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.
2F1[a,b1;1+x2]=Γ(2−a−b)Γ(2−a)Γ(2−b)∑0≤n(2n+1)(a,b)n(2−a,2−b)nPn(x)
Legendre多項式の直交性より,2F1[a,b1;1+x2]=∑0≤nanPn(x)と展開したときの係数はan=2n+12∫−112F1[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(x2−1)nを用いて, n回部分積分してベータ積分により,an=12nn!2n+12∫−112F1[a,b1;1+x2](ddx)n(x2−1)ndx=(−1)n2nn!2n+12∫−11(ddx)n(2F1[a,b1;1+x2])(x2−1)ndx=(−1)n(a,b)n22nn!22n+12∫−112F1[a+n,b+n1+n;1+x2](x2−1)ndx=(−1)n(a,b)n22nn!22n+12∑0≤k(a+n,b+n)kk!(1+n)k12k∫−11(x−1)n(x+1)n+kdx=(a,b)n22nn!22n+1222n+1n!2(2n+1)!∑0≤k(a+n,b+n)kk!(2n+2)k=(a,b)n(2n)!∑0≤k(a+n,b+n)kk!(2n+2)kここで, Gaussの超幾何定理より,(a,b)n(2n)!∑0≤k(a+n,b+n)kk!(2n+2)k=(2n+1)!Γ(2−a−b)Γ(2−a+n)Γ(2−b+n)だから,an=Γ(2−a−b)Γ(2−a)Γ(2−b)(2n+1)(a,b)n(2−a,2−b)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]=4π∑0≤nPn(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.
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