F FFc) 设()12,R ϕϕϕ∈,则[][][][][][]11112121212,2ϕϕϕϕϕϕπϕϕ---*=*=；F F F FF F [][][][][][]111121212121,.2ϕϕϕϕϕϕϕϕπ---=*=*F F F F FF其中12ϕϕ*表示1ϕ与2ϕ的卷积,即()()()()1212,.R x x y y dy x R ϕϕϕϕ*=-∈⎰d ）Fourier 变换与Fourier 逆变换都是()R ϕ上的连续线性变换.e ）Fourier 变换与Fourier 逆变换互为逆变换. (iii)在速降函数空间中求解热传导方程 考虑热传导方程的Cauchy 问题()()()()()()220,,0,,4.1,0,,4.2u u x t R t xu x g x x R ∂∂-=∈⨯+∞∂∂=∈ 其中()g R ϕ∈.由于()g R ϕ∈,因此,我们猜想Cauchy 问题()()4.1, 4.2的解u 满足(),u t ∙∈()()0.R t ϕ≥将方程()4.1和初值问题()4.2关于x 作Fourier 变换,并利用Fourier 变换的微分性质,得()()20,0,,0,u u t tu g ξξξ∧∧∧∧⎧∂⎪+=>⎪∂⎨⎪=⎪⎩其中R ξ∈.求解这个常微分方程的初值问题,得()()2,,,0.t u t g e R t ξξξξ∧∧-=∈≥关于ξ作Fourier 逆变换,并利用()R ϕ上Fourier 逆变换的线性性质,得(),u x t ()212t ix Rg e e d ξξξξπ∧-=⎰()()22241()21()2().iy t ix R R t i x y R R x y tR g y e dye e d g y e d dy g y e dy ξξξξξξπξπ---+---===⎰⎰⎰⎰⎰ 即问题()()4.1,4.2的解u 具有如下表达式的形式解()()24,(),,0.x y tRu x t g y edy x R t --=∈>⎰特别地,若()22,xg x ex R -=∈,则问题()()4.1,4.2的解u 的形式解为()()()2222442,,,0.x x y y t tRu x t eedy x R t ----+==∈≥且容易验证这个形式解满足方程（4.1）和初值问题（4.2）,从而是问题（4.1）,（4.2）的解.(iv)在速降函数空间中求解弦振动方程考虑弦振动方程的Cauchy 问题()()()()()()()()()22220,,0,,4.3,0,, 4.4,0,,4.5u ux t R t xu x x x R ux x x R tϕψ∂∂-=∈⨯+∞∂∂=∈∂=∈∂其中()()(),x x R ϕψϕ∈.由于()()(),x x R ϕψϕ∈,因此,我们猜想Cauchy 问题()()4.3 4.5-的解u 满足(),u t ∙∈()()0.R t ϕ≥将方程()4.3和初值问题()()4.4,4.5关于x 作Fourier 变换,并利用Fourier 变换的微分性质,得()()()()()()()2220,0,4.6,0, 4.7,0, 4.8u u t t u ut ξξϕξξψξ∧∧∧∧∧∧⎧∂⎪+=>⎪∂⎪⎪=⎨⎪⎪∂=⎪∂⎪⎩其中R ξ∈.求解这个常微分方程,方程()4.6的通解为()()()12,.i t i t u t C e C e ξξξξξ∧-=+由()()4.7 4.8和,得()()()()()()12121==,.C C C C R i ξξϕξξξψξξξ∧∧+-∈，因此()()()()()()1211=,.22C C R i i ψξψξξϕξξϕξξξξ∧∧∧∧⎛⎫⎛⎫ ⎪ ⎪=+-∈ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭，从而()()()()()11,22i t i t u t e e i i ξξψξψξξϕξϕξξξ∧∧∧∧∧-⎛⎫⎛⎫ ⎪ ⎪=++-⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭()()()()1,,0.(4.9)22i t i t i t i t e e e e R t i ξξξξψξϕξξξ∧∧--=++-∈≥将()()i t i t e e i ξξξ--改写为()1,,0.t i t i t i t e e e d R t i ξξξττξξ---=∈≥⎰ 对()4.9两端同时关于ξ作Fourier 变换,结合上式可得(),u x t ()()()()11222i t i t i t i t ix R e e e e e d i ξξξξξψξϕξξπξ∧∧--⎡⎤⎢⎥=++-⎢⎥⎣⎦⎰ ()()()()()()()()()()()()()()()()()()()1144111222112211,,0.22t i x t i x t i i xR R t t i x t t R t tx tx te e d e d e d x t x t e d d x t x t x d x t x t d x R t ξξξτξξϕξξψξτξππϕϕψξξτπϕϕψττϕϕψξξ∧∧+--∧+--+-=++⎛⎫=++-+ ⎪⎝⎭=++-++=++-+∈≥⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰即问题()()4.3 4.5-的解u 具有如下表达式的形式解()()()()()11,,,0.22x tx tu x t x t x t d x R t ϕϕψξξ+-==++-+∈≥⎰3.广义函数（i ）定义：(),D R ()R ε和()R ϕ上的连续线性泛函分别称为()',D R ()'R ε和()'R ϕ广义函数，它们统称为广义函数；(),D R ()R ε和()R ϕ上的全体连续线性泛函分别记为()',D R ()'R ε和()'.R ϕ(ii)判定：a ）设F 为()D R 上的线性泛函，则()'F D R ∈的充分必要条件是对任何闭区间[],ab ,存在非负整数~k 和正实数,M 使得()[]()()()[]~,0,,.sup k x a b k kF u M u x u D R a b ∈≤≤≤∈⊂且supp ub ）设F 为()R ε上的线性泛函，则()'F R ε∈的充分必要条件是存在闭区间[],a b以及非负整数~k 和正实数,M 使得()[]()()()~,0,.sup k x a b k kF u M u x u R ε∈≤≤≤∈c ）设F 为()R ϕ上的线性泛函，则()'F R ϕ∈的充分必要条件是存在非负整数~~,m k 和正实数,M 使得()()()()~~0,0,.supk m x Rm m k kF u Mx u x u R ϕ∈≤≤≤≤≤∈4.广义函数空间上的Fourier 变换（i ）定义：设()[]()',f R f Fourier f R ϕϕ∈定义的变换为如下的上的泛函F[][](),,,f f R ϕϕϕϕ=∈，FF也记为;f ∧[]()-1f Fourier f R ϕ定义的逆变换为如下的上的泛函F[][]()-1-1,,,f f R ϕϕϕϕ=∈，F F也记为f ∨. (ii ）性质：a ）设()'f R ϕ∈,有()[]()[]()'1'1,;f i f f x ix f x ξξ--⎡⎤⎡⎤==-⎣⎦⎣⎦F FFF[]()()()()[]()()()()'11,'.f ixf x f x i f x ξξξξ--=-=⎡⎤⎡⎤⎣⎦⎣⎦F FFF这里,导数指广义导数,乘积是指广义函数与其乘子的乘积.b ）Fourier 变换与Fourier 逆变换都是()'R ϕ上的连续线性变换.c ）Fourier 变换与Fourier 逆变换互为逆变换.（iii ）()'R Fourier ϕ上的变换方法考虑热传导方程的Cauchy 问题()()()()()()220,,0,,4.10,0,,4.11u u x t R t x u x g x x R ∂∂-=∈⨯+∞∂∂=∈ 其中()'g R ϕ∈.由于()g R ϕ∈,因此,我们猜想Cauchy 问题()()4.10,4.11的解u 满足(),u t ∙∈()()'0.R t ϕ≥将方程()4.10和初值问题()4.11关于x 作Fourier 变换,并利用()'R ϕ上Fourier 变换的微分性质,得()()20,0,,0,u u t tu g ξξξ∧∧∧∧⎧∂⎪+=>⎪∂⎨⎪=⎪⎩其中R ξ∈.求解这个常微分方程的初值问题,得()()2,,,0.tu t g eR t ξξξξ∧∧-=∈≥()()()2'',0t g R e t R ξϕϕ∧-∈≥这里是的乘子.关于ξ作Fourier 逆变换,就可以得到问题()()4.10,4.11的形式解. 例：求解问题()()()()()()220,,0,,4.12,0,,4.13u u x t R t x u x x x R δ⎧∂∂-=∈⨯+∞⎪∂∂⎨⎪=∈⎩解：由于初值不是一个普通函数,所以问题()()4.12,4.13的解不可能在 0t =处连续,因此我们需要重新定义u 满足初值条件()4.13的含义.既然g 是一个不是普通函数的()'R ϕ广义函数,因此我们可以把初值条件()4.13定义为：作为()'R ϕ广义函数,(),u t ∙在0t =处等于g ,即()()'0lim ,.t u t g R ϕ+→∙=于下面我们来求解问题()()()4.12,4.13.1, 5.3g ∧=注意到于是由，得()()22,=,,0.ttu t g eeR t ξξξξξ∧∧--=∈≥0t >因此当时，有()()224-14,,.x t tu x t ex R ξ--⎡⎤==∈⎢⎥⎣⎦F()()4.12,4.13于是我们得到问题的形式解()()24,,0.xt u x t x R t -=∈>，()()()0, 5.1.u C R ∞∈⨯+∞容易验证这个形式解满足方程最后验证它还满足初值条件()5.2,即()()()0lim ,,,,.t u x t x R ϕδϕϕϕ+→=∈事实上,对任意的()R ϕϕ∈,有()()()()()()2244,,,xxt t Ru x t x x ex dx ϕϕϕ--==⎰(22,0.yRe dy t ϕ-=>由控制收敛定理可知()()(2lim ,,lim 2y Rt t u x t x e dyϕϕ++-→→=(()200,yRedy ϕϕϕ-===五．Laplace 方程的基本解和Green 函数place 方程的基本解求解全空间上的N （≥2）维Poisson 方程()(), 5.1Nu f x x R -∆=∈的解的表达式,先寻找其次Poisson 方程,即Laplace 方程()0, 5.2Nu x R -∆=∈的径向解,设()(||),N u x w x x R =∈是方程（5.2）的一个解,将u 的表达式代入方程（5.2）,得1''(||)'()0,\{0}N N w x w r x R r---=∈也就是说,w 满足方程1''()'()0,0N w r w r r r-+=>即1('())'0,0N r w r r -=>因此1'(),0,N A w r r r -=>其中A 是任意实数.从而2ln ,2(),3N B r C N w r BC N r -+=⎧⎪⎨+≥⎪⎩当，当， 其中B 和C 是任意实数, 定义：称N R 上的函数211ln 22||()1,3(2)||N N N x x N N x πω-⎧=⎪⎪Γ=⎨⎪≥⎪-⎩，当当 为Laplace 方程（5.2）的基本解,也成为Newton 位势,其中N ω是N 维单位球的表面积,Laplace 方程的基本解具有的性质：(1) (\{0})N C R ∞Γ∈,且对任意的\{0}N x R ∈,有()0x ∆Γ=；(2) Γ,1()()Nloc x L R ∇Γ∈,且在广义函数意义下()(),N x x x R δ-∆Γ=∈,即对任意的0()N C R ϕ∞∈,有()()(0)NR x x dx ϕϕ∇Γ⋅∇=⎰或者()()(0)NR x x dx ϕϕΓ⋅∇=-⎰2.Green 函数考虑Poisson 方程的第一边值问题()(),, 5.3u f x x -∆=∈Ω()()(),,5.4u x g x x =∈∂Ω其中Ω是(2)N R N ≥中具有光滑边界的有界区域,设21()()u C C ∈Ω⋂Ω是为题（5.3）,（5.4）的解,可以得到对任意的ξ∈Ω,()()()()()(()()),u x x x u x dx u x x u x dS v vξξξΩ∂Ω∂∂Γ-Γ-∆=-+Γ--∂∂⎰⎰ 即()()()()()()(()()), 5.5u x x u x x u x dx x u x dS v vξξξΩ∂Ω∂∂Γ-=Γ-∆+Γ--∂∂⎰⎰其中v 表示∂Ω的单位外法向量,因此,问题（5.3）,(5.4)属于21()()C C Ω⋂Ω的解可用（5.5）右侧积分值表示出来,但第二个积分式子中含未知数u 沿外法向量的导数,这是我们所不知道的,注意到由Green 公式可以推出：对任意的21()()v C C ∈Ω⋂Ω,有()()(()()()())(()()),v x u x u x v x v x u x dx u x v x dS v vΩ∂Ω∂∂∆-∆=-∂∂⎰⎰ 即()()()(()()()())(()()). 5.6v x u x u x v x v x f x dx g x v x dS v vΩ∂Ω∂∂∆+=-∂∂⎰⎰由（5.5）和（5.6）得()()()()()[(()())()()()][(()())()()].5.7u u x v x x x v x f x u x v x dx x v x g x dS v v v ξξξξΩ∂Ω=∂∂∂Γ-Γ-++∆+Γ-+-+∂∂∂⎰⎰ 如果21(,)()()()v C C ξξ⋅∈Ω⋂Ω∈Ω是问题()(,)0,,5.8x v x x ξ-∆=∈Ω()(,)(), 5.9v x x x ξξ=-Γ-∈∂Ω的解,那么根据（5.7）有()()()(,)()(),, 5.10G x u G x f x dx g x dS vξξξΩ∂Ω∂=-∈Ω∂⎰⎰其中(,)()(,),(,),.G x x v x x x ξξξξξ=Γ-+∈Ω⨯Ω≠这样我们得到了问题（5.3）,（5.4）一个解的表达式（5.10）定义：如果对任意固定的21(,)()()()v C C ξξ⋅∈Ω⋂Ω∈Ω满足方程（5.8）和边值条件（5.9）,则我们称定义于{(,):}x x ξξ∈Ω⨯Ω≠上的函数(,)()(,)G x x v x ξξξ=Γ-+为Laplace 算子关于区域Ω的Green 函数,称()x ξΓ-为Green 函数(,)G x ξ的奇异部分,而称(,)v x ξ为Green 函数(,)G x ξ的正则部分,注：如果Green 函数(,)G x ξ的正则部分(,)v x ξ存在,则根据第一边值问题（5.8）（5.9）解的唯一性,可知(,)(,),(,).v x v x x ξξξ=∈Ω⨯Ω因此21()().v C C ∈Ω⨯Ω⋂Ω⨯ΩLaplace 算子关于区域Ω的Green 函数(,)G x ξ具有以下性质： （1） 对任意的(,)x ξ∈Ω⨯Ω,x ξ≠,都有(,)(,);G x G x ξξ=（2） 对任意的ξ∈Ω,有21(,)(\{})(\{}),(,)|0,G C C G ξξξξ∂Ω⋅∈Ω⋂Ω⋅=且对任意的\{}x ξ∈Ω,(,)0x G x ξ∆=；（3） 对任意的ξ∈Ω,有1(,),(,)(),x G G x L ξξ⋅∇∈Ω且在广义函数意义下(,)(),x G x x x ξδξ-∆=-∈Ω.。
幂级数解法
幂级数解法幂级数解法是求解微分方程的一种技术，它可用于求解普通微分方程的无穷多解，也可用于求解常微分方程的特解，以及线性微分方程的非独立解。
因此，在研究微分方程的求解过程中，对“幂级数解法”的研究具有重要的实际意义。
一、幂级数的概念幂级数是由不同幂次的可积函数的和所组成的级数，可以表示为： $$sum_{k=0}^{infty}a_{k}x^{k}$$其中，$a_{k}$叫做幂级数的系数，$x$叫做幂级数的变量，$k$叫做幂级数的项次，$infty$叫做幂级数的项数。
幂级数不仅可用于数学上的应用，也可用于物理学上的应用，像振动波、涡旋波、周期性复原函数等物理概念都可以用幂级数来表示。
二、幂级数解法的内容1.入一类特殊的线性微分方程：$$y^{(n)}+p_{n-1}(x)y^{(n-1)}+cdots+p_{1}(x)y+p_{0}(x)y=Q(x)$$式中，$y^{(n)}$表示微分方程的最高次导数，$p_{n-1}(x)$，$cdots$，$p_{1}(x)$，$p_{0}(x)$表示微分方程的n-1次，$cdots$，1次，0次项的系数函数，$Q(x)$表示微分方程右端项的函数。
2.先检查保守性，判断微分方程是否具有定常解。
微分方程具有定常解的充要条件是$p_{n-1}(x)=p_{n-2}(x)=cdots=p_{2}(x)=0$，此时微分方程可以化简为：$$y^{(n)}+p_{1}(x)y+p_{0}(x)y=Q(x)$$无论$p_{1}(x)$、$p_{0}(x)$是否全等于0，都可以说明它具有定常解。
3.后利用相关定理，在特定条件下构造一个“幂级数解”，其形式为：$$y=sum_{k=0}^{infty}c_{k}x^k$$其中$c_{k}$是待求的系数，由解法的特殊条件所确定。
4.所得“幂级数解”代入微分方程，并根据其定义，求出$c_{0}$，$c_{1}$，$c_{2}$，$cdots$，$c_{n-1}$的值，即求出微分方程的解的系数。
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pl ( x) ql ( x)
pl(x)仅含x的偶次幂，为偶函数；ql(x)仅含x的奇次
幂，为奇函数。它们的收敛半径(达朗贝尔判别法) 为：
二、方程的常点和奇点概念
定义 11.1.1 若方程(11.1.1)的系数p(z)和q(z)都 在点z0及其邻域内解析，则称点z0为方程(11.1.1)的
常点。
定义 11.1.2 只要系数p(z)和q(z)之一在点z0不解
析，则称点z0为方程(11.1.1)的奇点。
定义 11.1.3 若(z-z0)p(z)及(z-z0)2q(z)都在点z0解
(11.1.1)
( z0 ) C0
( z0 ) C1
这里 z 是复变量，p(z) 和 q(z) 是已知的复变函数，
称为方程的系数， ω(z)是待求的未知函数，z0为选
定的点，C0和C1为复常数。 这些线性二阶常微分方程常常不能用通常的 解法解出，但可用幂级数解法解出。幂级数解法 求解二阶常微分方程的具体过程为：
析，则称点z0 为方程(11.1.1)的正则奇点，否则称
为方程的非正则奇点。
定理 11.1.1 若方程(11.1.1)的系数p(z)和q(z)为 点z0的邻域 |z-z0|<R 中的解析函数，则方程在这个 圆中存在唯一的解析解ω(z)满足初始条件ω(z0)=C0 和ωʹ(z0)=C1 。 定理 11.1.2 若z0为方程(11.1.1)的常点，则在z0 点的邻域内，方程(11.1.1)的通解形式为
…………….
(2k 1 l )(2k 3 l )(1 l )(l 2)(l 4)(l 2k ) a2 k 1 a1 (2k 1)!
勒让德方程的解为：
( l )(l 1) 2 (2 l )( l )(l 1)(l 3) 4 y ( x ) a0 1 x x 2! 4!
在x0=0，方程的系数p(x0)=0，q(x0)=l(l+1)单值且为 有限值，因此它们必然在x0=0处解析，故x0=0为方 程的常点，根据常点邻域上解的定理11.1.2，解具有 泰勒级数形式：
y ( x ) ak x k a0 a1 x a2 x 2 ak x k
对第3个方程作变量替换
x cos
d 2 d m2 (1 x 2 ) 2 2 x l (l 1) 0 2 dx dx 1 x
为为 l 阶连带勒让德方程，不可直接求解
若讨论问题具有旋转轴对称性，即 m=0
d 2 d 2 (1 x ) 2 2 x l (l 1) 0 dx dx
( z ) ak ( z z0 )k a00 ( z ) a11 ( z )
k 0
(11.1.2)
其中a0和a1为任意常数， ω0(z)和ω1(z)为在点z0解
析的两个线性独立的函数。
三、常点邻域上的幂级数解法（勒让德方程的求解）
在x0=0的邻域求解 l 阶勒让德方程：
为 m 贝塞尔方程，不可直接求解
(2) 若 μ<0 ，作变换
2 2
k 2 , x k
d R dR x x x 2 m2 R 0 2 dx dx
为虚宗量贝塞尔方程，不可直接求解
…………………………..
用球坐标系和柱坐标系对拉普拉斯方程、波 动方程、输运方程进行变量分离，就出现连带勒让 德方程、勒让德方程、贝塞尔方程、球贝塞尔方程
k 2
2kak x 2a1 x 2kak x
k k 1 k 2
k
l (l 1)a x
k 0 k
k
l (l 1)a0 l (l 1)a1 x l (l 1)ak x
k 2
k
因此合并x的同幂次项后有：
2a2 l (l 1)a0 6a3 2a1 l (l 1)a1 x
Z Z 0
可直接求解
可直接求解 μ =0可直接求解
d 2 R 1 dR m2 ( 2 ) R 0 2 d d
对第3个方程： (1) 若 μ>0 ，作变换 x
d2 R dR 2 x x x 2 m2 R 0 dx 2 dx
第十一章 幂级数解法—本征值问题
王建东
沙河校区计算机楼东206
jdwang@
11.1二阶常微分方程的幂级数解法
11.1.1幂级数解法理论概述
一、分离变量法求解偏微分方程：
1. 球坐标系中的拉普拉斯方程的分离变量
1 2 u 1 u 1 2u 0 r 2 sin 2 2 2 2 r sin r r r r sin
d2 y dy 2 (1 x ) 2 2 x l (l 1) y 0 dx dx
d2 y 2 x dy l (l 1) y0 2 2 2 dx (1 x ) dx (1 x )
方程的系数：
2x p( x ) (1 x 2 ) l (l 1) q( x ) (1 x 2 )
有界
根据高斯判别法，λ=1，级数pl(x)发散。
对于ql(x)：
uk ak (2k 3)! uk 1 ak 2 (2k 1)!(2k 1 l )(l 2k 2)
(2k 3)(2k 2) (2k 1 l )(l 2k 2)
1 (l 1)(l 2)(1 k ) 1 1 1 2 6 (l 1)(l 2) 有界 k k 4 2 k k
高斯判别法：
对于正项级数
u
k 1
k
，当
uk lim 1 k u k 1
时，若前后邻项之比可表示为：
uk B(k ) 1 2 uk 1 k k
其中B(k)是当k→∞时为k的有界函数，则当λ>1时级
数收敛，当λ≤ 1时级数发散。
对于足够大的k， pl(x)和ql(x) 均为正项级数。 对于pl(x)：
k 0
根据此解的形式，于是有：
( x ) kak x k 1 y
k 1
a1 2a2 x 3a3 x2 kak xk 1
Hale Waihona Puke y( x) k (k 1)ak x k 2
k 2
2a2 3 2a3 x 4 3a4 x2 k (k 1)ak xk 2
ak R lim k a k 2
2 1 (1 )(1 ) (k 2)(k 1) k k 1 lim lim k l l 1 k ( k l )(l k 1) (1 )(1 ) k k
因此，级数解 pl(x) 和 ql(x) 收敛于|x|<1而发散于 |x|>1；但勒让德方程中的x=cosθ定义于[-1,1]上， 因此还要考虑级数解在x=±1处的收敛性。
u(r , , ) R(r )Y ( , )
Y ( , ) ( )( )
d2 R dR r 2 2 2r l (l 1) R 0 dr dr
可直接求解 可直接求解
0
d d sin sin [l (l 1)sin 2 ] 0 d d
k (k 1)a
k 2
k
(k 2)(k 1)ak 2 2kak l (l 1)ak x 0
k
要使上述方程对任意的x都成立(=0)，则要求x各幂 次前的系数必须为0，即：
2a2 l (l 1)a0 0 6a3 l (l 1) 2 a1 0 2 (k 2)(k 1)ak 2 l (l 1) k k ak 0 (k 2,3, 4,)
(2k 2 l )(2k 4 l )(2 l )( l )(l 1)(l 3)(l 2k 1) 2k x (2k )!
(1 l )(l 2) 3 (3 l )(1 l )(l 2)(l 4) 5 a1 x x x 3! 5!
…………….
a2 k (2k 2 l )(2k 4 l )(2 l )( l )(l 1)(l 3)(l 2k 1) a0 (2k )!
(1 l )(l 2) a3 a1 3!
(3 l )(l 4) (3 l )(1 l )(l 2)(l 4) a5 a3 a1 5 4 5!
代入勒让德方程，可得：
(1 x ) k (k 1)ak x
2 k 2
k 2
2 x kak x
k 1
k 1
l (l 1) ak x 0
k k 0
合并整理后可得：
k (k 1)ak x k k (k 1)ak x k 2 2kak x k
k 2 k 2 k 1
l (l 1)ak x k 0
k 0
将各求和号内k的起点统一化：
k (k 1)ak x k 2 2a2 6a3 x k (k 1)ak x k 2
k 2 k 4
2a2 6a3 x (k 2)(k 1)ak 2 x k
为 l 阶勒让德方程，不可直接求解 2. 柱坐标系中的拉普拉斯方程的分离变量
1 u 1 2 u 2 u 2 2 z 2 0