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Gegenbauer多項式とBessel関数

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Gegenbauer多項式に重み関数を掛けてFourier変換するとBessel関数になることを示す.

11(1x2)a12Cn(a)(x)eixydx=2πinΓ(2a+n)n!Γ(a)(2y)aJn+a(y)

n=2kのとき, y2mの係数を比較した等式
11x2m(1x2)a12C2k(a)(x)dx=2π(2m)!Γ(2a+2k)22m+2a(mk)!(2k)!Γ(a)Γ(a+m+k+1)
を示せばよい. 項別積分によって,
11x2m(1x2)a12C2k(a)(x)dx=(1)k(a)kk!11x2m(1x2)a120j(k,a+k)jj!(12)jx2jdx=(1)k(a)kk!0j(k,a+k)jj!(12)jΓ(m+j+12)Γ(a+12)Γ(a+m+j+1)=(1)k(a)kk!Γ(m+12)Γ(a+12)Γ(a+m+1)3F2[k,a+k,m+1212,a+m+1;1]
ここで, Saalschützの和公式より,
3F2[k,a+k,m+1212,a+m+1;1]=(12+a,m)k(12,a+m+1)k
であるから, Legendreの倍角公式を用いて整理すると,
(1)k(a)kk!Γ(m+12)Γ(a+12)Γ(a+m+1)3F2[k,a+k,m+1212,a+m+1;1]=22k(a)k(2k)!Γ(m+12)Γ(a+12+k)Γ(a+m+k+1)m!(mk)!=2π(2m)!Γ(2a+2k)22a+2m(mk)!(2k)!Γ(a)Γ(a+m+k+1)
を得る. n=2k+1のとき, y2m+1の係数を比較した等式
11x2m+1(1x2)a12C2k+1(a)(x)dx=2π(2m+1)!Γ(2a+2k+1)22m+2a+1(mk)!(2k+1)!Γ(a)Γ(a+m+k+2)
を示せば良い. 項別積分によって,
11x2m+1(1x2)a12C2k+1(a)(x)dx=2(1)k(a)k+1k!11x2m+1(1x2)a120j(k,a+k+1)jj!(32)jx2j+1dx=2(1)k(a)k+1k!0j(k,a+k+1)jj!(32)jΓ(m+j+32)Γ(a+12)Γ(a+m+j+2)=2(1)k(a)k+1k!Γ(m+32)Γ(a+12)Γ(a+m+2)3F2[k,a+k+1,m+3232,a+m+2;1]
ここで, Saalschützの和公式より,
3F2[k,a+k+1,m+3232,a+m+2;1]=(a+12,m)k(32,a+m+2)k
であるから, Legendreの倍角公式を用いて整理すると
2(1)k(a)k+1k!Γ(m+32)Γ(a+12)Γ(a+m+2)3F2[k,a+k+1,m+3232,a+m+2;1]=22k+1(a)k+1(2k+1)!Γ(m+32)Γ(a+12+k)Γ(a+m+k+2)m!(mk)!=2π(2m+1)!Γ(2a+2k+1)22a+2m+1(2k+1)!(mk)!Γ(a)Γ(a+m+k+2)
となって示される.

実部と虚部に分けると以下を得る.

01(1x2)a12C2n(a)(x)cosxydx=(1)nπΓ(2a+2n)J2n+a(y)(2n)!Γ(a)(2y)a01(1x2)a12C2n+1(a)(x)sinxydx=(1)nπΓ(2a+2n+1)J2n+a+1(y)(2n+1)!Γ(a)(2y)a

これによって, Gegenbauer多項式で展開された関数を変換してBessel関数で展開された関数に移すことができる.

Legendre多項式

a=12とすることによって, Legendre多項式の場合を得る.

11Pn(x)eixydx=in2πyJn+12(y)
実部と虚部を分けると,
01P2n(x)cosxydx=(1)nπ2yJ2n+12(y)01P2n+1(x)sinxydx=(1)nπ2yJ2n+32(y)

投稿日:15日前
更新日:15日前
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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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