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文档简介
1、精选,第六章勒让德多项式,6.1勒让德方程及其解的表示,1勒让德方程勒让德多项式在分离变量法一章中,我们已经知道拉普拉斯方程,精选,(1.1),在球坐标系下分离变量后得到欧拉型常微分方程,和球谐函数方程,(.2),(1.2)式的解,与半径,无关,故称为球谐函数,或简称为球函数,精选,球谐函数方程进一步分离变量,令,得到关于,的常微分方程,(1.3),称为,阶连带勒让德方程.,令,和,把自变数从,换为,,则方程(1.3)可以化为下列,阶连带勒让德方程,形式的,精选,(1.4),若所讨论的问题具有旋转轴对称性,即定解问题的解与,无关,则,,即有,(1.5),称为,阶勒让德(legendre)方程,
2、精选,同样若记,,,则上述方程也可写为下列形式的,阶勒让德方程,(1.6),精选,2勒让德多项式的表示,(1)勒让德多项式的级数表示,我们知道:在自然边界条件下,勒让德方程的解,为,(1.7),式中,上式具有多项式的形式,故称,为,阶勒让德多项式勒让德多项式也称为第一类勒让德函数,精选,式(1.7)即为勒让德多项式的级数表示,注意到,故可方便地得出前几个勒让德多项式:,精选,勒让德多项式的图形可通过计算机仿真(如MATLAB仿真)得到,精选,计算,,这应当等于多项式,的常数项,如,为,(即为奇数)时,则,只含奇,数次幂,不含常数项,所以,(.8),(即为偶数)时,,则,含有常数项,即,(.7)
3、中,的那一项,所以,(.9),式中记号,而,因此,,精选,(2)勒让德多项式的微分表示,(1.10),上式通常又称为勒让德多项式的罗德里格斯(Rodrigues)表示式,下面证明表达式(1.10)和(1.7)是相同的,【证明】(略),精选,6.2勒让德多项式的性质,1勒让德多项式的性质,(1)勒让德多项式的零点,对于勒让德多项式的零点,有如下结论:,(i),的,个零点都是实的,且在,内;,(ii),的零点与,的零点互相分离,(2)奇偶性,根据勒让德多项式的定义式,作代换,容易得到,(2.1),即当,为偶数时,勒让德多项式,为偶函数,,为奇数时,为奇函数,精选,(3)勒让德多项式的正交性及其模,
4、不同阶的勒让德多项式在区间,上满足,(2.2),其中,当,时满足,,(2.3),称为正交性相等时可求出其模,(2.4),精选,下面给出公式(2.2),及其模(2.4)的证明,【证明】(1)正交性,勒让德多项式必然满足勒让德方程,故有,两式相减,并在-1,1区间上对x积分,得,精选,因为上面等式左边的积分值为,所以当,时,必然有,根据,成立,(2)模(利用分部积分法证明),为了分部积分的方便,把上式的,用微分表示给出,则有,精选,注意到,以,为,级零点,,故其,阶导数,必然以,为一级零点,从而上式已积出部分的值为零,再进行,次分部积分,即得,精选,是,次多项式,其,阶导数也就是最高幂项,的,阶导
5、数为,故,再对上式分部积分一次,容易看出已积出部分以,为零点,至此,分部积分的结果是使,的幂次降低一次,,的幂次升高一次,,且积分乘上一个相应的常数因子,精选,继续分部积分(计,次),即得,故勒让德多项式的模为,且有,精选,(4)广义傅里叶级数,定理2.1在区间-1,1上的任一连续函数,可展开为勒让德多项式的级数,(2.5),其中系数,(2.6),在实际应用中,经常要作代换,此时勒让德方程的解为,,这时有,(2.7),精选,其中系数为,(2.8),2.勒让德多项式的应用(广义傅氏级数展开),例2.1将函数,按勒让德多项式形式展开.,【解】根据(2.5)设,考虑到,,由(2.6)显然有,精选,所
6、以,例2.2将函数,展开为勒让德多项式,形式,【解】用直接展开法,令,,则由,我们知道:,精选,可设,考虑到勒让德函数的奇偶性,显然,由,项的系数,显然得出,故有,精选,下面我们给出一般性结论:,结论1:设,为正整数,可以证明:,结论2:根据勒让德函数的奇偶性,若需展开的函数,为奇函数,,则展开式(2.5)系数,若需展开的函数,为偶函数,则展开式(2.5)系数,精选,例2.3以勒让德多项式为基,在-1,1区间上把,展开为广义傅里叶级数,【解】本例不必应用一般公式,事实上,,是三次多项式(注意,既非奇函数,也非偶函数),,设它表示为,精选,比较同次幂即得到,由此得到,精选,例3.1求,【解】,勒让德多项式的递推公式,证明(略
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