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現代数学解説
文献あり

Holdemanの展開公式

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PnをLegendre多項式とする. 以下の特別な形の超幾何関数に関して展開公式が知られている.

Holdeman(1970)

2F1[a,b1;1+x2]=Γ(2ab)Γ(2a)Γ(2b)0n(2n+1)(a,b)n(2a,2b)nPn(x)

Legendre多項式の直交性より,
2F1[a,b1;1+x2]=0nanPn(x)
と展開したときの係数は
an=2n+12112F1[a,b1;1+x2]Pn(x)dx
で与えられる. ここで, Rodriguesの公式
Pn(x)=12nn!(ddx)n(x21)n
を用いて, n回部分積分してベータ積分により,
an=12nn!2n+12112F1[a,b1;1+x2](ddx)n(x21)ndx=(1)n2nn!2n+1211(ddx)n(2F1[a,b1;1+x2])(x21)ndx=(1)n(a,b)n22nn!22n+12112F1[a+n,b+n1+n;1+x2](x21)ndx=(1)n(a,b)n22nn!22n+120k(a+n,b+n)kk!(1+n)k12k11(x1)n(x+1)n+kdx=(a,b)n22nn!22n+1222n+1n!2(2n+1)!0k(a+n,b+n)kk!(2n+2)k=(a,b)n(2n)!0k(a+n,b+n)kk!(2n+2)k
ここで, Gaussの超幾何定理より,
(a,b)n(2n)!0k(a+n,b+n)kk!(2n+2)k=(2n+1)!Γ(2ab)Γ(2a+n)Γ(2b+n)
だから,
an=Γ(2ab)Γ(2a)Γ(2b)(2n+1)(a,b)n(2a,2b)n
となって定理を得る.

特別な場合として, a=b=12とすると, 以下の第1種完全楕円積分の展開公式を得る.

2F1[12,121;1+x2]=4π0nPn(x)2n+1

同様に, a=12,b=12として第2種完全楕円積分の展開公式も得ることができる.

参考文献

[1]
Jonas T. Holdeman, Jr., Legendre Polynomial Expansions of Hypergeometric Functions with Applications, J. Mathematical Phys., 1970, 114-117
投稿日:319
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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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