aboutsummaryrefslogtreecommitdiffstats
path: root/buch/chapters/050-differential/potenzreihenmethode.tex
diff options
context:
space:
mode:
authorSamuel Niederer <43746162+samnied@users.noreply.github.com>2022-07-24 12:17:00 +0200
committerGitHub <noreply@github.com>2022-07-24 12:17:00 +0200
commitefe7c35759afb5cbae3c1683873c5159be0be09f (patch)
tree84f2e8510132352f9943bddc577ccf32cd46f2dc /buch/chapters/050-differential/potenzreihenmethode.tex
parentadd current work (diff)
parentMerge pull request #26 from p1mueller/master (diff)
downloadSeminarSpezielleFunktionen-efe7c35759afb5cbae3c1683873c5159be0be09f.tar.gz
SeminarSpezielleFunktionen-efe7c35759afb5cbae3c1683873c5159be0be09f.zip
Merge branch 'AndreasFMueller:master' into master
Diffstat (limited to '')
-rw-r--r--buch/chapters/050-differential/potenzreihenmethode.tex69
1 files changed, 46 insertions, 23 deletions
diff --git a/buch/chapters/050-differential/potenzreihenmethode.tex b/buch/chapters/050-differential/potenzreihenmethode.tex
index 2d95fb2..9f2e0a6 100644
--- a/buch/chapters/050-differential/potenzreihenmethode.tex
+++ b/buch/chapters/050-differential/potenzreihenmethode.tex
@@ -44,6 +44,7 @@ Tatsächlich gilt der folgende sehr viel allgemeinere Satz von
Cauchy und Kowalevskaja:
\begin{satz}[Cauchy-Kowalevskaja]
+\index{Satz!von Cauchy-Kowalevskaja}%
Eine partielle Differentialgleichung der Ordnung $k$ für eine
Funktion $u(x_1,\dots,x_n,t)=u(x,t)$
in expliziter Form
@@ -176,7 +177,8 @@ b_2\,2!\,a_{2+k} + b_1\, a_{1+k} + b_0\, a_k
%
% Die Newtonsche Reihe
%
-\subsection{Die Newtonsche Reihe}
+\subsection{Die Newtonsche Reihe
+\label{buch:differentialgleichungen:subsection:newtonschereihe}}
Wir lösen die
Differentialgleichung~\eqref{buch:differentialgleichungen:eqn:wurzeldgl1}
mit der Anfangsbedingung $y(t)=1$ mit der Potenzreihenmethode.
@@ -289,7 +291,7 @@ Für ganzzahliges $\alpha$ wird daraus die binomische Formel
\]
%
-% Lösung als hypergeometrische Riehe
+% Lösung als hypergeometrische Reihe
%
\subsubsection{Lösung als hypergeometrische Funktion}
Die Newtonreihe verwendet ein absteigendes Produkt im Zähler.
@@ -333,6 +335,8 @@ wir die Darstellung
Damit haben wir den folgenden Satz gezeigt.
\begin{satz}
+\index{Satz!Newtonsche Reihe}%
+\label{buch:differentialgleichungen:satz:newtonschereihe}
Die Newtonsche Reihe für $(1-t)^\alpha$ ist der Wert
\[
(1-t)^\alpha
@@ -370,7 +374,7 @@ entwickeln lassen.
\subsubsection{Die Potenzreihenmethode funktioniert nicht}
Für die Differentialgleichung
\eqref{buch:differentialgleichungen:eqn:dglverallg}
-funktioniert die Potenzreihenmethod oft nicht.
+funktioniert die Potenzreihenmethode oft nicht.
Sind die Funktionen $p(x)$ und $q(x)$ zum Beispiel Konstante
$p(x)=p_0$ und $q(x)=q_0$, dann führt der Potenzreihenansatz
\[
@@ -418,25 +422,43 @@ $a_k=0$ sein, die einzige Potenzreihe ist die triviale Funktion $y(x)=0$.
Für Differentialgleichungen der Art
\eqref{buch:differentialgleichungen:eqn:dglverallg}
ist also ein anderer Ansatz nötig.
-Die Schwierigkeit bestand darin, dass die Gleichungen für die einzelnen
-Koeffizienten $a_k$ voneinander unabhängig waren.
-Mit einem zusätzlichen Potenzfaktor $x^\varrho$ mit nicht
-notwendigerweise ganzzahligen Wert kann die nötige Flexibilität
-erreicht werden.
-Wir verwenden daher den Ansatz
-\[
+Ursache für das Versagen des Potenzreihenansatzes ist, dass die
+Koeffizienten der Differentialgleichung bei $x=0$ eine
+Singularität haben.
+Ist ist daher damit zu rechnen, dass auch die Lösung $y(x)$ an dieser
+Stelle singuläres Verhalten zeigen wird.
+Die Terme einer Potenzreihe um den Punkt $x=0$ sind nicht singulär,
+können eine solche Singularität also nicht wiedergeben.
+Der neue Ansatz sollte ähnlich einfach sein, aber auch gewisse ``einfache''
+Singularitäten darstellen können.
+Die Potenzfunktionen $x^\varrho$ mit $\varrho<1$ erfüllen beide
+Anforderungen.
+
+\begin{definition}
+\label{buch:differentialgleichungen:def:verallpotenzreihe}
+Eine {\em verallgemeinerte Potenzreihe} ist eine Funktion der Form
+\begin{equation}
y(x)
=
x^\varrho \sum_{k=0}^\infty a_kx^k
=
\sum_{k=0}^\infty a_k x^{\varrho+k}
-\]
-und versuchen nicht nur die Koeffizienten $a_k$ sondern auch den
-Exponenten $\varrho$ zu bestimmen.
-Durch Modifikation von $\varrho$ können wir immer erreichen, dass
-$a_0\ne 0$ ist.
-
-Die Ableitungen von $y(x)$ mit der zugehörigen Potenz von x sind
+\label{buch:differentialgleichungen:eqn:verallpotenzreihe}
+\end{equation}
+mit $a_0\ne 0$.
+\end{definition}
+
+Die Forderung $a_0\ne 0$ kann nötigenfalls durch Modifikation des
+Exponenten $\varrho$ immer erreicht werden.
+
+Wir verwenden also eine verallgemeinerte Potenzreihe der Form
+\eqref{buch:differentialgleichungen:eqn:verallpotenzreihe}
+als Lösungsansatz für die
+Differentialgleichung~\eqref{buch:differentialgleichungen:eqn:dglverallg}.
+Wir berechnen die Ableitungen von $y(x)$ und um sie in der
+Differentialgleichung einzusetzen, versehen wir sie auch gleich mit den
+benötigten Potenzen von $x$.
+So erhalten wir
\begin{align*}
xy'(x)
&=
@@ -451,8 +473,9 @@ x^2y''(x)
\sum_{k=0}^\infty
(\varrho+k)(\varrho+k-1)a_kx^{\varrho+k}.
\end{align*}
-Diese Ableitungen setzen wir jetzt in die Differentialgleichung ein,
-die dadurch zu
+Diese Ausdrücke setzen wir jetzt in die
+Differentialgleichung~\eqref{buch:differentialgleichungen:eqn:dglverallg}
+ein, die dadurch zu
\begin{equation}
\sum_{k=0}^\infty (\varrho+k)(\varrho+k-1) a_k x^{\varrho+k}
+
@@ -487,6 +510,7 @@ Ausgeschrieben geben die einzelnen Terme
\bigl((\varrho +2)a_2p_0 + (\varrho+1)a_1p_1 + \varrho a_0 p_2\bigr) x^{\varrho+2}
+
\dots
+\label{buch:differentialgleichungen:eqn:dglverallg}
\\
&+
q_0a_0x^{\varrho}
@@ -683,18 +707,17 @@ Kapitel~\ref{buch:chapter:funktionentheorie}
dargestellt werden.
\item
-Fall 3: $\varrho_1-\varrho-2$ ist eine positive ganze Zahl.
+Fall 3: $\varrho_1-\varrho_2$ ist eine positive ganze Zahl.
In diesem Fall ist im Allgemeinen nur eine Lösung in Form einer
verallgemeinerten Potenzreihe möglich.
Auch hier müssen Techniken der Funktionentheorie aus
Kapitel~\ref{buch:chapter:funktionentheorie}
verwendet werden, um eine zweite Lösung zu finden.
-\end{itemize}
-
Wenn $\varrho_1-\varrho_2$ eine negative ganze Zahl ist, kann man die
beiden Nullstellen vertauschen.
-Es folgt dann, dass es eine
+\end{itemize}
+