用幂级数(弗罗贝尼乌斯方法)求解微分方程$x^2y''+2xy'+2y=0$的疑问
我知道用$x=e^t$的代换能解这个微分方程,但这次要求用幂级数(弗罗贝尼乌斯方法)来做。我先假设解的形式是$y=\sum_{n\geq 0}a_nx^{n+r}$,代入原方程后化简得到:
$$\sum_{n\geq 0}(n+r)(n+r-1)a_nx^{n+r}+\sum_{n\geq 0}2(n+r)a_nx^{n+r}+\sum_{n\geq 0}2a_nx^{n+r}=0$$
进一步合并成:
$$\sum_{n\geq 0}{(n+r)(n+r-1)+2(n+r)+2}a_nx^{n+r}=0$$
到这一步我就困惑了:
是不是因为$a_n\neq0$,所以必须让$(n+r)(n+r-1)+2(n+r)+2=0$?我设$u\equiv n+r$,代入后得到:
$$u(u-1)+2u+2=u^2+u+2=0\implies u=n+r=-\frac{1}{2}\pm i\frac{\sqrt 7}{2}$$
那我猜解应该是这个形式:
$$y=\sum_{n\geq 0}a_nx^{-\frac{1}{2}+ i\frac{\sqrt 7}{2}}+\sum_{n\geq 0}a_nx^{-\frac{1}{2}- i\frac{\sqrt 7}{2}}$$
但这里的系数$a_n$该怎么处理呢?毕竟这是二阶微分方程,应该只有两个由边界条件确定的系数$a_0$和$a_1$才对?所以是不是最终解应该写成这样:
$$y=a_0x^{-\frac{1}{2}+ i\frac{\sqrt 7}{2}}+a_1x^{-\frac{1}{2}- i\frac{\sqrt 7}{2}}=\frac{1}{\sqrt x}\left(a_0e^{i\frac{\sqrt 7}{2}\ln x}+a_1e^{-i\frac{\sqrt 7}{2}\ln x}\right)=\frac{A}{\sqrt x}\sin\left(\frac{\sqrt 7}{2}\ln x+B\right)$$
备注:内容来源于stack exchange,提问作者Hug de Roda

