előző fel következő

Differenciálegyenletek a fizikában II.

Bene Gyula
Eötvös Loránd Tudományegyetem, Elméleti Fizikai Tanszék
1117 Budapest, Pázmány Péter sétány 1/A

3. Előadás

Lineáris homogén egyenlet megoldása nem lényeges szingularitás közelében a határozatlan együtthatók módszerével:
Egyenlet: $$w''+\frac{\sum_{n=0}^\infty a_n(z-\zeta)^n}{z-\zeta}w'+\frac{\sum_{n=0}^\infty b_n(z-\zeta)^n}{(z-\zeta)^2}w=0$$
Megoldás: $$w(z)=(z-\zeta)^{r}\sum_{n=0}^{\infty}c_n(z-\zeta)^n$$ Karakterisztikus egyenlet ($(z-\zeta)^{r-2}$ együtthatójának eltűnéséből): $$r^2+(a_0-1)r+b_0=0$$ Elfajulás feltétele: $r_2-r_1=\text{egész}$, azaz $$(a_0-1)^2=m^2+4b_0$$
$(z-\zeta)^{n+r-2}$ együtthatójának eltűnéséből $n>0$ esetén: $$c_n\left[(n+r)(n+r-1+a_0)+b_0\right]+\sum_{k=0}^{n-1}c_k\left[(k+r)a_{n-k}+b_{n-k}\right]=0$$ Ha a szingularitás a végtelenben van: $$n\rightarrow -n\;,\quad r\rightarrow -r$$ Pl. a karakterisztikus egyenlet ilyenkor: $$r^2-(a_0-1)r+b_0=0$$
A hipergeometrikus egyenlet: $$y''+\frac{-\gamma+(1+\alpha+\beta)x}{x(x-1)}y'+\frac{\alpha\beta}{x(x-1)}y=0$$
Példa (kvantummechanika):
Keressük a diszkrét energiasajátértékeket $U=-U_0/\cosh^2(\alpha x)$ potenciálban. Ekkor az energiaoperátor sajátértékegyenletét, vagyis az időfüggetlen Schrödinger-egyenletet kell megoldanunk ($E<0$): $$-\frac{\hbar^2}{2m}\frac{d^2\psi}{dx^2}-\frac{U_0}{\cosh^2(\alpha x)}\psi=E\psi$$ Változócsere ($x\rightarrow \xi$) és egyszerűsítő jelölések ($\epsilon$, $s$): $$\xi=\tanh \alpha x\;,\quad \epsilon=\frac{\sqrt{-2mE}}{\hbar \alpha}\;,\quad \frac{2mU_0}{\alpha^2\hbar^2}=s(s+1)$$ Ezzel azt kapjuk, hogy $$\frac{d}{d\xi}\left[(1-\xi^2)\frac{d\psi}{d\xi}\right]+\left[s(s+1)-\frac{\epsilon^2}{1-\xi^2}\right]\psi=0$$ Ebből $$\psi=(1-\xi^2)^{\epsilon/2}w(z)$$ helyettesítéssel és a $$z=\frac{1}{2}(1-\xi)$$ új független változóval a hipergeometrikus egyenletet kapjuk: $$z(1-z)w''+(\epsilon +1)(1-2z)w'-(\epsilon -s)(\epsilon +s+1)w=0$$ Leolvasható, hogy most $$\alpha=\epsilon -s\;,\quad \beta=\epsilon +s+1\;,\quad \gamma=\epsilon +1$$
Fuchs-osztály:

Bessel-egyenlet: $$w''+\frac{1}{z}w'+\left(1-\frac{n^2}{z^2}\right)w=0$$ Példa (elektrosztatika):
$$\triangle \Phi=0$$ hengerkoordinátákban: $$\frac{\partial^2 \Phi}{\partial r^2}+\frac{1}{r}\frac{\partial \Phi}{\partial r}+\frac{1}{r^2}\frac{\partial^2 \Phi}{\partial \varphi^2}+\frac{\partial^2 \Phi}{\partial z^2} =0$$ Az egyenlet szeparálható: $$\Phi=R(r)Z(z)\Psi(\varphi)$$ Ezzel: $$\frac{R''}{R}+\frac{R'}{rR}+\frac{1}{r^2}\frac{\Psi''}{\Psi}+\frac{Z''}{Z} =0$$ $\Rightarrow$ $$\frac{Z''}{Z} =k^2$$ $$r^2\frac{R''}{R}+r\frac{R'}{R}+k^2r^2+\frac{\Psi''}{\Psi} =0$$ $\Rightarrow$ $$\frac{\Psi''}{\Psi} =-n^2$$ $$r^2\frac{R''}{R}+r\frac{R'}{R}+k^2r^2-n^2 =0$$ $\Rightarrow$ $$R''+\frac{1}{r}R'+\left(k^2-\frac{n^2}{r^2}\right)R =0$$ $\rho=k r$ új változóval: $$R''+\frac{1}{\rho}R'+\left(1-\frac{n^2}{\rho^2}\right)R =0$$ Itt a deriválások $\rho$ szerint értendők.
A $z=0$ pont nem lényeges szingularitás. A megoldást ennek közelében $$w=z^r\sum_{j=0}^\infty c_j z^j=\sum_{j=0}^\infty c_j z^{j+r}$$ alakban keressük. Emlékeztető: $$\lambda=\exp(i2\pi r )$$ Ekkor $$w'=\sum_{j=0}^\infty (j+r)c_j z^{j+r-1}$$ $$w''=\sum_{j=0}^\infty (j+r)(j+r-1)c_j z^{j+r-2}$$ Az egyenletből: $$\sum_{j=0}^\infty \left[(j+r)(j+r-1)c_j +(j+r)c_j+c_{j-2}-n^2c_j\right]z^{j+r-2}=0$$ azaz $$\sum_{j=0}^\infty \left[\left((j+r)^2-n^2\right)c_j+c_{j-2}\right]z^{j+r-2}=0$$ $j=0$ esetén: $$r^2-n^2=0 \quad \text{vagy}\quad c_0=0$$ $j=1$ esetén: $$(r+1)^2-n^2=0 \quad \text{vagy}\quad c_1=0$$ Tehát
$$\begin{eqnarray} c_0\ne 0\;,\; c_1= 0\;&\Rightarrow& \;\left((2k\pm n)^2-n^2\right)c_{2k}+c_{2k-2}=0\\ c_0=0\;,\; c_1\ne 0\;&\Rightarrow& \;\left((2k+1\pm n-1)^2-n^2\right)c_{2k+1}+c_{2k-1}=0 \end{eqnarray}$$
A két lehetőség ekvivalens, elegendő a $c_1=0\;,\;c_0\ne 0$ esetet vizsgálni.
$k>0$ esetén: $$c_{2k}=-\frac{c_{2k-2}}{4k(k\pm n)}=(-1)^k\frac{c_0}{4^kk!(k\pm n)(k-1\pm n)(1\pm n)}=(-1)^k\frac{\Gamma(1\pm n)c_0}{2^{2k}\Gamma(k+1)\Gamma(k+1\pm n)}$$ Itt $$\Gamma(x)=\int_0^\infty t^{x-1}{\rm e}^{-t}dt$$ a gamma-függvény.
Szokásos normálás: $$c_0=\frac{1}{2^{\pm n}\Gamma(1\pm n)}$$ Ekkor $$w_{1,2}=J_{\pm n}(z)=\sum_{k_0}^\infty \frac{(-1)^k}{\Gamma(k+1)\Gamma(k+1\pm n)}\left(\frac{z}{2}\right)^{2k\pm n}$$ Ha $n$ egész, akkor $\lambda(r_1)=\lambda(r_2)$, tehát elfajult esettel van dolgunk. Ilyenkor a $$J_{n}(z)=\sum_{k_0}^\infty \frac{(-1)^k}{k!(n+k)!}\left(\frac{z}{2}\right)^{2k+n}$$ Bessel-függvény az egyik független megoldás, és az
$$\begin{eqnarray} N_n(z)&=&\frac{2}{\pi}\left(C+\ln\frac{z}{2}\right)J_n(z)\\ &-&\frac{1}{\pi}\sum_{k=0}^\infty\frac{(-1)^k}{k!(n+k)!}\left(\frac{z}{2}\right)^{2k+n}\left\{\left(\frac{1}{1}+\frac{1}{2}+\dots +\frac{1}{k}\right)+\left(\frac{1}{1}+\frac{1}{2}+\dots +\frac{1}{n+k}\right)\right\}\\ &-&\frac{1}{\pi}\sum_{k=0}^{n-1}\frac{(n-1-k)!}{k!}\left(\frac{z}{2}\right)^{2k-n} \end{eqnarray}$$
Neumann-függvény (másodfajú $n$-edrendű Bessel-függvény) a másik. Itt $C=\lim_{n\rightarrow \infty}\left(\sum_{k=1}^n\frac{1}{k}-\ln n\right)$ az Euler-Mascheroni-állandó.
Lineáris homogén egyenlet megoldása lényeges szingularitás közelében: $$y''+p(x)y'+q(x)y=0$$ Tfh. $$p(x)=p_0+\frac{p_1}{x}+\frac{p_2}{x^2}+\dots$$ és $$q(x)=q_0+\frac{q_1}{x}+\frac{q_2}{x^2}+\dots$$ $\Rightarrow$ Lényeges szingularitás a végtelenben.
Ekkor nagyon nagy $x$ értékekre első közelításben $$y''+p_0y'+q_0y=0\;,$$ aminek rexponenciális megoldásai vannak: $$y={\rm e}^{\rho x}\;,$$ ahol $$\rho^2+p_0\rho+q_0=0\;.$$ Tfh. ennek gyökei különbözők!
Keressük ezután a pontos megoldást $$y={\rm e}^{\rho x}v(x)$$ alakban! A $v(x)$ függvényre $$v''+(2\rho +p(x))v'+(\rho^2+\rho p(x)+q(x))v=0$$ adódik. $$2\rho +p(x)=(2\rho +p_0)+\frac{p_1}{x}+\frac{p_2}{x^2}+\dots$$ $$\rho^2+\rho p(x)+q(x)=\frac{\rho p_1+q_1}{x}+\frac{\rho p_2+q_2}{x^2}+\dots$$ Megoldás: $$v=x^\sigma\left(c_0+\frac{c_1}{x}+\frac{c_2}{x^2}+\dots\right)$$ ill. $$y={\rm e}^{\rho x}x^\sigma\left(c_0+\frac{c_1}{x}+\frac{c_2}{x^2}+\dots\right)$$ Normálsor. Általában divergens (aszimptotikus sor).
Aszimptotikus előállítás: $${\rm e}^{\rho x}x^\sigma\left(c_0+\frac{c_1}{x}+\frac{c_2}{x^2}+\dots\right)$$ aszimptotikusan előállítja az $f(x)$ függvényt, ha $\forall \;n\in \mathbb N$-re $$\lim_{x\rightarrow \infty}x^n\left[{\rm e}^{-\rho x}x^{-\sigma}f(x)-\left(c_0+\frac{c_1}{x}+\frac{c_2}{x^2}+\dots\right)\right]=0$$
Az együtthatók meghatározása a $v(x)$-re vonatkozó egyenletből:
$x^{\sigma-1}$ együtthatójának eltűnése: $$(2\rho +p_0)\sigma+(\rho p_1+q_1)=0$$
$x^{\sigma-2}$ együtthatójának eltűnése: $$\left[\sigma(\sigma-1)+p_1\sigma+\rho p_2+q_2\right]c_0+\left[(2\rho +p_0)(\sigma-1)+\rho p_1+q_1\right]c_1=0$$
$x^{\sigma-3}$ együtthatójának eltűnése: $$\left[p_2\sigma+\rho p_3+q_3\right]c_0+\left[(\sigma-1)(\sigma-2)+p_1(\sigma-1)+\rho p_2+q_2\right]c_1+\left[(2\rho +p_0)(\sigma-2)+\rho p_1+q_1\right]c_2=0$$ s.í.t.
Alkalmazás a Bessel-egyenletre ($p_0=0$, $p_1=1$, $p_2=0$, $p_3=0$, $q_0=1$, $q_1=0$, $q_2=-n^2$, $q_3=0$ ):
$$\begin{eqnarray} &&\rho^2+1=0\\ &&2\rho \sigma+\rho=0\\ &&\left[\sigma^2-n^2\right]c_0+\left[2\rho (\sigma-1)+\rho \right]c_1=0\\ &&\left[(\sigma-1)^2-n^2\right]c_1+\left[2\rho (\sigma-2)+\rho \right]c_2=0\end{eqnarray}$$
Ebből
$$\begin{eqnarray} \rho&=&\pm i\\ \sigma &=&-\frac{1}{2}\\ c_1&=&\pm \frac{i}{2}\left(n^2-\frac{1}{4}\right) c_0\\ c_2&=&- \frac{1}{8}\left(n^2-\frac{9}{4}\right)\left(n^2-\frac{1}{4}\right) c_0 \end{eqnarray}$$
Azaz $$y=c_0\sqrt{\frac{1}{x}}{\rm e}^{\pm ix}\left[1\pm \frac{i}{2}\left(n^2-\frac{1}{4}\right)\frac{1}{x}- \frac{1}{8}\left(n^2-\frac{9}{4}\right)\left(n^2-\frac{1}{4}\right)\frac{1}{x^2}+\dots\right]$$ $J_n(x)$ aszimptotikus alakja ($c_0$ alkalmas választása után a valós rész): $$J_n(x)=\sqrt{\frac{2}{\pi x}}\left\{\left[1- \frac{1}{8}\left(n^2-\frac{9}{4}\right)\left(n^2-\frac{1}{4}\right)\frac{1}{x^2}+\dots\right]\cos\left(x-\frac{n\pi}{2}-\frac{\pi}{4}\right)+\left[-\frac{1}{2}\left(n^2-\frac{1}{4}\right)\frac{1}{x}+\dots\right]\sin\left(x-\frac{n\pi}{2}-\frac{\pi}{4}\right)\right\}$$
Lineáris homogén állandó együtthatós differenciálegyenletrendszerek: $$\frac{dy_i}{dx}=\sum_{j=1}^n A_{ij}y_j\;,\quad(i=1\dots n)$$ Legyenek az $\mathbb A$ mátrix sajátértékei $\lambda_1$, $\lambda_1$, ... $\lambda_k$ ($k\le n$), mégpedig $m_1$, $m_2$, ...$m_k$ multiplicitással. Ekkor az egyenletrendszer megoldása $$y_i=\sum_{j=1}^k P_{ij}(x){\rm e}^{\lambda_j x}$$ alakú, ahol $P_{ij}(x)$ legfeljebb $(m_j-1)$-edfokú polinom.
Ennek balátásához felhasználjuk, hogy minden négyzetes mátrix hasonlósági transzformációval Jordan-féle normálalakra hozható: $$\mathbb{U}\mathbb{A}\mathbb{U}^{-1}=\mathbb{J}\;,$$ ahol $$\mathbb{J}=\left(\begin{array}{lllll} \mathbb{J_1}&0 &\dots & &0 \\ 0&\mathbb{J_2} &\ddots & &\vdots \\ \vdots&\ddots &\ddots & & \\ & & &\mathbb{J_{k-1}} &0 \\ 0&\dots & &0 & \mathbb{J_k} \\ \end{array}\right)\;.$$ Itt $$\mathbb{J_i}=\left(\begin{array}{lllll} \lambda_i& 1&0 &\dots & 0\\ 0& \lambda_i &1 &\ddots & \vdots\\ \vdots&\ddots &\ddots &\ddots & 0\\ & & & \lambda_i &1 \\ 0&\dots & &0 & \lambda_i \\ \end{array}\right)$$ a $\lambda_i$ sajátértékhez tartozó Jordan-blokk. Ennek mérete legfeljebb $m_i\times m_i$, ahol $m_i$ a $\lambda_i$ sajátérték multiplicitása.
Ha a differenciálegyenlet-rendszert balról a konstans $\mathbb{U}$ mátrixszal megszorozzuk, akkor a $$\mathbb{z}= \mathbb{U}\mathbb{y}$$ új ismeretlenekre $$\frac{d\mathbb{z}}{dx}=\mathbb{J}\mathbb{z}$$ adódik. Ebből nyilvánvaló, hogy az egyenletrendszer az egyes Jordan-blokkokhoz tartozó független egyenletrendszerekre esik szét, ezért az általánosság csorbítása nélkül elegendő egyetlen Jordan-blokkal foglalkozni:
$$\begin{eqnarray} \frac{dz_1}{dx}&=& \lambda z_1+z_2\\ \frac{dz_2}{dx}&=& \lambda z_2+z_3\\ &\vdots& \\ \frac{dz_m}{dx}&=& \lambda z_m\\ \end{eqnarray}$$
Az utolsó egyenlet megoldása $$z_m=z_m^{(0)}\exp(\lambda x)$$ Az utolsóelőtti egyenlet megoldása $$z_{m-1}=\left(z_{m-1}^{(0)}+z_m^{(0)}x\right)\exp(\lambda x)$$ És így tovább. Általánosan: a $j$-edik egyenlet megoldása $$z_{j}=\left(z_{j}^{(0)}+z_{j+1}^{(0)}x+z_{j+2}^{(0)}\frac{x^2}{2!}+\dots + z_{m}^{(0)}\frac{x^{m-j}}{(m-j)!}\right)\exp(\lambda x)$$
előző fel következő