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特殊関数論で遊ぼう

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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。
n=1(1+6(n+1)(2n+9))

[1]収束性に関しては次の次の不等式から分かる。
logn=1(1+6(n+1)(2n+9))=k=1log(1+6(n+1)(2n+9))n=16(n+1)(2n+9)n=16n2=π2
[2]極限値に関しては
1+6(n+1)(2n+9)=(2n+5)(n+3)(n+1)(2n+9)
より
k=1n(2k+5)(k+3)(k+1)(k+9)=79(n+2)(n+3)23(2n+7)(2n+9)218(n)

次の事を示せ。
n=2(11n2)=12

11n2=(n1)(n+1)n2
より
k=2n(11k2)=(123(n1))(345(n+1))2232n2=n+12n12

次の式を示せ。
n=2(11n)=0

k=2n(11k)=k=2nk1k=1223n1n=1n0

次の無限積について考察せよ。
n=0(1+z2n)(|z|<1)

各々の項の次数は20,21,...,2k,...{0,1}係数の一次結合で表せる。ゆえに、次の様に表せる。
n=0(1+z2n)=n=0zn=11z

次の数列は発散することを示せ。
Pn=k=1nexp(1k)

logP2n=k=12n11k>1+2(12+12)+2n1(12n1++12n1)=n

ガンマ関数で作って遊ぼう!

Γ(z)=limnnzn!k=0n(z+k)

1Γ(z)=zeγzk=1(1+zk)ezk

1Γ(z)=limnk=0n(z+k)nzn!=zlimnezlognk=1n(1+zk)=zlimne(k=1n1klogn)zk=1n(1+zk)ezk=zeγzk=1(1+zk)ezk

{Γ(z)Γ(z)=γ1zn=1(1z+n1n)2Γ(2z)Γ(2z)Γ(z)Γ(z)Γ(z+12)Γ(z+12)=2log2

[1]
logΓ(z)=γz+logz+k=1(zklog(1+zk))
両辺をzで微分して
Γ(z)Γ(z)=γ1zk=1(1z+k1k)
[2]
2Γ(2z)Γ(2z)Γ(z)Γ(z)Γ(z+12)Γ(z+12)=2γ+γ+γ1z+1z+1z+122k=1(12z+k1k)+k=1(1z+k1k)+k=1(1z+k+121k)=22z+1+limn[k=12n22z+k+2H2n+k=1n22z+2kHn+k=1n22z+2k+1Hn]=22z+1+limn[k=12n22z+k+k=22n+122z+k+2H2n2Hn]=22z+1+limn[22z+2n+122z+1+2H2n2Hn]=limn(22z+2n+1+2H2n2Hn)=limn(H2n2Hn)=limn(2(H2nlog2n)2(Hnlogn)+2log2n2logn)=2limn(γγ+log2+lognlogn)=2logn

次の式を証明せよ。
Γ(12)=(γ+2log2)π

問題6でz=12を代入すると
2Γ(1)Γ(1)Γ(12)Γ(12)Γ(1)Γ(1)=2log2
ゆえに次式を得る。
Γ(12)=(Γ(1)Γ(1)2log2)Γ(12)=(γ+2log2)π

次の式を証明せよ。
Γ(z)=0ettz1dt

0ettz1dt=limn0(1+tn)ntz1dt=limnnz01(1u)nuz1du=limnnzn!z(z+1)(z+n)=Γ(z)

次の関数をベータ関数という
B(s,t)=01xs1(1x)t1dx

B(s,t)=Γ(s)Γ(t)Γ(s+t)

Γ(s)Γ(t)=00xs1yt1e(x+y)dxdy=0xxs1(yx)t1eydydx=00yxs1(yx)t1eydxdy=0dyyt1ey0yxs1(1xy)t1dx=0dyys+t1ey01xs1(1x)t1dx=Γ(x+y)B(x,y)

P(x)=xx12

次の式を示せ
0xP(x)dx=12P2(x)18

ある整数mx<m+1が成り立つので以下の計算ができる。
0xP(x)dx=mxP(x)dx=0xmP(x)dx=0xm(x12)dx=12(xm)212(xm)=12(xm12)218=12(x12)218=12P2(x)18

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。
G(x,w)=eaw(1+w)x
この時、G(x,w)=n=0Pn(x)wnとすると次の様に書ける事を示せ。
Pn(x)=k=0n(xk)(a)nk(nk)!

G(x,w)=eaw(1+w)x=m=0(a)mwmm!n=0(xn)wn=m=0n=0(a)mm!(xn)wm+n=N=0n=0N(a)Nn(Nn)!(xn)wN

上記のxに関するn次多項式Pn(x)をChalier多項式と言います。

Chalier多項式Pn(x)について次の事が成り立つことを示せ。
k=0Pm(k)Pn(k)akk!={0(if mn)eaann!(if m=n)

axG(x,v)G(x,w)=ea(v+w)[a(1+v)(1+w)]x
より
k=0akG(k,v)G(k,w)k!=ea(v+w)ea(1+v)(1+w)=eaevw=n=0eaan(vw)nn!=k=0akk!m,n=0Pm(k)Pn(k)vmwn=m,n=0k=0Pm(k)Pn(k)akk!vmwn
よりvmwnの係数比較により証明が完了する。

上記計算から線形作用素L:C[x]Cを次のよう様に定める。
L[xn]=k=0knakk!
するとChalier多項式は次の性質は次の様に書き直せる。
L[Pm(x)Pn(x)]=eaann!δmn

Chebyshev多項式

Tn(x)x=cosθとしてTn(x)=cos(narccosx)で定める。
(1)T_{n}(x)はxに関するn次多項式となる事を示せ。
(2)次の積分結果を示せ。
11Tm(x)Tn(x)(1x2)12dx={π2(if n>0)π(if m=n=0)

[1]
xTn(x)=cosnθcosθ=12(cos(n+1)θ+cos(n1)θ)=Tn+1(x)+Tn1(x)2
より次の漸化式を得る。
Tn+1(x)=2xTn(x)Tn(x)
T0(x)=1,T1(x)=xより0,1の時はTn(x)xの多項式。
そこで、0,1,...,nまでTk(x)xk次多項式とする。
すると先の漸化式より、Tn+1(x)n+1次多項式であることが示された。
[2]直交性
θ=arccosxと置くと、次の様に積分は書き換えれる。
0πcosmθcosnθdθ=120π(cos(m+n)θ+cos(mn)θ)dθ
ゆえに、
[1]mnの場合は与えられた積分は0
[2]m=n=0の場合π
[3]m=n0の場合はπ2

第二Chebyshev多項式

関数列Un(x)x=cosθとして次の様に定める。
Un(x)=sin(n+1)θsinθ
(1)Un(x)xに関するn次多項式である事を示せ。
(2)Un(x)が次の様な直交関係式を満たす事を示せ。
11Um(x)Un(x)(1x2)12dx=π2δmn

[1]
Un(x)=xUn1(x)+Tn(x)
U0(x)=1より0,1,..,n1までUk(x)xk次多項式とすると、漸化式よりUn(x)n次の多項式。
[2]
x=cosθとおくと
(givenintegral)=0πsin(m+1)θsin(n+1)θdθ=π2δmn

F(x,w)=e(xw)2とおく。
(1)nFwn|w=0=(1)nDnex2(D=ddx)を示せ。
(2)[Hermite]次の事を示せG(x,w)=e2xww2=n=0Hn(x)wnn!ただしHn(x)=(1)nex2Dnex2
(3)次の積分を証明せよ。G(x,v)G(x,w)ex2dx=πe2vw
(4)次の積分を証明せよ。Hm(x)Hn(x)ex2dx=π2nn!δmn

[1]
Fw=2(xw)F=Fx
[2]
G(x,w)=e2xww2=ex2F(x,w)=exn=0nFwn|w=0wnn!=n=0(1)nexDnex2wnn!
[3]
G(x,v)G(x,w)ex2dx=ex2+2(v+w)x(v2+w2)dx=e(xvw)2+2vwdx=πe2vw
[4]
G(x,v)G(x,w)dx=m,nHm(x)Hn(x)vmwnm!n!ex2dx=m,n=0vmwnm!n!Hm(x)Hn(x)ex2dx=πn=02n(vw)nn!
よりvmwnの係数を比較して
Hm(x)Hn(x)ex2dx=π2nn!δmn

Leibniz則

n回微分可能な関数f(x),g(x)について
dndxnf(x)g(x)=k=0n(nk)f(k)(x)g(nk)(x)

[1]n=1の場合は積の微分に他ならない
[2]そこで1,2,..,nまで成り立つとしよう。するとn+1の場合は次の様になる。
dn+1dxn+1f(x)g(x)=ddxk=0n(nk)f(k)(x)g(nk)(x)=f(0)(x)g(n+1)(x)+k=1n((nk)+(nk1))f(k)(x)g(n+1k)(x)+f(n+1)(x)g(0)(x)=k=0n+1(n+1k)f(k)(x)g(n+1k)(x)
[別証明]
"R"ならばf(x)を微分、"U"ならg(x)を微分に対応するとするとfk(x)gnk(x)の係数はk個のRとnk個のUの並びの個数になるので(nk)

Hermite多項式の満たす微分方程式

(1)次の事を示せ。
Dn+1ex2=2xDnex22nDn1ex2
そしてこれより、次の漸化式を示せ。
Hn+1(x)=2xHn(x)2nHn1(x)
(2)次の式を証明せよ
Hn(x)=2nHn1(x)
(3)y=Hn(x)としたとき次の微分方程式を導出せよ。
y2xy+2ny=0

[1]
Dn+1ex2=2Dnxex2=2xDnex22nDn1ex2
よって
ex2Hn+1(x)=(1)n+1Dn+1ex2=2x(1)nDnex22n(1)n1Dn1ex2
より
Hn+1(x)=2xHn(x)2nHn1(x)
[2]
Hn(x)=2xHn(x)Hn+1(x)
ゆえに[1]の漸化式と組み合わせると次式を得る。
Hn(x)=2nHn1(x)
[3]
y=2n(2xHn1(x)Hn(x))=4nxHn1(x)2Hn(x)=2xy2y

Legender多項式

H(x,w)=(12xw+w2)12=n=0Pn(x)wnと置く。
(1)次の微分方程式を満たすことを示せ。
(12xw+w2)Hw(xw)H=0
そして、これから次の漸化式を示せ。
(n+1)Pn+1(x)=(2n+1)xPn(x)nPn1(x)(n1)
ちなみに、P0(x)=1,P1(x)=xからPn(x)xに関するn次多項式となる事が分かる。
(2)母関数H(x,w)を用いることで、下記の直行関係式を証明せよ。
11Pm(x)Pn(x)dx=22n+1δmn

[1]
最初の微分方程式は次の計算により証明できる。
Hw=xw(12xw+w2)32=xw12xw+w2H
この微分方程式にH(x,w)=n=0Pn(x)wnを代入すると以下の式を得る。
P1(x)xP0(x)+n=1((n+1)Pn+1(x)(2n+1)Pn(x)+nPn1(x))wn=0
wnの係数を比較することで、所要の漸化式を得る。
[2]
Av=1+v22v,Aw=1+w22wとおくと次の様に計算できる
11H(x,v)H(x,w)dx=11dx((12vx+v2)(12wx+w2))12=12(vw)1211dx((Avx)(Awx))12=12(vw)12[2log((Avx)12)+(Awx)12]11=1(vw)12log(Av+1)12+(Aw+1)12(Av1)12+(Aw1)12=1(vw)12logv+1(2v)12+w+1(2w)121v(2v)12+1w(2w)12=1(vw)12w12(v+1)+v12(w+1)w12(1v)+v12(1w)=1(vw)12logv12+w12+(vw)12(v12+w12)v12+w12(vw)12(v12+w12)=1(vw)12log1+(vw)121(vw)12=n=1(vw)n2n1=11m,n=0Pm(x)Pn(x)vmwnx=m,n=0vmwn11Pm(x)Pn(x)dx
を得る。
ゆえにvmwnの係数を比較して次式を得る。
11Pm(x)Pn(x)dx=12n1δmn

モーメント関数

複素数列μnがあり、線形作用素L:C[x]Cを次の性質を持つとき、Lμnから定まるモーメント関数という。また、μnnのオーダーのモーメントという。
{L[xn]=μnL[α1p1(x)+α2p2(x)]=α1L[p1(x)]+α2L[p2(x)]( α1,α2C, p1(x),p2C[x])

Lが数列μnに対するモーメント関数とすると次の事実が成り立つ。
L[k=0nckxk]=k=0nckL[xk]=k=0nckμk

直交多項式

xに関する多項式列pn(x)(degpn(x))を次の性質を満たすように定める。
ある線形演算子L:C[x]Cが存在して任意の正整数m,n{0}Nに対して次の式が成り立つとする。
L[pn(x)pm(x)]=hnδnm(hn0)
この時、多項式列pn(x)を直交多項式という。

モニックな多項式列pn(x)について次の条件(1)~(4)は同値である。

  1. 多項式列pn(x)は直交多項式
  2. 0knに対して、L[pn(x)xk]=Knδkn
  3. 任意の正整数n{0}Nに対して、次の三項間漸化式が成り立つ:xpn(x)=pn+1(x)+bnpn(x)+unpn1(x)
  4. 任意のnNに対して、数列cnが存在してpn(x)=1Δn|c0c1cnc1c2cn+1cn1cnc2n11xxn|ここでΔnΔ0=1Δn=|ci+j|0i,jnで定義されるn次のHankel行列式

[(1)(2)]
(i)0k<nに対してはある複素数ck0,ck1,..,ckkを用いてxkは次の様に書ける。
xk=i=0kckipi(x)
ゆえに、両辺にpn(x)をかけ線形作用素Lを作用させると
L[xkpn(x)]=L[i=0kckipi(x)pn(x)]=i=0kckiL[pi(x)pn(x)]=0
またk=nの場合は同様の方法で
L[xnpn(x)]=cnnhn0
[(2)(3)]
まずpn(x)はモニックなのでxpn(x)pn+1(x)は高々n次の多項式。ゆえにある複素数bn,un,cn2,...,c0を用いて次の様に書ける事が分かる。
xpnpn+1=bnpn(x)+unpn1(x)+i=0n1cipi(x)
両辺にxpi(x)(i=0,1,2,..,n2)は高々n1次の多項式なので両辺にこれらをかけ線形作用素Lを作用させると次式を得る。
L[pnxpi(x)]=0=cihi
ゆえにc0=c1=...=cn2=0
すなわち、以下の三項間漸化式を得る。
xpn(x)=pn+1(x)+bnpn(x)+unpn1(x)
[(3)(4)]
以下の三項間漸化式が成り立つ場合を考える。
xpn(x)=pn+1(x)+bnpn(x)+unpn1(x)
後でわかり次第追記します。
[(4)(1)]
後でわかり次第追記します。

直交関数展開

Pn(x)がモーメント関数Lに対する直交多項式だとする。すると、任意のn次多項式pn(x)は次の様に書ける。
pn(x)=k=0nL[pn(x)Pk(x)]L[Pk2(x)]Pk(x)

pn(x)=k=0nckPk(x)と置く。両辺にPk(x)をかけてLを作用させると次の様に計算できる。
L[pn(x)Pk(x)]=L[Pk2(x)]ck

数列anに対するモーメント関数L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Pn(x)=k=0nckxkが存在したとする。
すると直交関数の性質より0m<nを満たす正整数mに対して以下の事実が成り立つ。
L[xmPn(x)]=amk=0nckak=0
すなわち、k=0nckak=0。しかし
L[xnPn(x)]=ank=0nckak=0
となりL[xnPn(x)]0に反する。
ゆえに直交関数は存在しない事が示せた。

Pn(x)=xnは任意のモーメント関数Lに対して直交多項式にならない事を示せ。

L[Pm(x)Pn(x)]=L[xm+n]=μm+n0

Lを数列μn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Mを次のように定める。
M[xn]=L[(ax+b)n](a0,n{0}N)
このとき、Mに対する直交多項式を求めよ。

モーメント関数Mに対する直交多項式をQn(x)とすると
Qn(x)=Pn(xba)

モーメントμnに対応するモーメント関数Lを考える。するとモニックな直交関数Pn(x)=k=0n1cnkxk+xnは次の性質を満たす。
(μ0μ1μn1μ1μ2μnμn1μnμ2n2)(cn0cn1cnn1)=(μnμn+1μ2n1)
また、L[xnPn(x)]=Knとすると
(μ0μ1μnμ1μ2μn+1μnμn+1μ2n1)(cn0cn1cnn11)=(000Kn)

直交関数の性質より0m<nに対して
L[xmPn(x)]=k=0n1cnkμk+m+μm+n=0
が成り立つので
(μ0μqμn1μ1μ2μnμn1μnμ2n2)(cn0cn1cnn1)=(μnμn+1μ2n1)
同様な計算を行うことで以下の式を得る。
(μ0μ1μnμ1μ2μn+1μnμn+1μ2n1)(cn0cn1cnn11)=(000Kn)

以下の様なモニックな直交Pn(x)の明示的表現を求めよ。

  1. 01Pm(x)Pn(x)x12(1x)12dx=KnただしKn=π2(n>0)K0=π
  2. Pm(x)Pn(x)ex22dx=2πn!δmn
  3. 01Pm(x)Pn(x)dx=12n1δmn

一旦保留

モーメント関数Lの直交関数をPn(x)とする。このとき任意の多項式p(x)=k=0nckPk(x)に対して以下の事がなり立つ事を示せ。
L[p(x)2]=k=0nck2L[Pk(x)2]

直交関係式を使うだけ。

参考文献

投稿日:2024112
更新日:2024114
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