المرجع الالكتروني للمعلوماتية
المرجع الألكتروني للمعلوماتية

الرياضيات
عدد المواضيع في هذا القسم 9761 موضوعاً
تاريخ الرياضيات
الرياضيات المتقطعة
الجبر
الهندسة
المعادلات التفاضلية و التكاملية
التحليل
علماء الرياضيات

Untitled Document
أبحث عن شيء أخر المرجع الالكتروني للمعلوماتية


Frobenius Method  
  
1881   02:38 مساءً   date: 12-6-2018
Author : Arfken, G
Book or Source : Mathematical Methods for Physicists, 3rd ed. Orlando, FL: Academic Press
Page and Part : ...


Read More
Date: 30-5-2018 960
Date: 22-6-2018 1361
Date: 5-7-2018 1179

Frobenius Method

If x_0 is an ordinary point of the ordinary differential equation, expand y in a Taylor series about x_0. Commonly, the expansion point can be taken as x_0=0, resulting in the Maclaurin series

 y=sum_(n=0)^inftya_nx^n.

(1)

Plug y back into the ODE and group the coefficients by power. Now, obtain a recurrence relation for the nth term, and write the series expansion in terms of the a_ns. Expansions for the first few derivatives are

y = sum_(n=0)^(infty)a_nx^n

(2)

= sum_(n=1)^(infty)na_nx^(n-1)

(3)

= sum_(n=0)^(infty)(n+1)a_(n+1)x^n

(4)

= sum_(n=2)^(infty)n(n-1)a_nx^(n-2)

(5)

= sum_(n=0)^(infty)(n+2)(n+1)a_(n+2)x^n.

(6)

If x_0 is a regular singular point of the ordinary differential equation,

(7)

solutions may be found by the Frobenius method or by expansion in a Laurent series. In the Frobenius method, assume a solution of the form

 y=x^ksum_(n=0)^inftya_nx^n,

(8)

so that

y = x^ksum_(n=0)^(infty)a_nx^n

(9)

= sum_(n=0)^(infty)a_nx^(n+k)

(10)

= sum_(n=0)^(infty)a_n(n+k)x^(k+n-1)

(11)

= sum_(n=0)^(infty)a_n(n+k)(n+k-1)x^(k+n-2).

(12)

Now, plug y back into the ODE and group the coefficients by power to obtain a recursion formula for the a_nth term, and then write the series expansion in terms of the a_ns. Equating the a_0 term to 0 will produce the so-called indicial equation, which will give the allowed values of k in the series expansion.

As an example, consider the Bessel differential equation

 x^2(d^2y)/(dx^2)+x(dy)/(dx)+(x^2-m^2)y=0.

(13)

Plugging (◇) into (◇) yields

 sum_(n=0)^infty(k+n)(k+n-1)a_nx^(k+n)+sum_(n=0)^infty(k+n)a_nx^(k+n) 
 +sum_(n=2)^inftya_(n-2)x^(k+n)-m^2sum_(n=0)^inftya_nx^(n+k)=0.

(14)

The indicial equation, obtained by setting n=0, is then

 a_0[k(k-1)+k-m^2]=a_0(k^2-m^2)=0.

(15)

Since a_0 is defined as the first nonzero term, k^2-m^2=0, so k=+/-m. For illustration purposes, ignore k=-m and consider only the case k=m (avoiding the special case m!=1/2), then equation (14) requires that

 a_1(2m+1)=0

(16)

(so a_1=0) and

 [a_nn(2m+n)+a_(n-2)]x^(m+n)=0

(17)

for n=2, 3, ..., so

 a_n=-1/(n(2m+n))a_(n-2)

(18)

for n>1. Plugging back in to (◇), rearranging, and simplifying then gives the series solution that defined the Bessel function of the first kind J_m(x), which is the nonsingular solution to (◇). (Considering the case m=-k proceeds analogously and results in the solution J_(-m)(x)=(-1)^mJ_m(x).)

Fuchs's theorem guarantees that at least one power series solution will be obtained when applying the Frobenius method if the expansion point is an ordinary, or regular, singular point. For a regular singular point, a Laurent seriesexpansion can also be used. Expand y in a Laurent series, letting

 y=c_(-n)x^(-n)+...+c_(-1)x^(-1)+c_0+c_1x+...+c_nx^n+....

(19)

Plug y back into the ODE and group the coefficients by power. Now, obtain a recurrence formula for the c_nth term, and write the Taylor series in terms of the c_ns.


REFERENCES:

Arfken, G. "Series Solutions--Frobenius' Method." §8.5 in Mathematical Methods for Physicists, 3rd ed. Orlando, FL: Academic Press, pp. 454-467, 1985.

Frobenius. "Ueber die Integration der linearen Differentialgleichungen durch Reihen." J. reine angew. Math. 76, 214-235, 1873.

Ince, E. L. Ch. 5 in Ordinary Differential Equations. New York: Dover, 1956.




الجبر أحد الفروع الرئيسية في الرياضيات، حيث إن التمكن من الرياضيات يعتمد على الفهم السليم للجبر. ويستخدم المهندسون والعلماء الجبر يومياً، وتعول المشاريع التجارية والصناعية على الجبر لحل الكثير من المعضلات التي تتعرض لها. ونظراً لأهمية الجبر في الحياة العصرية فإنه يدرّس في المدارس والجامعات في جميع أنحاء العالم. ويُعجب الكثير من الدارسين للجبر بقدرته وفائدته الكبيرتين، إذ باستخدام الجبر يمكن للمرء أن يحل كثيرًا من المسائل التي يتعذر حلها باستخدام الحساب فقط.وجاء اسمه من كتاب عالم الرياضيات والفلك والرحالة محمد بن موسى الخورازمي.


يعتبر علم المثلثات Trigonometry علماً عربياً ، فرياضيو العرب فضلوا علم المثلثات عن علم الفلك كأنهما علمين متداخلين ، ونظموه تنظيماً فيه لكثير من الدقة ، وقد كان اليونان يستعملون وتر CORDE ضعف القوسي قياس الزوايا ، فاستعاض رياضيو العرب عن الوتر بالجيب SINUS فأنت هذه الاستعاضة إلى تسهيل كثير من الاعمال الرياضية.

تعتبر المعادلات التفاضلية خير وسيلة لوصف معظم المـسائل الهندسـية والرياضـية والعلمية على حد سواء، إذ يتضح ذلك جليا في وصف عمليات انتقال الحرارة، جريان الموائـع، الحركة الموجية، الدوائر الإلكترونية فضلاً عن استخدامها في مسائل الهياكل الإنشائية والوصف الرياضي للتفاعلات الكيميائية.
ففي في الرياضيات, يطلق اسم المعادلات التفاضلية على المعادلات التي تحوي مشتقات و تفاضلات لبعض الدوال الرياضية و تظهر فيها بشكل متغيرات المعادلة . و يكون الهدف من حل هذه المعادلات هو إيجاد هذه الدوال الرياضية التي تحقق مشتقات هذه المعادلات.