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数学物理方程 第8次作业

Chasse_neige

1.试求

(a) P2n(0), P2n+1(0)

Pn(x)=12nn!dndxn(x21)n=12nn!dndxnm=0n(1)mn!m!(nm)!x2(nm)=12nn!m=0[n2](1)mn!m!(nm)!(2n2m)!(n2m)!xn2mPn(x)=12nn!m=0[n12](1)mn!m!(nm)!(2n2m)!(n2m1)!xn2m1Pn(x)=12nn!m=0[n2]1(1)mn!m!(nm)!(2n2m)!(n2m2)!xn2m2

所以

P2n(0)=122n(2n)!(1)n(2n)!(n!)2(2n)!=(1)n(2n)!22n(n!)2P2n+1(0)=122n+1(2n+1)!(1)n(2n+1)!n!(n+1)!(2n+2)!=(1)n(2n+1)!22n(n!)2

(b) Pn(±1), Pn(±1)

利用生成函数

112xt+t2=l=0Pl(x)tl

带入 x=1 ,得到

l=0Pl(1)tl=112t+t2=11t=l=0tl

比较两侧系数,得到

Pl(1)=1

带入 x=1 ,得到

l=0Pl(1)tl=11+t=l=0(1)ltl

比较系数,得到

Pl(1)=(1)l

两侧同时对 x 偏导并且带入 x=±1

t(12xt+t2)32=l=0Pl(x)tlt(12t+t2)32=l=0Pl(±1)tlt(1t)3=l=0Pl(±1)tl=l=2t(1±3t+(1)l(l+1)(l+2)2(t)l)

对比系数,得到

P0(±1)=0P1(±1)=1P2(±1)=±3Pl(±1)=(±1)l+1l(l+1)2

对于 2 阶导,在两边继续对 x 偏导得到

3t2(12xt+t2)52=l=0Pl(x)tl3t2(1t)5=l=0Pl(±1)tl=l=43t2(1±5t+15(t)2+35(±t)3+(1)l(l+1)(l+2)(l+3)(l+4)24(t)l)

对比两边系数,得到

P0(±1)=P1(±1)=0P2(±1)=3P3(±1)=±15P4(±1)=45Pl(±1)=(±1)l(l1)l(l+1)(l+2)8

2.证明

x1Pk(x)Pl(x)dx=(1x2)[Pk(x)Pl(x)Pl(x)Pk(x)]k(k+1)l(l+1),kl

勒让德多项式 Pk(x)Pl(x) 满足勒让德微分方程

(1x2)Pk(x)2xPk(x)+k(k+1)Pk(x)=0(1x2)Pl(x)2xPl(x)+l(l+1)Pl(x)=0

u=Pk(x), v=Pl(x)。考虑表达式

ddx[(1x2)(uvuv)]

计算导数

ddx[(1x2)(uvuv)]=(1x2)ddx(uvuv)+(2x)(uvuv)

其中

ddx(uvuv)=uv+uvuvuv=uvuv

所以

ddx[(1x2)(uvuv)]=(1x2)(uvuv)2x(uvuv)

从微分方程代入 uv

(1x2)u=2xuk(k+1)u,(1x2)v=2xvl(l+1)v

所以

(1x2)(uvuv)=[2xuk(k+1)u]vu[2xvl(l+1)v]=2x(uvuv)[k(k+1)l(l+1)]uv

因此

ddx[(1x2)(uvuv)]=2x(uvuv)[k(k+1)l(l+1)]uv2x(uvuv)=[k(k+1)l(l+1)]uv

即:

ddx[(1x2)(Pk(x)Pl(x)Pl(x)Pk(x))]=[k(k+1)l(l+1)]Pk(x)Pl(x)

积分从 x1

x1Pk(t)Pl(t)dt=1k(k+1)l(l+1)x1ddt[(1t2)(Pk(t)Pl(t)Pl(t)Pk(t))]dtx1ddt[]dt=[(1t2)(Pk(t)Pl(t)Pl(t)Pk(t))]t=xt=1

t=1 时,1t2=0,所以该项为零。在 t=x 时,值为 (1x2)(Pk(x)Pl(x)Pl(x)Pk(x))。因此

x1Pk(t)Pl(t)dt=1k(k+1)l(l+1)[0(1x2)(Pk(x)Pl(x)Pl(x)Pk(x))]=(1x2)[Pk(x)Pl(x)Pl(x)Pk(x)]k(k+1)l(l+1)

4.计算下列积分

(a)

11(1x2)dPk(x)dxdPl(x)dxdx

勒让德微分方程为

ddx((1x2)dPndx)+n(n+1)Pn=0

L=ddx((1x2)ddx),则 LPn=n(n+1)Pn

对于 u=Pk(x), v=Pl(x),有

11uLvdx=11uddx((1x2)dvdx)dx

分部积分:

=[u(1x2)dvdx]1111dudx(1x2)dvdxdx

x=±1 时,1x2=0,边界项为零,所以

11uLvdx=11(1x2)dudxdvdxdx

代入 Lv=l(l+1)v

11(1x2)dudxdvdxdx=l(l+1)11uvdx

利用正交性 11PkPldx=22l+1δkl

11(1x2)PkPldx=l(l+1)22l+1δkl=2l(l+1)2l+1δkl

由于 δkl,可写为

11(1x2)dPk(x)dxdPl(x)dxdx=2k(k+1)2k+1δkl

(b)

11dPk(x)dxdPl(x)dxdx

不失一般性,假设 k<l

11dPk(x)dxdPl(x)dxdx=Pl(x)dPk(x)dx|1111Pl(x)Pk(x)dx

由于

Pk(x)=12kk!m=0[k2]1(1)mk!m!(km)!(2k2m)!(k2m2)!xk2m2

利用Legendre多项式和低次项的正交性

11xkPl(x)dx=0(k<l)

所以后一项为 0,得到

11dPk(x)dxdPl(x)dxdx=Pl(x)dPk(x)dx|11=Pl(1)Pk(1)Pl(1)Pk(1)=k(k+1)2(1+(1)l+k)

5.计算下列积分

(a)

11(1+x)kPl(x)dx
  • 如果 k<l,则由于 Pl(x) 与所有次数小于 l 的多项式正交,而 (1+x)k 是次数为 k 的多项式,积分值为 0
  • 如果 kl,则经过非常复杂的分部积分运算,可以得到(大体过程就是先把 Legendre 多项式中的 l 阶导全部转移到另一边,然后再对得到的 (x+1)k(x1)l 项利用 Beta 积分得出结果)
11(1+x)kPl(x)dx=2k+1(k!)2(k+l+1)!(kl)!

(b)

01Pk(x)Pl(x)dx
  • 如果 kl 同奇偶性,则 01PkPldx=1211PkPldx=1222l+1δkl=12l+1δkl,即当 kl 时积分值为 0
  • 如果 kl 奇偶性不同,则利用 Legendre 方程的结论计算 (不失一般性,假设 k=2k,l=2l+1)
01Pk(x)Pl(x)dx=1l(l+1)k(k+1)(1x2)(Pk(x)Pl(x)Pl(x)Pk(x))|01=Pl(0)Pk(0)Pk(0)Pl(0)l(l+1)k(k+1)=1(2l+1)(2l+2)2k(2k+1)((1)l(2l+1)!22l(l!)2(1)k(2k)!22k(k!)2)=(1)l+k(2l+1)(2l+2)2k(2k+1)(2l+1)!(2k)!22(l+k)(l!)2(k!)2

(c)

11Pl(x)ln(1x)dx

l=0 时,

11P0(x)ln(1x)dx=2ln22

l0 时,直接利用和 (a) 类似的思路,分部积分得到

11Pl(x)ln(1x)dx=(l1)!2ll!11(1+x)ldx=2l(l+1)

(d)

11Pl(x)(1x)αdx,1<α<0

先进行分部积分,得到

11Pl(x)(1x)αdx=(1)l2ll!Γ(α+1)Γ(αl+1)11(1x)α(1+x)ldx

这正好是 Beta 积分的形式,得到

11Pl(x)(1x)αdx=(1)l2α+1Γ(α+1)Γ(α+1)Γ(α+l+2)Γ(αl+1)

(e)

11x2Pl(x)Pl+2(x)dx

利用递推关系 xPl(x)=l+12l+1Pl+1(x)+l2l+1Pl1(x) 及正交性。计算得

11x2PlPl+2dx=2(l+1)(l+2)(2l+1)(2l+3)(2l+5)

(f)

11[xPl(x)]2dx

利用 xPl(x)=l+12l+1Pl+1(x)+l2l+1Pl1(x),及正交性

11[xPl(x)]2dx=(l+12l+1)222l+3+(l2l+1)222l1

简化得

11[xPl(x)]2dx=2(2l2+2l1)(2l1)(2l+3)(2l+1)

6.把下列函数按照勒让德多项式展开

(a) f(x)=x2

利用 P2(x)=3x212,解得 x2=23P2(x)+13P0(x),所以:

x2=13P0(x)+23P2(x)

(b) f(x)=|x|

|x| 为偶函数,展开仅含偶次项

|x|=n=0a2nP2n(x),a2n=4n+1211|x|P2n(x)dx24n+1a2n=10P1(x)P2n(x)dx+01P1(x)P2n(x)dx=201P1(x)P2n(x)dx

直接带入上一题中的结果

01P1(x)P2n(x)dx=(1)n+1(2n)!22n+1n!(n+1)!(2n1)

得到

a2n=(1)n+1(2n)!22n+1n!(n+1)!4n+12n1

(d) f(x)=12xt+t2

假设 f(x)=nanPn(x)

利用生成函数的表达式

12xt+t2=(12xt+t2)l=0Pl(x)tl=l(1+t2)tlPl(x)l2tl+1(l+12l+1Pl+1(x)+l2l+1Pl1(x))

整理得到

a0=(1+t2)23t2=1+13t2an=(1+t2)tn2tnn2n12tn+2n+12n+3=12n1tn+12n+3tn+2

8.利用勒让德多项式的生成函数证明

(a)

Pl(12)=k=02lPk(12)P2lk(12)

证明: 生成函数在 x=12x=12

11+t+t2=mPm(12)tm,11t+t2=nPn(12)tn

乘积

11+t+t211t+t2=11+t2+t4=lPl(12)t2l

右边乘积的展开

(mPm(12)tm)(nPn(12)tn)=s(k=0sPk(12)Psk(12))ts

比较 t2l 的系数,得到

Pl(12)=k=02lPk(12)P2lk(12)

(b)

Pl(cos2θ)=k=02l(1)kPk(cosθ)P2lk(cosθ)

证明: 生成函数在 x=cos2θ

112cos2θt+t2=nPn(cos2θ)tn

cos2θ=2cos2θ1,所以

12cos2θt+t2=12(2cos2θ1)t+t2=14cos2θt+2t+t2

考虑生成函数在 x=cosθtt 的乘积

112cosθt+t2112cosθ(t)+(t)2=112cosθt+t211+2cosθt+t2=112cos2θt2+t4

右边

112cos2θt2+t4=lPl(cos2θ)t2l

左边乘积的展开

(mPm(cosθ)tm)(nPn(cosθ)(t)n)=s(k=0sPk(cosθ)Psk(cosθ)(1)sk)ts

对于 s=2l,系数为 k=02lPk(cosθ)P2lk(cosθ)(1)2lk=k=02l(1)kPk(cosθ)P2lk(cosθ),与左边 t2l 的系数 Pl(cos2θ) 相等,即

Pl(cos2θ)=k=02l(1)kPk(cosθ)P2lk(cosθ)

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