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Gegenbauer多項式のLaplace型積分表示

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今回は次を示す.

Gegenbauer多項式のLaplace型積分表示

以下の等式が成り立つ.
Cn(a)(cosθ)=(2a)nn!Γ(a+12)πΓ(a)0π(cosθ+isinθcosϕ)nsin2a1ϕdϕ

まず, ベータ積分を計算することによって,
0π(cosθ+isinθcosϕ)nsin2a1ϕdϕ=π/2π/2(cosθisinθsinϕ)ncos2a1ϕdϕ=0π/2((cosθisinθsinϕ)n+(cosθisinθsinϕ)n)cos2a1ϕdϕ=20k(1)k(n2k)cosn2kθsin2kθ0π/2sin2kϕcos2a1ϕdϕ=0k(1)k(n2k)cosn2kθsin2kθΓ(k+12)Γ(a)Γ(k+a+12)=πΓ(a)Γ(a+12)0k(1)k(n2k)cosn2kθsin2kθ(12)k(a+12)k=πΓ(a)Γ(a+12)0k(1)kn!4kk!(a+12)k(n2k)!cosn2kθsin2kθ
を得る. nが偶数のとき, n=2mとして,
0k(1)kn!4kk!(a+12)k(n2k)!cosn2kθsin2kθ=0k(1)mk(2m)!4mk(mk)!(a+12)mk(2k)!cos2kθsin2m2kθ=(1)m(2m)!4mm!(a+12)m0k(1)k(m,12ma)kk!(12)kcos2kθsin2m2kθ
超幾何関数のPfaff変換によって,
0k(1)k(m,12ma)kk!(12)kcos2kθsin2m2kθ=0k(m,a+m)kk!(12)kcos2kθ=(1)mm!(a)mC2m(a)(cosθ)
よってこのとき,
0π(cosθ+isinθcosϕ)nsin2a1ϕdϕ=(2m)!(2a)2mπΓ(a)Γ(a+12)C2m(a)(cosθ)
nが奇数のとき, n=2m+1として,
0k(1)kn!4kk!(a+12)k(n2k)!cosn2kθsin2kθ=0k(1)mk(2m+1)!4mk(mk)!(a+12)mk(2k+1)!cos2k+1θsin2m2kθ=(1)m(2m+1)!4mm!(a+12)mcosθ0k(1)k(m,12ma)kk!(32)kcos2kθsin2m2kθ
超幾何関数のPfaff変換によって,
cosθ0k(1)k(m,12ma)kk!(32)kcos2kθsin2m2kθ=cosθ0k(m,a+m+1)kk!(32)kcos2kθ=(1)mm!2(a)m+1C2m+1(a)(cosθ)
よってこのとき,
0π(cosθ+isinθcosϕ)nsin2a1ϕdϕ=(2m+1)!(2a)2m+1πΓ(a)Γ(a+12)C2m+1(a)(cosθ)
となり, いずれの場合も定理が示された.

Legendre多項式

a=12とすることによって以下のLegendre多項式のLaplace型積分表示を得る.

以下の等式が成り立つ.
Pn(cosθ)=1π0π(cosθ+isinθsinϕ)ndϕ

Hermite多項式

Hermite多項式にもLaplace型積分表示があるので示しておく.

Hn(x)=2nπ(x+it)net2dt

(x+it)net2dt=0((x+it)n+(xit)n)et2dt=20k(1)k(n2k)xn2k0t2ket2dt=π0k(1)k(n2k)xn2k(12)k=π0k(1)kn!4kk!(n2k)!xn2k=π2nHn(x)

一般にJacobi多項式にもLaplace型の積分表示が知られているので, それについても調べていきたいと思う.

投稿日:202459
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Wataru
Wataru
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超幾何関数, 直交関数, 多重ゼータ値などに興味があります

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