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現代数学解説
文献あり

Jacobi多項式の母関数に関するBaileyの公式

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区間(0,1)における重み関数ta1(1t)b1に対するJacobi多項式を
ρn(a,b)(x):=(1)n(a)nn!k=0n(n,a+b+n1)kk!(a)kxk
とする.

Watson(1922)

F4[n,a+nb,1+ab;xy,(1x)(1y)]=(1)n(b)n(1+ab)n2F1[n,a+nb;x]2F1[n,a+nb;y]

前の記事 で示したBaileyの公式
F4[a,bc,1+a+bc;x(1y),y(1x)]=2F1[a,bc;x]2F1[a,b1+a+bc;y]
において, an,ba+n,cb,y1yとして,
2F1[n,a+n1+ab;1y]=(1)n(b)n(1+ab)n2F1[n,a+nb;y]
を用いればよい.

Bailey(1938)

s=4t(1+t)2として,
0nn!(a+b1)n(a,b)nρn(a,b)(x)ρn(a,b)(y)tn=1(1+t)a+b1F4[a+b12,a+b2a,b;sxy,s(1x)(1y)]
が成り立つ.

右辺は
1(1+t)a+b1F4[a+b12,a+b2a,b;sxy,s(1x)(1y)]=0m,n(a+b12,a+b2)m+nm!(a)mn!(b)n(4t)m+n(1+t)2m+2n+a+b1(xy)m((1x)(1y))n=0m,n,k(a+b1)2m+2nm!(a)mn!(b)n(2m+2n+a+b1)kk!(1)ktm+n+k(xy)m((1x)(1y))n=0m,n,m+nk(a+b1)m+n+km!(a)mn!(b)n(kmn)!(1)kmntk(xy)m((1x)(1y))n
より, 両辺のtNの関数を考えると,
N!(a+b1)N(a,b)NρN(a,b)(x)ρN(a,b)(y)=0m,n(a+b1)m+n+Nm!(a)mn!(b)n(Nmn)!(1)Nmn(xy)m((1x)(1y))n
を示せばよい. これは
(a)N(b)N2F1[N,a+b+N1a;x]2F1[N,a+b+N1a;y]=(1)NF4[N,a+b+N1a,b;xy,(1x)(1y)]
と同値であるので, 前の命題より従う.

元々のBaileyによる結果は区間(1,1)におけるJacobi多項式Pn(a,b)で書かれているが, 個人的に区間を(0,1)にした方が扱いやすいのでそのようにした.

y=1xとすると
F4[a,bc1,c2;x,x]=4F3[a,b,c1+c212,c1+c22c1,c2,c1+c21;4x]
なので, 以下の系を得る.

0nn!(a+b1)n(a,b)nρn(a,b)(x)ρn(b,a)(x)(t)n=4F3[a+b12,a+b12,a+b2,a+b2a,b,a+b1;4x(1x)4t(1+t)2]

さらにa=bとしてGegenbauer多項式, Legendre多項式で書き表すと以下を得る

0nn!(2a)nCn(a)(2x1)2(t)n=2F1[a,a2a;4x(1x)4t(1+t)2]0nPn(2x1)2(t)n=2F1[12,121;4x(1x)4t(1+t)2]

参考文献

[1]
W. N. Bailey, The Generating Function of Jacobi Polynomials, J. London Math. Soc., 1938
[2]
G. N. Watson, The product of two hypergeometric functions, Proc, London Math. Soc., 1922
投稿日:202455
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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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