Решение конфлюэнтного гипергеометрического уравнения
В математике вырожденная гипергеометрическая функция — это решение вырожденного гипергеометрического уравнения , которое является вырожденной формой гипергеометрического дифференциального уравнения, в котором две из трех регулярных особенностей сливаются в нерегулярную особенность . Термин вырожденный относится к слиянию особых точек семейств дифференциальных уравнений; confluere по-латыни означает «течь вместе». Существует несколько общих стандартных форм вырожденных гипергеометрических функций:
Функция Куммера (вырожденная гипергеометрическая) M ( a , b , z ) , введенная Куммером (1837), является решением дифференциального уравнения Куммера . Она также известна как вырожденная гипергеометрическая функция первого рода. Существует другая и не связанная с ней функция Куммера с тем же названием.
Функция Трикоми (вырожденная гипергеометрическая) U ( a , b , z ), введенная Франческо Трикоми (1947), иногда обозначаемая как Ψ( a ; b ; z ) , является еще одним решением уравнения Куммера. Она также известна как вырожденная гипергеометрическая функция второго рода.
Функции Куммера, функции Уиттекера и волновые функции Кулона по сути одинаковы и отличаются друг от друга только элементарными функциями и заменой переменных.
Уравнение Куммера
Уравнение Куммера можно записать как:
с регулярной особой точкой при z = 0 и нерегулярной особой точкой при z = ∞ . Имеет два (обычно) линейно независимых решения M ( a , b , z ) и U ( a , b , z ) .
является возрастающим факториалом . Другое распространенное обозначение для этого решения - Φ( a , b , z ) . Рассматриваемое как функция a , b , или z с двумя другими постоянными, это определяет целую функцию a или z , за исключением случая, когда b = 0, −1, −2 , ... Как функция b она является аналитической, за исключением полюсов в неположительных целых числах.
Некоторые значения a и b дают решения, которые можно выразить через другие известные функции. См. #Особые случаи. Когда a — неположительное целое число, то функция Куммера (если она определена) является обобщенным полиномом Лагерра .
Так же, как вырожденное дифференциальное уравнение является пределом гипергеометрического дифференциального уравнения , когда особая точка в точке 1 перемещается к особой точке в точке ∞, вырожденная гипергеометрическая функция может быть задана как предел гипергеометрической функции
и многие свойства конфлюэнтной гипергеометрической функции являются предельными случаями свойств гипергеометрической функции.
Поскольку уравнение Куммера второго порядка, должно быть и другое, независимое решение. Определяющее уравнение метода Фробениуса говорит нам, что наименьшая степень решения степенного ряда уравнения Куммера равна либо 0, либо 1 − b . Если мы допустим, что w ( z ) будет
тогда дифференциальное уравнение дает
которое после деления z 1− b и упрощения становится
Это означает, что z 1− b M ( a + 1 − b , 2 − b , z ) является решением, пока b не является целым числом больше 1, точно так же, как M ( a , b , z ) является решением, пока b не является целым числом меньше 1. Мы также можем использовать конфлюэнтную гипергеометрическую функцию Трикоми U ( a , b , z ), введенную Франческо Трикоми (1947), и иногда обозначаемую как Ψ( a ; b ; z ) . Это комбинация двух вышеупомянутых решений, определяемая как
Хотя это выражение не определено для целого числа b , оно имеет то преимущество, что его можно расширить до любого целого числа b по непрерывности. В отличие от функции Куммера, которая является целой функцией z , U ( z ) обычно имеет особенность в нуле. Например, если b = 0 и a ≠ 0, то Γ( a +1) U ( a , b , z ) − 1 асимптотически относится к az ln z при стремлении z к нулю. Но см. #Особые случаи для некоторых примеров, где это целая функция (полином).
Обратите внимание, что решение z 1− b U ( a + 1 − b , 2 − b , z ) уравнения Куммера совпадает с решением U ( a , b , z ) , см. преобразование Куммера.
Для большинства комбинаций действительных или комплексных a и b функции M ( a , b , z ) и U ( a , b , z ) независимы, и если b — неположительное целое число, так что M ( a , b , z ) не существует, то мы можем использовать z 1− b M ( a +1− b , 2− b , z ) в качестве второго решения. Но если a — неположительное целое число, а b — не неположительное целое число, то U ( z ) является кратным M ( z ) . В этом случае z 1− b M ( a +1− b , 2− b , z ) также можно использовать в качестве второго решения, если оно существует и отличается. Но когда b — целое число больше 1, то это решение не существует, а если b = 1 , то оно существует, но является кратным U ( a , b , z ) и M ( a , b , z ). В этих случаях существует второе решение следующего вида, и оно справедливо для любого действительного или комплексного числа a и любого положительного целого числа b, за исключением случая, когда a — положительное целое число меньше b :
Аналогичная проблема возникает, когда a − b — отрицательное целое число, а b — целое число, меньшее 1. В этом случае M ( a , b , z ) не существует, а U ( a , b , z ) кратно z 1− b M ( a +1− b , 2− b , z ). Второе решение тогда имеет вид:
Другие уравнения
Вырожденные гипергеометрические функции можно использовать для решения расширенного вырожденного гипергеометрического уравнения, общая форма которого имеет вид:
[1]
Обратите внимание, что при M = 0 или когда суммирование включает только один член, оно сводится к обычному конфлюэнтному гипергеометрическому уравнению.
Таким образом, вырожденные гипергеометрические функции могут быть использованы для решения "большинства" обыкновенных дифференциальных уравнений второго порядка, все переменные коэффициенты которых являются линейными функциями z , поскольку их можно преобразовать в расширенное вырожденное гипергеометрическое уравнение. Рассмотрим уравнение:
Сначала мы перемещаем регулярную особую точку в 0, используя замену A + Bz ↦ z , что преобразует уравнение в:
с новыми значениями C, D, E и F. Далее используем замену:
и умножаем уравнение на тот же коэффициент, получая:
чье решение
где w ( z ) — решение уравнения Куммера с
Обратите внимание, что квадратный корень может дать мнимое или комплексное число. Если это ноль, нужно использовать другое решение, а именно
где контур проходит по одну сторону полюсов Γ(− s ) и по другую сторону полюсов Γ( a + s ) .
Асимптотическое поведение
Если решение уравнения Куммера асимптотично к степени z при z → ∞ , то степень должна быть − a . Это фактически случай решения Трикоми U ( a , b , z ) . Его асимптотическое поведение при z → ∞ можно вывести из интегральных представлений. Если z = x ∈ R , то замена переменных в интеграле с последующим расширением биномиального ряда и его формальным интегрированием почленно приводит к асимптотическому расширению ряда , действительному при x → ∞ : [2]
Асимптотическое поведение решения Куммера при больших | z | имеет вид:
Степени z берутся с использованием −3 π /2 < arg z ≤ π /2 . [3] Первый член не нужен, когда Γ( b − a ) конечно, то есть когда b − a не является неположительным целым числом, а действительная часть z стремится к отрицательной бесконечности, тогда как второй член не нужен, когда Γ( a ) конечно, то есть когда a не является неположительным целым числом, а действительная часть z стремится к положительной бесконечности.
Всегда существует некоторое решение уравнения Куммера, асимптотическое к e z z a − b при z → −∞ . Обычно это будет комбинация как M ( a , b , z ) , так и U ( a , b , z ), но также может быть выражено как e z (−1) a - b U ( b − a , b , − z ) .
Отношения
Существует множество соотношений между функциями Куммера для различных аргументов и их производными. В этом разделе приведены несколько типичных примеров.
Смежные отношения
При наличии M ( a , b , z ) четыре функции M ( a ± 1, b , z ), M ( a , b ± 1, z ) называются смежными с M ( a , b , z ) . Функцию M ( a , b , z ) можно записать в виде линейной комбинации любых двух ее смежных функций с рациональными коэффициентами в терминах a , b , и z . Это дает (4 2) = 6 отношений, заданных путем идентификации любых двух линий в правой части
В приведённых выше обозначениях M = M ( a , b , z ) , M ( a +) = M ( a + 1, b , z ) и т. д.
Многократное применение этих соотношений дает линейную связь между любыми тремя функциями вида M ( a + m , b + n , z ) (и их высшими производными), где m , n — целые числа.
Аналогичные соотношения имеются и для U.
Преобразование Куммера
Функции Куммера также связаны преобразованиями Куммера:
Связь с полиномами Лагерра и подобными представлениями
В терминах полиномов Лагерра функции Куммера имеют несколько разложений, например
(Эрдейи и др. 1953, 6.12)
или
[1]
Особые случаи
Функции, которые можно выразить как частные случаи конфлюэнтной гипергеометрической функции, включают в себя:
Некоторые элементарные функции , где левая часть не определена, когда b — неположительное целое число, но правая часть все еще является решением соответствующего уравнения Куммера:
Функции Уиттекера M κ,μ ( z ), W κ,μ ( z ) являются решениями уравнения Уиттекера , которые можно выразить через функции Куммера M и U следующим образом:
Общий p -й сырой момент ( p не обязательно целое число) может быть выражен как [4]
и что эта непрерывная дробь равномерно сходится к мероморфной функции z в каждой ограниченной области , не содержащей полюса.
Примечания
^ Кампос, LMBC (2001). «О некоторых решениях расширенного конфлюэнтного гипергеометрического дифференциального уравнения». Журнал вычислительной и прикладной математики . 137 (1): 177–200. Bibcode :2001JCoAM.137..177C. doi :10.1016/s0377-0427(00)00706-8. MR 1865885.
^ Эндрюс, GE; Аски, Р.; Рой, Р. (2001). Специальные функции . Cambridge University Press. ISBN978-0521789882..
^ Это выведено из работы Абрамовица и Стигана (см. ссылку ниже), стр. 508, где дан полный асимптотический ряд. Они меняют знак экспоненты в exp( iπa ) в правой полуплоскости, но это несущественно, поскольку член там пренебрежимо мал или же a является целым числом, и знак не имеет значения.
Эрдейи, Артур ; Магнус, Вильгельм ; Оберхеттингер, Фриц и Трикоми, Франческо Г. (1953). Высшие трансцендентные функции. Том I. Нью-Йорк–Торонто–Лондон: McGraw–Hill Book Company, Inc. MR 0058756.
Слейтер, Люси Джоан (1960). Вырожденные гипергеометрические функции . Кембридж, Великобритания: Cambridge University Press. MR 0107026.
Трикоми, Франческо Г. (1947). «Sulle funzioni ipgeometriche confluenti». Аннали ди Математика Pura ed Applicata . Серия 4 (на итальянском языке). 26 : 141–175. дои : 10.1007/bf02415375 . ISSN 0003-4622. MR 0029451. S2CID 119860549.
Трикоми, Франческо Г. (1954). Funzioni ipegeometriche confluenti . Consiglio Nazionale Delle Ricerche Monografie Matematiche (на итальянском языке). Том. 1. Рим: Edizioni Cremonese. ISBN 978-88-7083-449-9. МР 0076936.
Oldham, KB; Myland, J.; Spanier, J. (2010). Атлас функций: с Equator, калькулятором функций Atlas. Springer New York. ISBN 978-0-387-48807-3. Получено 23.08.2017 .
Внешние ссылки
Конфлюэнтные гипергеометрические функции в цифровой библиотеке математических функций NIST
Гипергеометрическая функция Куммера на сайте Wolfram Functions
Гипергеометрическая функция Трикоми на сайте Wolfram Functions