Дослідження функцій гіпергеометричного рівняння

Курсовой проект - Математика и статистика

Другие курсовые по предмету Математика и статистика

стей, різні задачі квантової механіки й так далі.

Велика кількість спеціальних функцій може бути виражене через функцію F( , , ,z), що дозволяє розглядати теорію цих функцій як відповідні спеціальні випадки загальної теорії, даної в справжньому пункті.

 

1.2 Елементарні властивості гіпергеометричної функції

 

У справжньому розділі ми розглянемо деякі властивості гіпергеометричної функції, які безпосередньо випливають із її визначення за допомогою ряду (1.1).

1. Беручи до уваги, що члени ряду не змінюються при перестановці параметрів і маємо співвідношення симетрії

 

F( , , ,z)= F( , , ,z),(2.1)

 

2. Диференціюючи розглянутий ряд по членне, знаходимо

 

F( , , ,z)= = =

= = F( +1, +1, +1,z)

 

Таким чином, F( , , ,z)= F( +1, +1, +1,z) (2.2)

3. Повторне застосування цієї формули приводить до рівностей

 

F( , , ,z)= F( +m, +m, +m,z) (2.3)

m=1,2,...

Покладемо надалі для скорочення запису

 

F( , , ,z)= F,

F( 1, , ,z)= F( 1),

F( , 1, ,z)= F( 1),

F( , , 1,z)= F( 1).

 

Функції F( 1), F( 1), F( 1) називаються суміжними з F.

4. Ми покажемо, що F і будь-які дві суміжні функції звязані між собою рекурентним співвідношенням з коефіцієнтами, що є лінійними функціями змінного z. Як основні співвідношення цього типу можуть бути обрані рівності (2.4), (2.5), (2.6) відповідно.

 

( - - )F+ (1-z)F( +1)-( - )F( -1)=0,

( - -1)F+ F( +1)-( - 1)F( -1)=0,

(1-z)F- F( -1)+( - )F( +1)=0.

 

Підставляючи ряд (1.1) в (2.4) маємо (2.4)

 

( - - )F+ (1-z)F( +1)-( - )F( -1)=

=( - - ) + (1-z) -( -

) =

= {( - - ) + -( - ) -

}zk=

= {( - - )( +k-1)+( +k)( +k-1)-( - )( -1)

( -k-1)k} zk=0,

тому що

z

= =

= ( +1)...( +k-1)

=( +1)...( +k-1)( +k)

=( -1) ( +1)...( +k-2)

= ( +1)…(+k-2)

=( +1)…(+k-2)(+k-1)

=(-1)(+1).......( +k-3)

 

Формули (2.5) і (2.6) доводяться аналогічним способом:

 

( - - )F+ F ( +1)-( - 1)F( -1)=

= { ( - -1) + -( - 1) =

= { - -1 + + k-( +k-1)}zk=0,

(1-z)F- F ( -1)+( - )zF( +1)=

= { - - +( - ) }zk

= { ( + k -1)( + k-1)- ( + k -1)k- ( -1)( + k-1)

+( - ) k}zk=0,

 

З (2.4)-(2.6) і властивості симетрії (2.1) треба три інших рівності:

( - - )F+ (1-z)F( +1)-( - )F( -1)=0, (2.7)

( - -1)F+ F ( -1)-( - 1)F( -1)=0, (2.8)

(1-z)F- F ( -1)+( - )zF( +1)=0. (2.9)

( - - )F+ (1-z)F( +1)-( - )F( -1)=

= {( - - ) + - -( -

) } zk =

= {( - - )( +k-1)+ ( + k -1)( +k)- ( +k-1)k -( - )( -

1)}zk=0,

( - -1)F+ F ( -1)-( - 1)F( -1)=

= {( - -1) + -( - 1) } zk =

= { - -1+ ( + k )- ( +k-1)}zk=0,

(1-z)F- F ( -1)+( - )zF( +1)=

= { - - +( - ) } zk

= { ( +k-1)( +k-1)- k( +k-1)- ( +k-1)( -1)+k

( - )}zk=0.

 

Інші рекурентні співвідношення виходять із (2.4) - (2.9) шляхом виключення з відповідної пари формул загальної суміжної функції. Наприклад, комбінуючи (2.5) і (2.8) або (2.6) і (2.9) одержуємо

( - )F- F ( +1)+ F( +1)=0 (2.10)

( - )(1-z)F+( - )F ( -1)-( - )F( -1)=0 (2.11)

і так далі

( - )F- F ( +1)+ F( +1)=

= {( - ) + + } zk=

= { - - ( +k)+ ( +k)} zk =0.

( - )(1-z)F+( - )F ( -1)-( - )F( -1)=

= {( - ) -( - ) +( - ) -( -

) } zk=

= {( - )( +k-1)( +k-1)-( - )( +k-1)k+( - )( -1)( +k-1)-

( - )( +k-1)( -1)}zk=0.

 

Крім розповсюджених рекурентних співвідношень існують аналогічні співвідношення, що звязують гіпергеометричну функцію виду F( , , ,z) з який або парою родинних функцій виду F( +1, +m, +n,z), де l,m,n довільні цілі числа.

Найпростішими рекурентними співвідношеннями цього типу є

 

F( , , ,z)-F( , , -1,z)= F( +1, +1, +1,z) (2.12)

F( , +1, ,z)- F( , , ,z)= F( +1, +1, +1,z) (2.13)

F( , +1, +1,z)- F( , , ,z)= F( +1, +1, +2,z)(2.14)

F( -1, +1, ,z)- F( , , ,z)= F( , +1, +1,z) (2.15)

 

До даного класу ставляться також рівність (1.6)

Формули (2.12) і (2.15) доводяться підстановкою в них ряду (1.1) або виводяться на основі вже відомих рекурентних співвідношень для суміжних функцій.

 

1.3 Гіпергеометричне рівняння

 

Помітимо, що гіпергеометрична функція u= F( , , ,z) є інтегралом лінійного диференціального рівняння

 

z(1-z) +[ -( + +1)] - u=0(2.16)

 

регулярним в околиці крапки z=0.

Рівняння (2.16) називається гіпергеометричним і включає, як окремі випадки, багато диференціальних рівнянь, що зустрічаються в додатках.

Якщо привести це рівняння до стандартної форми, розділивши його на коефіцієнт при другій похідній, то коефіцієнти отриманого рівняння будуть регулярними функціями змінного z в області 0< <1 <1, наявними при z=0 полюс першого порядку або звичайну крапку, залежно від значень параметрів , , .

Із загальної теорії лінійних диференціальних рівнянь треба, що в такому випадку розглянуте рівняння повинне мати приватне рішення виду

 

u=zs zk (2.17)

де s належне обране число, 0, статечної ряд сходиться при <1

 

u= zk+s

= (k+s)zk+s-1

= (k+s)(k+s-1)zk+s-2

 

Підставляючи (2.17) у рівняння (2.16) знаходимо

 

z(1-z) ( zk+s +[ -( + +1)z] ( zk+s - zk+s=0,

z(1-z) ( zk+s-1(k+s)(k+s-1))+[ -( + +1)z] ( zk+s-1(k+s))-

zk+s=

= ( zk+s-1(k+s)(k+s-1))- ( zk+s(k+s)(k+s-1))+ ( zk+s-1 (k+s))-

- zk+s( + +1)(k+s))- zk+s =

= zk+s-1(k+s)(k+s-1+ )- zk+s(s+k+ )(s+k+ )=0,

 

звідки для визначення показника s і виходить система рівнянь

 

 

s(s-1-)=0,

(s+k)(s+k-1+ ) - (s+k-1+ )(s+k-1+ )=0,

k=1,2,...,

перше з яких дає s=0 або s=1-

Припустимо, що 0,-1,-2,…і виберемо s=0

Тоді для обчислення коефіцієнтів одержимо рекурентне співвідношення

 

= k=1,2,…,

 

звідки, якщо прийняти =1, треба

 

= k=0,1,2,…,

 

де для скорочення запису уведене позначення

 

= ( +1)…(+k-1),

=1,k=1,2,…,

 

У такий спосіб перше приватне рішення рівняння (2.16) при 0,-1,-2,…буде

 

u= = F( , , ,z)= zk, <1 (2.18)

 

Аналогічно, вибираючи s=1- одержуємо в припущенні, що 2,3,4,…

 

= k=1,2,…,

звідки, якщо взяти =1 знаходимо

 

=

k=0,1,2,...,

 

Таким чином, при 2,3,4,…рівняння (2.16) має друге приватне рішення

 

u= = = F(1- + ,1- + ,2- ,z), (2.19)

<1,

 

Якщо не є цілим числом ( 0, 1, 2,…),те обоє рішення (2.18-2.19) існують одночасно й лінійно незалежні між собою, так, що загальне рішення рівняння (2.17) може бути пред