Дослідження функцій гіпергеометричного рівняння

Курсовой проект - Математика и статистика

Другие курсовые по предмету Математика и статистика

ставлене у формі

 

u=A F( , , ,z)+B F(1- + ,1- + ,2- ,z), (2.20)

 

де А и В довільні постійні <1,

 

2. Подання різних функцій через гіпергеометричну

 

Гіпергеометрична функція F( , , ,z) приводиться до полінома, коли =0,-1,-2,…або =0,-1,-2. Наприклад,

 

F( , 0, ,z)= zk= =1,

тому що

=0(0+1)(0+2)…....(0+k-1)=0.

F( , -2, ,z)= zk= z0+ z+ z2 =

=1-2 z+ z2,

тому що

=1, =-2,

=(-2)(-1)=2, =(-2)(-1)0=0, =(-2)(-1)01=0

 

і так далі.

Перетворення

 

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

- =0 =

 

показує, що гіпергеометрична функція при - =0,-1,-2,…або - =0,-1,-2,…виражається через алгебраїчні функції. Зокрема,

 

F( , , ,z)= (1-z , (3.1)

 

Надаючи параметрам , спеціальні значення, знаходимо

(1-z)v= F(-v, 1, 1,z)

(1-z = F( , 1, 1,z(3.2)

(1-z)n= F(-n, , ,z)

n=0,1,2,...

 

Щоб одержати подання логарифмічної функції, скористаємося розкладанням

 

ln(1-z)= - =-z <1

звідки треба

ln(1-z)=-zF(1,1,2,z) (3.3)

 

Аналогічним образом виводяться формули для зворотних кругових функцій:

 

arctg z=zF( ,1, ,-z2) (3.4)

arcsin z=zF( , , ,z2)

arctg z= (-1)k =z =z =

=z =z =z =zF( ,1, ,-z2),

 

тому що =1*2*…*k=k!

arcsinz=z+ =z[1+ ]=

=z[1+ ]=z[1+ ]=z[1+ ]=

=z[1+ ]=z[1+ =zF( , , ,z2)...

 

3. Вироджена гіпергеометрична функція

 

Поряд з гіпергеометричною функцією F( , , ,z), важливу роль у теорії спеціальних функцій грає так звана Вироджена гіпергеометрична функція F( , ,z).

Щоб визначити цю функцію, помітимо, що статечної ряд

 

 

де z комплексне змінне, і - параметри, які можуть приймати будь-які речовинні або комплексні значення, крім =0,-1,-2,…і символ позначає величину

 

= =1

 

сходиться при будь-яких кінцевих z.

Тому що, якщо позначити через загальний член ряду, те

 

= 0, коли k .

 

Вироджена гіпергеометрична функція F( , ,z) визначається як сума розглянутого ряду

 

F( , ,z)= , 0,-1,-2,…,<(4.1)

З даного визначення випливає, що F( , ,z) функція комплексного змінного z.

Якщо покласти

 

f( , ,z)= F( , ,z)= , (4.2)

 

те f( , ,z) при фіксованому z буде цілою функцією від і . Дійсно, члени ряду (6.2) є цілими функціями цих змінних, і ряд сходиться рівномірно в області <A, <C.

Думаючи

 

, маємо для досить більших k

=

 

Звідси треба, що при заданому z функція F( , ,z)

представляє цілую функцію й мероморфну функцію із простими полюсами в крапках =0,-1,-2,…

Функція F( , ,z) досить часто зустрічається в аналізі, причому головне її значення полягає в тому, що багато спеціальних функцій можуть розглядатися як її окремі випадки, що значною мірою полегшує побудову теорії цих функцій і надає їй загальний і компактний характер.

Звязок функції F( , ,z) з гіпергеометричною функцією дається співвідношенням

 

 

F( , ,z)=lim F( , , , )(4.3)

З визначення виродженої гіпергеометричної функції безпосередньо випливають рівності

 

F( , ,z)= F( +1, +1,z) (4.4)

F( , ,z)= F( +m, +m,z) m=1,2,... (4.5)

 

і рекурентні співвідношення

 

( - -1)F+ F ( +1)-( -1)F( -1)=0 (4.6)

F- F( -1)-zF( +1)=0 (4.7)

( -1+z)F+( - )F( -1)-( -1)F( -1)=0 (4.8)

( +z)F- F( +1)-( - )zF( +1)=0 (4.9)

( - )F( -1)+(2 - +z)F- F( +1)=0 (4.10)

( -1)F( -1)- ( -1+z)F+( - )zF( +1)=0 (4.11)

 

єднальну функцію F F( , ,z) із двома будь-якими суміжними функціями

 

F( 1) F( 1, ,z) і F( 1) F( , 1,z)

 

Формули (4.6) і (4.7) доводяться шляхом підстановки ряду (4.1) інші рекурентні співвідношення виходять із них у результаті простих алгебраїчних операцій.

 

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

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

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

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

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

= { - - } zk=

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

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

 

Повторне застосування рекурентних формул приводить до лінійних співвідношень, що звязують функцію F( , ,z) з родинними функціями F( +m, +n,z), де m,n- задані цілі числа. Прикладами подібних співвідношень можуть служити рівності:

 

F( , ,z) = F( +1, ,z)- F( +1, +1,z) (4.12)

F( , ,z)= F( , +1,z) + F( +1, +1,z) (4.13)

 

4. Диференціальне рівняння для виродженої гіпергеометричної функції. Вироджена гіпергеометрична функція другого роду

 

Покажемо, що вироджена гіпергеометрична функція є приватним рішенням диференціального рівняння

 

z +( -z) - u=0(5.1)

де 0,-1,-2,…

u=F( , ,z)= zk

= zk-1

= zk-2

 

Дійсно, позначаючи ліву частину рівняння l(u) і полога u= = F( , ,z), маємо

 

l( ) = zk-2+( -z) zk-1- zk=

=[ - ]+ [k + -k- ] 0.

 

Щоб одержати друге лінійне незалежне рішення розглянутого рівняння, припустимо, що , і виконаємо підстановку .

Рівняння (5.1) перетвориться тоді в рівняння того ж виду

 

z +( -z) - =0

с новими значеннями параметрів =1+ , =2- . Звідси треба, що при 2,3,…функція також є рішенням рівняння (5.1).

Якщо 0, 1, 2,…обоє рішення ( ) мають сенс і лінійно незалежні між собою, тому загальний інтеграл рівняння (5.1) може бути представлений у вигляді

 

u= F( , ,z)+B F(1+ - ,2- ,z) (при =1 u= ) (5.2)

0, 1, 2,…

 

Щоб одержати вираження загального інтеграла у формі, придатної для будь-яких значень (крім =0,-1,-2,…), краще увести вироджену гіпергеометричну функцію другого роду

 

G , ,z)= F( , ,z)+ F(1+ - ,2- ,z)(5.3)

0, 1, 2,…

 

Формула (5.3) визначає функцію G , ,z) для будь-яких , відмінних від цілого числа. Покажемо, що при n+1 (n=0,1,2,…)права частина (5.3) прагнути до певної межі. Для доказу замінимо гіпергеометричні функції відповідними рядами й скористаємося співвідношенням теорії Г-Функції. Тоді одержимо (5.4)

 

G , ,z)= [ - ]=

= ( )

Ми маємо

 

= =

n=0,1,2,…

 

= = =

= ,

 

тому вираження в правій частині (5.4) при n+1 приймає невизначений вид і прагне до межі, значення якого може бути знай?/p>