求证: Chebyshev 多项式 Tn 是微分方程
(1−t2)y′′−ty′+n2y=0
的一个解.
解答使用 DeepSeek v3.2 Speciale 生成
证明
令 t=cosθ,其中 θ=arccost,则切比雪夫多项式定义为 Tn(t)=cos(nθ)。
计算关于 t 的一阶和二阶导数(利用参数 θ):
- dθdTn=−nsin(nθ),
dθdt=−sinθ,
故
Tn′=dtdTn=dt/dθdTn/dθ=−sinθ−nsin(nθ)=sinθnsin(nθ).
- 再求二阶导数:
Tn′′=dθd(Tn′)/dθdt.
先计算
dθd(sinθnsin(nθ))=nsin2θncos(nθ)sinθ−sin(nθ)cosθ,
于是
Tn′′=−sinθnsin2θnsinθcos(nθ)−sin(nθ)cosθ=−sin3θn(nsinθcos(nθ)−sin(nθ)cosθ).
整理得
Tn′′=−sin2θn2cos(nθ)+sin3θnsin(nθ)cosθ.
现在代入微分方程
(1−t2)y′′−ty′+n2y=0.
注意到 1−t2=1−cos2θ=sin2θ,并利用上面求得的 Tn, Tn′, Tn′′:
(1−t2)Tn′′−tTn′n2Tn=sin2θ(−sin2θn2cos(nθ)+sin3θnsin(nθ)cosθ)=−n2cos(nθ)+sinθnsin(nθ)cosθ,=−cosθ⋅sinθnsin(nθ)=−sinθnsin(nθ)cosθ,=n2cos(nθ).
将三项相加:
(−n2cos(nθ)+sinθnsin(nθ)cosθ)+(−sinθnsin(nθ)cosθ)+n2cos(nθ)=0.
因此 Tn(t) 满足给定的微分方程。□