Фробенијусов метод

Извор: testwiki
Пређи на навигацију Пређи на претрагу

Фробенијусов метод представља један од метода решавања диференцијалних једначина другога реда облика:

z2u+p(z)zu+q(z)u=0

где су:

ududz и ud2udz2 у близини регуларнога сингуларитета z=0. Поделимо ли са z2 добијамо диференцијалну једначину:
u+p(z)zu+q(z)z2u=0

Метода је добила име по немачком математичару Фердинанду Фробенијусу.

Метода

Према Фробенијусовој методи тражимо решење у облику реда:

u(z)=k=0Akzk+r,(A00)

Диференцирањем добијамо:

u(z)=k=0(k+r)Akzk+r1
u(z)=k=0(k+r1)(k+r)Akzk+r2

После тога горе добиујене редове супституирамо у диференцијалну једначину и добијамо:

z2k=0(k+r1)(k+r)Akzk+r2+zp(z)k=0(k+r)Akzk+r1+q(z)k=0Akzk+r=k=0(k+r1)(k+r)Akzk+r+p(z)k=0(k+r)Akzk+r+q(z)k=0Akzk+r=k=0(k+r1)(k+r)Akzk+r+p(z)(k+r)Akzk+r+q(z)Akzk+r=k=0[(k+r1)(k+r)+p(z)(k+r)+q(z)]Akzk+r=[r(r1)+p(z)r+q(z)]A0zr+k=1[(k+r1)(k+r)+p(z)(k+r)+q(z)]Akzk+r

Иницијални полином је следећи израз:

r(r1)+p(0)r+q(0)=I(r)

Према општој дефиницији иницијални полиноми су коефицијенти најнижега степена по z. Општи израз за коефицијенте од zk + r је:

I(k+r)Ak+j=0k1[(j+r)p(kj)+q(kj)]Aj

Ти коефицијенти треба да буду једнаки нули, јер они треба да представљају решења диференцијалне једначине, па следи:

I(k+r)Ak+j=0k1[(j+r)p(kj)+q(kj)]Aj=0
j=0k1[(j+r)p(kj)+q(kj)]Aj=I(k+r)Ak
1I(k+r)j=0k1[(j+r)p(kj)+q(kj)]Aj=Ak

Горње решење са Ak је:

Ur(z)=k=0Akzk+r

и задовољава:

z2Ur(z)+p(z)zUr(z)+q(z)Ur(z)=I(r)zr

Одаберемо ли један од корена иницијалнога полинома, тада добијамо решење диференцијалне једначине.

Пример

Покушамо ли да решимо следећи диференцијалну једначину:

z2fzf+(1z)f=0

Поделимо ли је са z2 добијамо:

f1zf+1zz2f=f1zf+(1z21z)f=0

Претпостављамо решења у облику реда:

f=k=0Akzk+r
f=k=0(k+r)Akzk+r1
f=k=0(k+r)(k+r1)Akzk+r2

и та решења супституирамо у горњу једначину:

k=0(k+r)(k+r1)Akzk+r21zk=0(k+r)Akzk+r1+(1z21z)k=0Akzk+r=k=0(k+r)(k+r1)Akzk+r21zk=0(k+r)Akzk+r1+1z2k=0Akzk+r1zk=0Akzk+r=k=0(k+r)(k+r1)Akzk+r2k=0(k+r)Akzk+r2+k=0Akzk+r2k=0Akzk+r1

Померамо индексе последње суме, тако да се добија:

=k=0(k+r)(k+r1)Akzk+r2k=0(k+r)Akzk+r2+k=0Akzk+r2k1=0Ak1zk+r2=k=0(k+r)(k+r1)Akzk+r2k=0(k+r)Akzk+r2+k=0Akzk+r2k=1Ak1zk+r2

Стартни индекс за k=0 се посебно пише, па се добија:

=((r)(r1)A0zr2)+k=1(k+r)(k+r1)Akzk+r2((r)A0zr2)k=1(k+r)Akzk+r2+(A0zr2)+k=1Akzk+r2k=1Ak1zk+r2=(r(r1)r+1)A0zr2+k=1(((k+r)(k+r1)(k+r)+1)AkAk1)zk+r2

Једно решење добијамо решавањем иницијалнога полинома r(r − 1) − r + 1 = r2 − 2r + 1 = 0, односно добијамо да је 1 двоструки корен. Користећи тај корен коефицијенти од zk + r − 2 треба да буду нула, шта даје рекурзију:

((k+1)(k)(k+1)+1)AkAk1=(k2)AkAk1=0
Ak=Ak1k2

Пошто је омер Ak/Ak1 рационална функција онда се ред може написати као општи хипергеометријски ред.

Литература

Шаблон:Нормативна контрола