あいさつ
んちゃ!
今回は特殊関数で遊ぶのだ!
この記事は問題集やハンドブックの役割を持たせる想定で書いています。
ただもちろんいつも通り遊べるようにします。
この記事は常時更新され補強されていきます。
無限積で遊ぼう
次の無限積が収束することを示し、その極限値を求めよ。
[1]収束性に関しては次の次の不等式から分かる。
[2]極限値に関しては
より
各々の項の次数はの係数の一次結合で表せる。ゆえに、次の様に表せる。
ガンマ関数で作って遊ぼう!
直交多項式で作って遊ぼう!
Chalier polynomialの母関数
Chalier polynomialの母関数
次の様な2変数の関数を考える。
この時、とすると次の様に書ける事を示せ。
上記のに関する次多項式をChalier多項式と言います。
Chalier多項式について次の事が成り立つことを示せ。
上記計算から線形作用素を次のよう様に定める。
するとChalier多項式は次の性質は次の様に書き直せる。
Chebyshev多項式
をとしてで定める。
(1)T_{n}(x)はに関する次多項式となる事を示せ。
(2)次の積分結果を示せ。
[1]
より次の漸化式を得る。
よりの時ははの多項式。
そこで、まではの次多項式とする。
すると先の漸化式より、は次多項式であることが示された。
[2]直交性
と置くと、次の様に積分は書き換えれる。
ゆえに、
[1]の場合は与えられた積分は0
[2]の場合
[3]の場合は
第二Chebyshev多項式
関数列をとして次の様に定める。
(1)がに関する次多項式である事を示せ。
(2)が次の様な直交関係式を満たす事を示せ。
[1]
よりまではの次多項式とすると、漸化式よりは次の多項式。
[2]
とおくと
とおく。
(1)を示せ。
(2)[Hermite]次の事を示せただし。
(3)次の積分を証明せよ。
(4)次の積分を証明せよ。
[1]の場合は積の微分に他ならない
[2]そこでまで成り立つとしよう。するとの場合は次の様になる。
[別証明]
"R"ならばを微分、"U"ならを微分に対応するとするとの係数は個のRと個のUの並びの個数になるので
Hermite多項式の満たす微分方程式
(1)次の事を示せ。
そしてこれより、次の漸化式を示せ。
(2)次の式を証明せよ
(3)としたとき次の微分方程式を導出せよ。
[1]
よって
より
[2]
ゆえに[1]の漸化式と組み合わせると次式を得る。
[3]
Legender多項式
と置く。
(1)次の微分方程式を満たすことを示せ。
そして、これから次の漸化式を示せ。
ちなみに、からはに関する次多項式となる事が分かる。
(2)母関数を用いることで、下記の直行関係式を証明せよ。
[1]
最初の微分方程式は次の計算により証明できる。
この微分方程式にを代入すると以下の式を得る。
の係数を比較することで、所要の漸化式を得る。
[2]
とおくと次の様に計算できる
を得る。
ゆえにの係数を比較して次式を得る。
モーメント関数
複素数列があり、線形作用素を次の性質を持つとき、をから定まるモーメント関数という。また、はのオーダーのモーメントという。
が数列に対するモーメント関数とすると次の事実が成り立つ。
直交多項式
xに関する多項式列を次の性質を満たすように定める。
ある線形演算子が存在して任意の正整数に対して次の式が成り立つとする。
この時、多項式列を直交多項式という。
モニックな多項式列について次の条件(1)~(4)は同値である。
- 多項式列は直交多項式
- に対して、
- 任意の正整数に対して、次の三項間漸化式が成り立つ:
- 任意のに対して、数列が存在してここでは、で定義される次のHankel行列式
[(1)(2)]
(i)に対してはある複素数を用いては次の様に書ける。
ゆえに、両辺にをかけ線形作用素を作用させると
またの場合は同様の方法で
[(2)(3)]
まずはモニックなのでは高々次の多項式。ゆえにある複素数を用いて次の様に書ける事が分かる。
両辺には高々次の多項式なので両辺にこれらをかけ線形作用素を作用させると次式を得る。
ゆえに
すなわち、以下の三項間漸化式を得る。
[(3)(4)]
以下の三項間漸化式が成り立つ場合を考える。
後でわかり次第追記します。
[(4)]
後でわかり次第追記します。
直交関数展開
がモーメント関数に対する直交多項式だとする。すると、任意の次多項式は次の様に書ける。
と置く。両辺にをかけてを作用させると次の様に計算できる。
数列に対するモーメント関数が存在する場合、直交多項式は存在しない事を示せ。
仮に直交多項式が存在したとする。
すると直交関数の性質よりを満たす正整数mに対して以下の事実が成り立つ。
すなわち、。しかし
となりに反する。
ゆえに直交関数は存在しない事が示せた。
は任意のモーメント関数に対して直交多項式にならない事を示せ。
を数列に対するモーメント関数とする。また、別のモーメント関数を次のように定める。
このとき、に対する直交多項式を求めよ。
モーメントに対応するモーメント関数を考える。するとモニックな直交関数は次の性質を満たす。
また、とすると
直交関数の性質よりに対して
が成り立つので
同様な計算を行うことで以下の式を得る。
以下の様なモニックな直交の明示的表現を求めよ。
- ただし、
モーメント関数の直交関数をとする。このとき任意の多項式に対して以下の事がなり立つ事を示せ。