Gegenbauer多項式はCn(a)(x)=(2a)nn!2F1[−n,2a+na+12;1−x2]によって与えられる. 前の記事 でGegenbauerの加法定理Cn(a)(st+x1−s21−t2)=∑k=0n2a+2k−12a−1(n−k)!(a)k2(2a)n+k(41−s21−t2)kCn−k(a+k)(s)Cn−k(a+k)(t)Ck(a−12)(x)を示した. 定義から,limn→∞n!(2a)nCn(1−x22n2)=∑0≤k(−1)kk!(a+12)k(x2)2k=Γ(a+12)(x2)12−aJa−12(x)である. ここで, Ja(x)はBessel関数であり,Ja(x)=∑0≤n(−1)nn!Γ(a+n+1)(x2)2n+aによって定義される. Gegenbauerの加法定理において, s=1−u22n2,t=1−v22n2としてから, n!(2a)nを掛けてn→∞とすると, 左辺はlimn→∞n!(2a)nCn(a)(1−u22n2−v22n2+uvxn21−u24n21−v24n2)=Γ(a+12)(u2+v2−2uvx2)12−aJa−12(u2+v2−2uvx)となり, 右辺はlimn→∞n!(2a)n∑k=0n2a+2k−12a−1(n−k)!(a)k2(2a)n+k(4uvn21−u24n21−v24n2)k⋅Cn−k(a+k)(1−u22n2)Cn−k(a+k)(1−v22n2)Ck(a−12)(x)=limn→∞∑k=0n2a+2k−12a−1n!(2a)n+k(a)k2n2k(2a)n(n−k)!(2a)2k2(4uv1−u24n21−v24n2)k⋅(n−k)!(2a+2k)n−kCn−k(a+k)(1−u22n2)(n−k)!(2a+2k)n−kCn−k(a+k)(1−v22n2)Ck(a−12)(x)=∑k=0∞2a+2k−12a−1(a)k2(2a)2k2(4uv)k⋅Γ(a+k+12)2(uv4)12−a−kJa+k−12(u)Ja+k−12(v)Ck(a−12)(x)=Γ(a+12)Γ(a−12)∑k=0∞(a+k−12)(uv4)12−aJa+k−12(u)Ja+k−12(v)Ck(a−12)(x)よってa↦a+12とすれば, 以下を得る.
Ja(u2+v2−2uvx)(u2+v2−2uvx)a=(2uv)aΓ(a)∑k=0∞(a+k)Ja+k(u)Ja+k(v)Ck(a)(x)
Gegenbauer多項式の直交性∫−11Cn(a)(x)Cm(a)(x)(1−x2)a−12dx=πΓ(a+12)Γ(a)(2a)nn!(n+a)δn,mを考えれば, これは∫−11Ja(u2+v2−2uvx)(u2+v2−2uvx)aCn(a)(x)(1−x2)a−12dx=πΓ(a+12)(2a)nn!(2uv)aJa+n(u)Ja+n(v)と同値である. 特にn=0とすると,∫−11Ja(u2+v2−2uvx)(u2+v2−2uvx)a(1−x2)a−12dx=πΓ(a+12)(2uv)aJa(u)Ja(v)を得る.
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