حل سری توانی معادلات دیفرانسیل

در ریاضیات، از **روش سری توانی** برای جستجوی جواب سری توانی برای معادلات دیفرانسیل معین استفاده می‌شود. به‌طور کلی، چنین جوابی یک سری توانی با ضرایب ناشناخته فرض می‌کند، سپس آن جواب را در معادله دیفرانسیل جایگزین می‌کند تا رابطه بازگشتی ضرایب را پیدا کند.

## روش
معادله دیفرانسیل خطی مرتبه دوم را در نظر بگیرید

: a_2(z)f*(z)+a_1(z)f'(z)+a_0(z)f(z)=0.\;\!</math>

فرض کنید *a* <sub>2</sub> برای تمام *z*‌ها غیر صفر باشد. سپس می‌توانیم تقسیم کنیم تا بدست آوریم

: <math>f*+{a_1(z)\over a_2(z)}f'+{a_0(z)\over a_2(z)}f=0.

فرض کنید که *a*1/*a*2 و *a*0/*a*2 توابع تحلیلی هستند.

روش سری توانی خواستار ساخت یک جواب سری توانی است

: f=\sum_{k=0}^\infty A_kz^k.

اگر مقدار *a*2 برای بعضی از *z*‌ها صفر باشد، روش فروبینوس، نوعی تغییر در این روش، برای مقابله با اصطلاح " نقاط تکین " مناسب است. این روش برای معادلات مرتبه بالاتر و همچنین برای سیستم‌ها به‌طور مشابه کار می‌کند.

## مثال معمول
بیایید به معادله دیفرانسیل هرمیت نگاه کنیم،

: f*-2zf'+\lambda f=0;\;\lambda=1</math>

ما می‌توانیم سعی کنیم یک راه حل سری بسازیم

: <math>f=\sum_{k=0}^\infty A_kz^k</math>
: <math>f'=\sum_{k=1}^\infty kA_kz^{k-1}</math>
: <math>f*=\sum_{k=2}^\infty k(k-1)A_kz^{k-2}

اینها را در معادله دیفرانسیل جایگزین کنید

: 
\begin{align}
& {} \quad \sum_{k=2}^\infty k(k-1)A_kz^{k-2}-2z\sum_{k=1}^\infty kA_kz^{k-1}+\sum_{k=0}^\infty A_kz^k=0 \\
& =\sum_{k=2}^\infty k(k-1)A_kz^{k-2}-\sum_{k=1}^\infty 2kA_kz^k+\sum_{k=0}^\infty A_kz^k
\end{align}


تغییر در اولین جمع

: 
\begin{align}
& = \sum_{k=0}^\infty (k+2)(k+1) A_{k+2} z^k - \sum_{k=1}^\infty 2k A_k z^k + \sum_{k=0}^\infty A_k z^k \\
& = 2 A_2 + \sum_{k=1}^\infty (k+2)(k+1) A_{k+2} z^k - \sum_{k=1}^\infty 2k A_k z^k + A_0 + \sum_{k=1}^\infty A_k z^k \\
& = 2 A_2 + A_0 + \sum_{k=1}^\infty \left( (k+2) (k+1) A_{k+2} + (-2k+1) A_k \right) z^k
\end{align}


اگر این سری یک جواب باشد، تمام این ضرایب باید صفر باشند، بنابراین هم برای k=۰ و هم برای k> 0:

: (k+2)(k+1)A_{k+2}+(-2k+1)A_k=0\;\!

برای بدست آوردن رابطه بازگشتی برای *A**k*+2 می‌توانیم این ترتیب را مرتب کنیم.

: (k+2)(k+1)A_{k+2}=-(-2k+1)A_k\;\!

: A_{k+2}={(2k-1)\over (k+2)(k+1)}A_k\;\!

اکنون، ما داریم

: A_2 = {-1 \over (2)(1)}A_0={-1\over 2}A_0,\, A_3 = {1 \over (3)(2)} A_1={1\over 6}A_1

ما می‌توانیم *A*0 و *A*1 را اگر شرایط اولیه وجود داشته باشد، تعیین کنیم، یعنی اگر یک مسئله مقدار اولیه داشته باشیم.

بنابراین ما داریم

: 
\begin{align}
A_4 & ={1\over 4}A_2 = \left({1\over 4}\right)\left({-1 \over 2}\right)A_0 = {-1 \over 8}A_0 \\[8pt]
A_5 & ={1\over 4}A_3 = \left({1\over 4}\right)\left({1 \over 6}\right)A_1 = {1 \over 24}A_1 \\[8pt]
A_6 & = {7\over 30}A_4 = \left({7\over 30}\right)\left({-1 \over 8}\right)A_0 = {-7 \over 240}A_0 \\[8pt]
A_7 & = {3\over 14}A_5 = \left({3\over 14}\right)\left({1 \over 24}\right)A_1 = {1 \over 112}A_1
\end{align}


و جواب سری

: 
\begin{align}
f & = A_0z^0+A_1z^1+A_2z^2+A_3z^3+A_4z^4+A_5z^5+A_6z^6+A_7z^7+\cdots \\[8pt]
& = A_0z^0 + A_1z^1 + {-1\over 2}A_0z^2 + {1\over 6}A_1z^3 + {-1 \over 8}A_0z^4 + {1 \over 24}A_1z^5 + {-7 \over 240}A_0z^6 + {1 \over 112}A_1z^7 + \cdots \\[8pt]
& = A_0z^0 + {-1\over 2}A_0z^2 + {-1 \over 8}A_0z^4 + {-7 \over 240}A_0z^6 + A_1z + {1\over 6}A_1z^3 + {1 \over 24}A_1z^5 + {1 \over 112}A_1z^7 + \cdots
\end{align}


که می‌توانیم آن را به مجموع دو جواب سری مستقل خطی بشکنیم:

: f=A_0 \left(1+{-1\over 2}z^2+{-1 \over 8}z^4+{-7 \over 240}z^6+\cdots\right) + A_1\left(z+{1\over 6}z^3+{1 \over 24}z^5+{1 \over 112}z^7+\cdots\right)

که با استفاده از سری‌های فوق‌هندسی می‌تواند بیشتر ساده شود.

## معادلات غیرخطی
روش سری توانی را می‌توان در معادلات دیفرانسیل غیرخطی معین اعمال کرد، البته با انعطاف‌پذیری کمتر. یک دسته بسیار بزرگ از معادلات غیرخطی را می‌توان با استفاده از روش پارکر-سوچاکی به‌صورت تحلیلی حل کرد.

## پیوند به بیرون

* 

## منابع

* 
* 
* 
* 

رده:معادلات دیفرانسیل معمولی