1

المرجع الالكتروني للمعلوماتية

تاريخ الرياضيات

الاعداد و نظريتها

تاريخ التحليل

تار يخ الجبر

الهندسة و التبلوجي

الرياضيات في الحضارات المختلفة

العربية

اليونانية

البابلية

الصينية

المايا

المصرية

الهندية

الرياضيات المتقطعة

المنطق

اسس الرياضيات

فلسفة الرياضيات

مواضيع عامة في المنطق

الجبر

الجبر الخطي

الجبر المجرد

الجبر البولياني

مواضيع عامة في الجبر

الضبابية

نظرية المجموعات

نظرية الزمر

نظرية الحلقات والحقول

نظرية الاعداد

نظرية الفئات

حساب المتجهات

المتتاليات-المتسلسلات

المصفوفات و نظريتها

المثلثات

الهندسة

الهندسة المستوية

الهندسة غير المستوية

مواضيع عامة في الهندسة

التفاضل و التكامل

المعادلات التفاضلية و التكاملية

معادلات تفاضلية

معادلات تكاملية

مواضيع عامة في المعادلات

التحليل

التحليل العددي

التحليل العقدي

التحليل الدالي

مواضيع عامة في التحليل

التحليل الحقيقي

التبلوجيا

نظرية الالعاب

الاحتمالات و الاحصاء

نظرية التحكم

بحوث العمليات

نظرية الكم

الشفرات

الرياضيات التطبيقية

نظريات ومبرهنات

علماء الرياضيات

500AD

500-1499

1000to1499

1500to1599

1600to1649

1650to1699

1700to1749

1750to1779

1780to1799

1800to1819

1820to1829

1830to1839

1840to1849

1850to1859

1860to1864

1865to1869

1870to1874

1875to1879

1880to1884

1885to1889

1890to1894

1895to1899

1900to1904

1905to1909

1910to1914

1915to1919

1920to1924

1925to1929

1930to1939

1940to the present

علماء الرياضيات

الرياضيات في العلوم الاخرى

بحوث و اطاريح جامعية

هل تعلم

طرائق التدريس

الرياضيات العامة

نظرية البيان

الرياضيات : المعادلات التفاضلية و التكاملية : معادلات تفاضلية :

Legendre Differential Equation

المؤلف:  Abramowitz, M. and Stegun, I. A

المصدر:  Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs, and Mathematical Tables, 9th printing. New York: Dover

الجزء والصفحة:  ...

22-6-2018

2423

Legendre Differential Equation

The Legendre differential equation is the second-order ordinary differential equation

 (1-x^2)(d^2y)/(dx^2)-2x(dy)/(dx)+l(l+1)y=0,

(1)

which can be rewritten

 d/(dx)[(1-x^2)(dy)/(dx)]+l(l+1)y=0.

(2)

The above form is a special case of the so-called "associated Legendre differential equation" corresponding to the case m=0. The Legendre differential equation has regular singular points at -1, 1, and infty.

If the variable x is replaced by costheta, then the Legendre differential equation becomes

 (d^2y)/(dtheta^2)+(costheta)/(sintheta)(dy)/(dtheta)+l(l+1)y=0,

(3)

derived below for the associated (m!=0) case.

Since the Legendre differential equation is a second-order ordinary differential equation, it has two linearly independent solutions. A solution P_l(x) which is regular at finite points is called a Legendre function of the first kind, while a solution Q_l(x) which is singular at +/-1 is called a Legendre function of the second kind. If l is an integer, the function of the first kind reduces to a polynomial known as the Legendre polynomial.

The Legendre differential equation can be solved using the Frobenius method by making a series expansion with k=0,

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

(4)

= sum_(n=0)^(infty)na_nx^(n-1)

(5)

= sum_(n=0)^(infty)n(n-1)a_nx^(n-2).

(6)

Plugging in,

 (1-x^2)sum_(n=0)^inftyn(n-1)a_nx^(n-2)-2xsum_(n=0)^inftyna_nx^(n-1)+l(l+1)sum_(n=0)^inftya_nx^n=0

(7)

sum_(n=0)^(infty)n(n-1)a_nx^(n-2)-sum_(n=0)^(infty)n(n-1)a_nx^n

(8)

 -2xsum_(n=0)^(infty)na_nx^(n-1)+l(l+1)sum_(n=0)^(infty)a_nx^n=0

(9)

sum_(n=2)^(infty)n(n-1)a_nx^(n-2)-sum_(n=0)^(infty)n(n-1)a_nx^n

(10)

 -2sum_(n=0)^(infty)na_nx^n+l(l+1)sum_(n=0)^(infty)a_nx^n=0

(11)

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

(12)

 -2sum_(n=0)^(infty)na_nx^n+l(l+1)sum_(n=0)^(infty)a_nx^n=0

(13)

 sum_(n=0)^infty<span style={(n+1)(n+2)a_(n+2)+[-n(n-1)-2n+l(l+1)]a_n}=0, " src="http://mathworld.wolfram.com/images/equations/LegendreDifferentialEquation/NumberedEquation5.gif" style="height:44px; width:348px" />

(14)

so each term must vanish and

 (n+1)(n+2)a_(n+2)+[-n(n+1)+l(l+1)]a_n=0

(15)

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

(16)

= -([l+(n+1)](l-n))/((n+1)(n+2))a_n.

(17)

Therefore,

a_2 = -(l(l+1))/(1·2)a_0

(18)

a_4 = -((l-2)(l+3))/(3·4)a_2

(19)

= (-1)^2([(l-2)l][(l+1)(l+3)])/(1·2·3·4)a_0

(20)

a_6 = -((l-4)(l+5))/(5·6)a_4

(21)

= (-1)^3([(l-4)(l-2)l][(l+1)(l+3)(l+5)])/(1·2·3·4·5·6)a_0,

(22)

so the even solution is

 y_1(x)=1+sum_(n=1)^infty(-1)^n([(l-2n+2)...(l-2)l][(l+1)(l+3)...(l+2n-1)])/((2n)!)x^(2n).

(23)

Similarly, the odd solution is

 y_2(x)=x+sum_(n=1)^infty(-1)^n([(l-2n+1)...(l-3)(l-1)][(l+2)(l+4)...(l+2n)])/((2n+1)!)x^(2n+1).

(24)

If l is an even integer, the series y_1(x) reduces to a polynomial of degree l with only even powers of x and the seriesy_2(x) diverges. If l is an odd integer, the series y_2(x) reduces to a polynomial of degree l with only odd powers of xand the series y_1(x) diverges. The general solution for an integer l is then given by the Legendre polynomials

P_n(x) = c_n<span style={y_1(x) for l even; y_2(x) for l odd" src="http://mathworld.wolfram.com/images/equations/LegendreDifferentialEquation/Inline61.gif" style="height:41px; width:118px" />

(25)

= c_n<span style={_2F_1(-1/2,1/2(l+1);1/2,x^2) for l even; x_2F_1(1/2(l+2),1/2(1-l);3/2;x^2) for l odd" src="http://mathworld.wolfram.com/images/equations/LegendreDifferentialEquation/Inline64.gif" style="height:56px; width:269px" />

(26)

where c_n is chosen so as to yield the normalization P_n(1)=1 and _2F_1(a,b;c;z) is a hypergeometric function.

A generalization of the Legendre differential equation is known as the associated Legendre differential equation.

Moon and Spencer (1961, p. 155) call the differential equation

(27)

the Legendre wave function equation (Zwillinger 1997, p. 124).


REFERENCES:

Abramowitz, M. and Stegun, I. A. (Eds.). Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs, and Mathematical Tables, 9th printing. New York: Dover, p. 332, 1972.

Moon, P. and Spencer, D. E. Field Theory for Engineers. New York: Van Nostrand, 1961.

Zwillinger, D. Handbook of Differential Equations, 3rd ed. Boston, MA: Academic Press, 1997.

EN

تصفح الموقع بالشكل العمودي