預備知識
形如
的方程叫做勒讓德(Legendre)方程。在
其中
勒讓德多項式具有很多重要的性質,比如正交性:
通常稱 的正平方根為勒讓德多項式的模值。在應用勒讓德多項式解決數學物理方程的定解問題時,常常需要將給定區間內的函數按勒讓德多項式展開為無窮級數,即
為求出係數,在上式兩端同乘以並在區間上積分,得到:
所以
將代入
便得到 的展開式。若令,那就有
遞推公式一
證明: 為證明,先將 展開為勒讓德多項式的級數, 設 其中
由於 是次多項式,所以它的展開式中不可能包含高於次的多項式,即當時,。同時,利用分部積分法,可得
當時,,因此可知
此外由於 是的奇函數,故有
於是 的展開式中只剩下下兩項:
又因為的最高次項的係數為 ,比較兩端的最高次項的係數,得到
由此得到
在中令 ,由於可得 ,於是
將代入到 中得到:
於是可以得到
遞推公式二
證明:引入羅德裡格斯公式:
於是
所以
於是
由還可以引申出下式:
證明:由,得到:
於是
繼續推導即可證明式
遞推公式三
由式兩端對 求導:
於是
由有
由前兩式就得到
遞推公式四
證明:由式得
兩端對求導:
由有
結合前兩式得到:
遞推公式五
證明:由以代替,有
由有
於是
由有
結合前兩式得到
最後
勒讓德多項式是數學物理問題中重要的函數集合之一,可以用於求解具有軸對稱性的帶電體的靜電勢、球形域內的電位分布等等。關于勒讓德多項式遞推公式以及其通項公式還有諸多形式。比如可以直接探索勒讓德方程的解,以及本徵值的不同取值,可以得到許多遞推公式以及通項公式,還有積分形式及組合形式等。所有這些公式的使用就是為了更好地解決實際數學物理問題,使之變得更加簡便、快捷,以達到學以致用。