Enunciado

Em cada um dos problemas de 44 a 49, use os resultados do Problema 43 para determinar se o ponto no infinito é um ponto ordinário, singular regular ou singular irregular da equação diferencial dada.

46.

1 - x 2 y ' ' - 2 x y ' + α α + 1 y = 0 ,                 e q u a ç ã o   d e   L e g e n d r e

Passo 1

Fala galera!!

Queremos determinar se o ponto no infinito é um ponto singular ordinário, singular regular ou singular irregular da equação diferencial

1 - x 2 y ' ' - 2 x y ' + α α + 1 y = 0

Passo 2

Para resolver essa questão, primeiro, precisamos substituir ξ = 1 / x na equação diferencial. Pela solução do exercício 43, sabemos que a equação diferencial substituída está na forma:

P * ξ y ' ' + Q * ξ y ' ' + R * ξ y = 0

Onde

P * ξ = ξ 4 P 1 / ξ

Q * ξ = 2 ξ 3 P 1 / ξ - ξ 2 Q 1 / ξ

R * ξ = R 1 / ξ

Pela equação diferencial fornecida. Temos que P x = 1 - x 2 , Q x = - 2 x e R x = α α + 1 . Assim temos:

P * ξ = ξ 4 1 - 1 / ξ 2   = ξ 2 ξ 2 - 1

Q * ξ = 2 ξ 3 1 - 1 / ξ 2 - ξ 2 - 2 1 / ξ = 2 ξ 3   - 2 ξ + 2 ξ = 2 ξ 3

R * ξ = α α + 1 = α α + 1

Passo 3

Para que ξ = 0 seja um ponto comum, Q * ξ P * ξ e R * ξ P * ξ devem ser contínuos e ter expansões da série Taylor sobre ξ = 0 :

Q * ξ P * ξ = 2 ξ 3 ξ 2 ξ 2 - 1 = 2 ξ 3 ξ 3 ξ - 1 / ξ = 2 ξ - 1 / ξ = 0

R * ξ P * ξ = α α + 1 ξ 2 ξ 2 - 1 = ∞

Assim, temos que R * ξ P * ξ não é continuo no ponto ξ = 0 . Portanto, ξ = 0 ou x = ∞ não é um ponto ordinário porque o termo não é finito.

Passo 4

Para que ξ = 0 seja um ponto singular regular, ξ Q * ξ P * ξ e ξ 2 R * ξ P * ξ devem ter expansões de Taylor sobre ξ = 0 . Isso significa que eles devem atingir um limite finito quando ξ → 0 . Assim temos

lim ξ → 0 ⁡ ξ Q * ξ P * ξ = lim ξ → 0 ⁡ ξ 2 ξ 3 ξ 2 ξ 2 - 1 = lim ξ → 0 ⁡ 2 ξ 4 ξ 4 1 - 1 / ξ 2 = lim ξ → 0 ⁡ 2 1 - 1 / ξ 2 = 0

lim ξ → 0 ⁡ ξ 2 R * ξ P * ξ = lim ξ → 0 ⁡ ξ 2 α α + 1 ξ 2 ξ 2 - 1 = lim ξ → 0 ⁡ α α + 1 ξ 2 - 1 = - α α + 1

Como o limite é finito, ξ = 0 é um ponto singular regular. Portanto, é um ponto singular regular.

Resposta

Não é um ponto ordinário.

É um ponto singular regular.

Ver Outros Exercícios desse livro

Exercícios de Livros Relacionados

Em cada um dos problemas de 17 a 34, encontre todos os pontos singulares da equação dada e determine se cada um deles é regular ou irregular.17. x y ″+( 1–x ) y '+x y=0
Em cada um dos problemas de 17 a 34, encontre todos os pontos singulares da equação dada e determine se cada um deles é regular ou irregular.30. x 2 y ″+2 ( e x-1 ) y '+( e - xc o sx ) y=0
Em cada um dos problemas de 17 a 34, encontre todos os pontos singulares da equação dada e determine se cada um deles é regular ou irregular.32. x y ″+y '+( c o tx ) y=0
Em cada um dos problemas de 17 a 34, encontre todos os pontos singulares da equação dada e determine se cada um deles é regular ou irregular.33. ( s e nx ) y ″+x y '+4 y=0
Em cada um dos problemas de 17 a 34, encontre todos os pontos singulares da equação dada e determine se cada um deles é regular ou irregular.34. ( xs e nx ) y ″+3 y '+x y=0