stringtranslate.com

Вырожденная гипергеометрическая функция

График конфлюэнтной гипергеометрической функции Куммера 1F1(a;b;z) с a=1 и b=2 и входным z² с 1F1(1,2,z²) в комплексной плоскости от -2-2i до 2+2i с цветами, созданными с помощью Mathematica 13.1
График конфлюэнтной гипергеометрической функции Куммера 1F1(a;b;z) с a=1 и b=2 и входным z² с 1F1(1,2,z²) в комплексной плоскости от -2-2i до 2+2i с цветами, созданными с помощью Mathematica 13.1

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:

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 ) .

Функция Куммера первого рода M представляет собой обобщенный гипергеометрический ряд, введенный в (Kummer 1837), и задаваемый формулой:

где:

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 :

Когда a = 0, мы можем альтернативно использовать:

При b = 1 это экспоненциальный интеграл E 1 ( −z ) .

Аналогичная проблема возникает, когда ab — 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 + Bzz , 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 w ( z )конфлюэнтная гипергеометрическая предельная функция, удовлетворяющая

Как отмечено ниже, даже уравнение Бесселя можно решить с использованием вырожденных гипергеометрических функций.

Интегральные представления

Если Re b > Re a > 0 , то M ( a , b , z ) можно представить в виде интеграла

таким образом, M ( a , a + b , it ) является характеристической функцией бета -распределения . Для a с положительной действительной частью U может быть получено с помощью интеграла Лапласа

Интеграл определяет решение в правой полуплоскости Re z > 0 .

Их также можно представить как интегралы Барнса

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 = xR , то замена переменных в интеграле с последующим расширением биномиального ряда и его формальным интегрированием почленно приводит к асимптотическому расширению ряда , действительному при x → ∞ : [2]

где — обобщенный гипергеометрический ряд с 1 в качестве ведущего члена, который, как правило, нигде не сходится, но существует как формальный степенной ряд по 1/ x . Это асимптотическое разложение справедливо также для комплексного z вместо действительного x , с | arg z | < 3 π /2.

Асимптотическое поведение решения Куммера при больших | z | имеет вид:

Степени z берутся с использованием −3 π /2 < arg zπ /2 . [3] Первый член не нужен, когда Γ( ba ) конечно, то есть когда ba 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 ab 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 ( ba , 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:

.

Теорема умножения

Справедливы следующие теоремы умножения :

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:

(многочлен, если a — неположительное целое число)
для неположительного целого числа nобобщенный полином Лагерра .
для неположительного целого числа n является кратным обобщенному полиному Лагерра, равным , когда последний существует.
когда n — положительное целое число, представляет собой замкнутую форму со степенями z , равными , когда последний существует.
для неотрицательного целого числа n — многочлен Бесселя (см. ниже).
и т. д.
Используя отношение смежности , мы получаем, например,
Эту идентичность иногда также называют второй трансформацией Куммера . Аналогично
Если a — неположительное целое число, то это равно 2 a θ a ( x /2) , где θмногочлен Бесселя .
Во второй формуле вторую ветвь функции можно выбрать, умножив ее на (−1) p .

Применение к цепным дробям

Применяя предельный аргумент к цепной дроби Гаусса, можно показать, что [5]

и что эта непрерывная дробь равномерно сходится к мероморфной функции z в каждой ограниченной области , не содержащей полюса.

Примечания

  1. ^ 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.
  2. ^ Эндрюс, GE; Аски, Р.; Рой, Р. (2001). Специальные функции . Cambridge University Press. ISBN 978-0521789882..
  3. ^ 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.
  4. ^ "Аспекты многомерной статистической теории | Wiley". Wiley.com . Получено 2021-01-23 .
  5. ^ Франк, Эвелин (1956). «Новый класс разложений непрерывных дробей для отношений гипергеометрических функций». Trans. Am. Math. Soc . 81 (2): 453–476. doi :10.1090/S0002-9947-1956-0076937-0. JSTOR  1992927. MR  0076937.

Ссылки

Внешние ссылки