今回は次を示す.
以下の等式が成り立つ.Cn(a)(cosθ)=(2a)nn!Γ(a+12)πΓ(a)∫0π(cosθ+isinθcosϕ)nsin2a−1ϕdϕ
まず, ベータ積分を計算することによって,∫0π(cosθ+isinθcosϕ)nsin2a−1ϕdϕ=∫−π/2π/2(cosθ−isinθsinϕ)ncos2a−1ϕdϕ=∫0π/2((cosθ−isinθsinϕ)n+(cosθ−isinθsinϕ)n)cos2a−1ϕdϕ=2∑0≤k(−1)k(n2k)cosn−2kθsin2kθ∫0π/2sin2kϕcos2a−1ϕdϕ=∑0≤k(−1)k(n2k)cosn−2kθsin2kθΓ(k+12)Γ(a)Γ(k+a+12)=πΓ(a)Γ(a+12)∑0≤k(−1)k(n2k)cosn−2kθsin2kθ(12)k(a+12)k=πΓ(a)Γ(a+12)∑0≤k(−1)kn!4kk!(a+12)k(n−2k)!cosn−2kθsin2kθを得る. nが偶数のとき, n=2mとして,∑0≤k(−1)kn!4kk!(a+12)k(n−2k)!cosn−2kθsin2kθ=∑0≤k(−1)m−k(2m)!4m−k(m−k)!(a+12)m−k(2k)!cos2kθsin2m−2kθ=(−1)m(2m)!4mm!(a+12)m∑0≤k(−1)k(−m,12−m−a)kk!(12)kcos2kθsin2m−2kθ超幾何関数のPfaff変換によって,∑0≤k(−1)k(−m,12−m−a)kk!(12)kcos2kθsin2m−2kθ=∑0≤k(−m,a+m)kk!(12)kcos2kθ=(−1)mm!(a)mC2m(a)(cosθ)よってこのとき,∫0π(cosθ+isinθcosϕ)nsin2a−1ϕdϕ=(2m)!(2a)2mπΓ(a)Γ(a+12)C2m(a)(cosθ)nが奇数のとき, n=2m+1として,∑0≤k(−1)kn!4kk!(a+12)k(n−2k)!cosn−2kθsin2kθ=∑0≤k(−1)m−k(2m+1)!4m−k(m−k)!(a+12)m−k(2k+1)!cos2k+1θsin2m−2kθ=(−1)m(2m+1)!4mm!(a+12)mcosθ∑0≤k(−1)k(−m,12−m−a)kk!(32)kcos2kθsin2m−2kθ超幾何関数のPfaff変換によって,cosθ∑0≤k(−1)k(−m,12−m−a)kk!(32)kcos2kθsin2m−2kθ=cosθ∑0≤k(−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)nsin2a−1ϕdϕ=(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.
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)=1π∫0π(cosθ+isinθsinϕ)ndϕ
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)ne−t2dt
∫−∞∞(x+it)ne−t2dt=∫0∞((x+it)n+(x−it)n)e−t2dt=2∑0≤k(−1)k(n2k)xn−2k∫0∞t2ke−t2dt=π∑0≤k(−1)k(n2k)xn−2k(12)k=π∑0≤k(−1)kn!4kk!(n−2k)!xn−2k=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.
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