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
{افان مات او قتل انقلبتم على اعقابكم}
2024-11-24
العبرة من السابقين
2024-11-24
تدارك الذنوب
2024-11-24
الإصرار على الذنب
2024-11-24
معنى قوله تعالى زين للناس حب الشهوات من النساء
2024-11-24
مسألتان في طلب المغفرة من الله
2024-11-24


Legendre Differential Equation  
  
2124   03:25 مساءً   date: 22-6-2018
Author : Abramowitz, M. and Stegun, I. A
Book or Source : Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs, and Mathematical Tables, 9th printing. New York: Dover
Page and Part : ...


Read More
Date: 5-7-2018 1371
Date: 11-6-2018 1096
Date: 26-12-2018 692

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

(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{y_1(x) for l even; y_2(x) for l odd

(25)

= c_n{_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

(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.




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.