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author | tim30b <tim.toenz@ost.ch> | 2022-05-18 13:53:24 +0200 |
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committer | tim30b <tim.toenz@ost.ch> | 2022-05-18 13:53:24 +0200 |
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diff --git a/buch/papers/laguerre/definition.tex b/buch/papers/laguerre/definition.tex index 5f6d8bd..d111f6f 100644 --- a/buch/papers/laguerre/definition.tex +++ b/buch/papers/laguerre/definition.tex @@ -4,45 +4,154 @@ % (c) 2022 Patrik Müller, Ostschweizer Fachhochschule % \section{Definition -\label{laguerre:section:definition}} + \label{laguerre:section:definition}} \rhead{Definition} - +Die verallgemeinerte Laguerre-Differentialgleichung ist gegeben durch \begin{align} - x y''(x) + (1 - x) y'(x) + n y(x) - = - 0 - \label{laguerre:dgl} +x y''(x) + (\nu + 1 - x) y'(x) + n y(x) += +0 +, \quad +n \in \mathbb{N}_0 +, \quad +x \in \mathbb{R} +. +\label{laguerre:dgl} \end{align} - +Die klassische Laguerre-Diffentialgleichung erhält man, wenn $\nu = 0$. +Hier wird die verallgemeinerte Laguerre-Differentialgleichung verwendet, +weil die Lösung mit der selben Methode berechnet werden kann, +aber man zusätzlich die Lösung für den allgmeinen Fall erhält. +Zur Lösung der Gleichung \eqref{laguerre:dgl} verwenden wir einen +Potenzreihenansatz. +Da wir bereits wissen, dass die Lösung orthogonale Polynome sind, +erscheint dieser Ansatz sinnvoll. +Setzt man nun den Ansatz +\begin{align*} +y(x) + & = +\sum_{k=0}^\infty a_k x^k +\\ +y'(x) + & = +\sum_{k=1}^\infty k a_k x^{k-1} += +\sum_{k=0}^\infty (k+1) a_{k+1} x^k +\\ +y''(x) + & = +\sum_{k=2}^\infty k (k-1) a_k x^{k-2} += +\sum_{k=1}^\infty (k+1) k a_{k+1} x^{k-1} +\end{align*} +in die Differentialgleichung ein, erhält man: +\begin{align*} +\sum_{k=1}^\infty (k+1) k a_{k+1} x^k ++ +(\nu + 1)\sum_{k=0}^\infty (k+1) a_{k+1} x^k +- +\sum_{k=0}^\infty k a_k x^k ++ +n \sum_{k=0}^\infty a_k x^k + & = +0 \\ +\sum_{k=1}^\infty +\left[ (k+1) k a_{k+1} + (\nu + 1)(k+1) a_{k+1} - k a_k + n a_k \right] x^k + & = +0. +\end{align*} +Daraus lässt sich die Rekursionsbeziehung +\begin{align*} +a_{k+1} + & = +\frac{k-n}{(k+1) (k + \nu + 1)} a_k +\end{align*} +ableiten. +Für ein konstantes $n$ erhalten wir als Potenzreihenlösung ein Polynom vom Grad +$n$, +denn für $k=n$ wird $a_{n+1} = 0$ und damit auch $a_{n+2}=a_{n+3}=\ldots=0$. +Aus der Rekursionsbeziehung ist zudem ersichtlich, +dass $a_0 \neq 0$ beliebig gewählt werden kann. +Wählen wir nun $a_0 = 1$, dann folgt für die Koeffizienten $a_1, a_2, a_3$ +\begin{align*} +a_1 += +-\frac{n}{1 \cdot (\nu + 1)} +, & & +a_2 += +\frac{(n-1)n}{1 \cdot 2 \cdot (\nu + 1)(\nu + 2)} +, & & +a_3 += +-\frac{(n-2)(n-1)n}{1 \cdot 2 \cdot 3 \cdot (\nu + 1)(\nu + 2)(\nu + 3)} +\end{align*} +und allgemein +\begin{align*} +k + & \leq +n: + & +a_k + & = +(-1)^k \frac{n!}{(n-k)!} \frac{1}{k!(\nu + 1)_k} += +\frac{(-1)^k}{(\nu + 1)_k} \binom{n}{k} +\\ +k & >n: + & +a_k + & = +0. +\end{align*} +Somit erhalten wir für $\nu = 0$ die Laguerre-Polynome \begin{align} - L_n(x) - = - \sum_{k=0}^{n} - \frac{(-1)^k}{k!} - \begin{pmatrix} - n \\ - k - \end{pmatrix} - x^k - \label{laguerre:polynom} +L_n(x) += +\sum_{k=0}^{n} \frac{(-1)^k}{k!} \binom{n}{k} x^k +\label{laguerre:polynom} \end{align} - +und mit $\nu \in \mathbb{R}$ die verallgemeinerten Laguerre-Polynome \begin{align} - x y''(x) + (\alpha + 1 - x) y'(x) + n y(x) - = - 0 - \label{laguerre:generell_dgl} +L_n^\nu(x) += +\sum_{k=0}^{n} \frac{(-1)^k}{(\nu + 1)_k} \binom{n}{k} x^k. +\label{laguerre:allg_polynom} \end{align} -\begin{align} - L_n^\alpha (x) - = - \sum_{k=0}^{n} - \frac{(-1)^k}{k!} - \begin{pmatrix} - n + \alpha \\ - n - k - \end{pmatrix} - x^k - \label{laguerre:polynom} -\end{align} +\subsection{Analytische Fortsetzung} +Durch die analytische Fortsetzung erhalten wir zudem noch die zweite Lösung der +Differentialgleichung mit der Form +\begin{align*} +\Xi_n(x) += +L_n(x) \ln(x) + \sum_{k=1}^\infty d_k x^k +\end{align*} +Nach einigen mühsamen Rechnungen, +die den Rahmen dieses Kapitel sprengen würden, +erhalten wir +\begin{align*} +\Xi_n += +L_n(x) \ln(x) ++ +\sum_{k=1}^n \frac{(-1)^k}{k!} \binom{n}{k} +(\alpha_{n-k} - \alpha_n - 2 \alpha_k)x^k ++ +(-1)^n \sum_{k=1}^\infty \frac{(k-1)!n!}{((n+k)!)^2} x^{n+k}, +\end{align*} +wobei $\alpha_0 = 0$ und $\alpha_k =\sum_{i=1}^k i^{-1}$, +$\forall k \in \mathbb{N}$. +Die Laguerre-Polynome von Grad $0$ bis $7$ sind in +Abbildung~\ref{laguerre:fig:polyeval} dargestellt. +\begin{figure} +\centering +\includegraphics[width=0.7\textwidth]{% + papers/laguerre/images/laguerre_polynomes.pdf% +} +\caption{Laguerre-Polynome vom Grad $0$ bis $7$} +\label{laguerre:fig:polyeval} +\end{figure} + +% https://www.math.kit.edu/iana1/lehre/hm3phys2012w/media/laguerre.pdf +% http://www.physics.okayama-u.ac.jp/jeschke_homepage/E4/kapitel4.pdf |