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2016年8月30日火曜日

微分方程式を行列方程式に


まず正規直交関数{ϕk}k=1を考える。直交多項式はk=0から始まるのでほんのすこし面倒だが、ここでは正規直交関数の列を便宜的にϕk,k=1,2,3とする。 例えば、正規直交型のルジャンドル多項式は ϕk(z)=2k12Pk1(z) などとして取り扱えば良い。このような正規直交型の関数を使って関数を展開する。例えば、基底の数をnとすると F(z)=nk=1ckϕk(z) といった感じだ。

ここでは正規直交化された一般ラゲール関数ϕ(α)n(z)=n!(n+α)!zα2ez2L(α)n(z) を例にとって、その1階、2階微分を計算すると ϕ(α)n(z)z=n!(n+α)![(α2z12)eα2logzz2L(α)n(z)+eα2logzz2(1)L(α+1)n1(z)]2ϕ(α)n(z)z2=n!(n+α)![{α2z2+(α2z12)2}eα2logzz2L(α)n(z)+(αz+1)eα2logzz2L(α+1)n1(z)+eα2logzz2L(α+2)n2(z)] ここで2階の微分方程式のための演算子をˆLとでも書くと、その斉次微分方程式は ˆLF=EF というようになる。 Fを展開して ˆLF=A22Fz2+A1Fz+A0F=kˆLckϕk=Ekckϕk といったようになる。この演算子の行列要素を、 Ljk=ϕjˆLϕkdz といった感じで定義する。 よって行列方程式のj行目は nk=1Ljkck=Ecj,(j=1,2,,n) となって連立方程式を解くことになる。基底の数 n と連立方程式の数は同じである。

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