Поліноми Ґеґенбауера або ультрасфери́чні поліноми — поліноми, ортогональні на відрізку [−1,1] з вагою і є узагальненням поліномів Лежандра і Чебишева. Їх можна явно записати у вигляді суми

де  — гамма-функція, позначає цілу частину числа , а  — символ Похгаммера.

Щоб вагова функція була дійснозначною та інтегровною часто накладають обмеження , хоча більшість формальних співвідношень залишаються справедливими для довільного .

Згідно наведено вище означення і часто у випадку функцію перевизначають окремо (див. розділ «Зв'язок з іншими функціями»).

Поліноми Ґеґенбауера є частковим випадком поліномів Якобі. Вперше введені у 1875 році в докторській дисертації австрійського математика Леопольда Ґеґенбауера (1849—1903) та були пізніше названі на його честь. Варто відзначити, що після захисту дисертації протягом наступних трьох років Л. Ґеґенбауер працював професором математики в Чернівецькому університеті, на той час — Університеті Франца-Йосифа ().

Приклади

Перші шість поліномів Ґеґенбауера:

Значення в деяких точках

Мають місце такі співвідношення:

при ,       при

при

Властивості Функція є поліномом степеня відносно та і визначена для довільних . Як і всі ортогональні поліноми функція , , має тільки прості нулі, які всі лежать на відрізку . Нулі розташовані симетрично відносно початку координат. Нулі поліномів та чергуються.

Позначимо через нулі многочлена розташовані у порядку спадання:

Нулі розташовані симетрично . Для нулів на інтеравалі [0,1] введемо позначення

Тоді мають місце оцінки:

Поліном містить члени лише тієї ж парності, що й саме число :

Зв'язок з іншими функціями Поліноми Лежандра є частковим випадком поліномів Ґеґенбауера при :

У загальному випадку поліноми Ґеґенбауера півцілого верхнього індексу можна виразити через поліноми Лежандра:

де  — символ Кронекера, або через похідну від полінома Лежандра:

Приєднана функція Лежандра першого роду також може бути виражена через поліноми Ґеґенбауера:

Поліноми Чебишева першого роду є частковим випадком поліномів Ґеґенбауера при :

Це співвідношення беруть за означення полінома Ґеґенбауера індекса , тобто .

Поліноми Чебишева другого роду є частковим випадком поліномів Ґеґенбауера при

У загальному випадку поліноми Ґеґенбауера цілого верхнього індексу можна виразити через поліноми Чебишева:

де  — символ Кронекера, або за допомогою операції диференціювання:

Поліноми Ерміта також можуть бути виражені як граничний випадок поліномів :

Поліноми Ґеґенбауера можна виразити через скінченний гіпергеометричний ряд:Gegenbauer Function , functions.wolfram.com}}

Це співвідношення дозволяє розширити означення функції на випадок довільного дійсного (комплексного) значення індексу . Так означена функція називається функцією Ґеґенбауера і у випадку натурального збігається з поліномом Ґеґенбауера.

Поліноми Ґеґенбауера є частковим випадком поліномів Якобі при :

де  — символ Похгаммера.

Твірна функція та формула Родріга Твірна функція поліномів Ґеґенбауера :

Вони можуть бути виражені за допомогою формули Родріга

Рекурентні співвідношення Для поліномів Ґеґенбауера виконується рекурентне співвідношення по індексу , яке можна застосовувати для знаходження поліномів при :

Рекурентне співвідношення по індексу :

Інші формули:

Диференціальні властивості Похідна полінома Ґеґенбауера виражається через поліном зі зміщеним індексом

або у загальному випадку

Похідна від добутку на вагову функцію

Похідна полінома Ґеґенбауера по параметру також може бути обчислена через поліноми за наступною формулою:

Диференціальне рівняння Поліноми Ґеґенбауера є частковим розв'язком диференціального рівняння, яке називають рівнянням Ґеґенбауера

Загальний розв'язок вказаного рівняння зображується у вигляді

де  — приєднана функція Лежандра другого роду,  — довільні сталі.

Ортогональність Зауваження. Всі співвідношення цього розділу справедливі за умови , .

Для заданого поліноми Ґеґенбауера ортогональні на відрізку [−1,1] с вагою , тобто (при ),

причому виконується умова нормування

Як наслідок, функції

утворюють ортонормований базис у просторі . Довільна функція може бути розвинена в узагальнений ряд Фур'є по набору функцій :

Також розвинення можна будувати безпосередньо по многочленах Ґеґенбауера у ваговому просторі Лебега :

за формулами:

Приклади розвинень

де  — функція знаку.

Двовимірні розвинення:

де  — функція Бесселя першого роду.

Представлення через суми та ряди Поліноми Ґеґенбауера можна записати у вигляді суми по степенях або за відповідними формулами:

де  — числа Стірлінга першого роду.

Розвиненням в ряд Тейлора в околі довільної точки буде скінчення сума:

Інтегральне представлення Поліноми Ґеґенбауера допускають інтегральне представлення:

через інтеграл по дійсній змінній:

через контурний інтеграл:

де  — довільний контур в комплексній області, що містить одиничний круг.

Ряд інших інтегральних тотожностей:

Асимптотична поведінка Наведені формули характеризують поведінку поліномів Ґеґенбауера в околі різних значень параметра та змінної :

Нерівності та оцінки Справедливі такі оцінки:

При справедлива наступна нерівність:

Поліноми Ґеґенбауера від косинуса полярного кута Поліном Ґеґенбауера від косинуса полярного кута може бути представлений у вигляді суми

або через інтеграл від дійсного параметра:

Зауваження. Наведені вище формули справедливі для косинуса взагалі, без прив'язки до сферичної системи координат.

При повороті точки заданої в сферичній системі координатами на кут нутації новий кут визначається рівністю

Справедлива формула додавання:

або

після заміни .

Випадок комплексного аргументу Симетрія відносно операції комплексного спряження:

Якщо , де і  — дійсні змінні ( також дійсне), то дійсна та уявна частини поліномів Ґеґенбауера можуть бути записані в такому вигляді:

Застосування Поліноми Ґеґенбауера природно виникають як узагальнення поліномів Лежандра у теорії потенціалу та гармонічному аналізі. А саме, ньютонівський потенціал в допускає такий розклад:

Зокрема, при ця формула дає розклад гравітаційного потенціалу по поліномах Лежандра.

Подібні розвинення мають місце для інтегрального ядра у формулі Пуассона для кулі (див. Stein & Weiss, 1971).

Поліноми Ґеґенбауера виникають при знаходженні власних функцій кутової частини -вимірного оператора Лапласа і, відповідно, входять до виразу для багатовимірних сферичних (ультрасферичних) гармонік:

де  — кутові координати в -вимірній сферичній системі координат,

Також вони з'являються у імпульсному зображенні хвильової функції атома водню:

де  — одиниці ,  — радіус Бора атома водню,  — сферичні гармоніки.

Також поліноми Ґеґенбауера через відповідні ультрасферичні гармоніки пов'язані з представленнями спеціальної ортогональної групи .

Література

Milton Abramowitz & Irene A. Stegun, , (1964) Dover Publications, New York. ISBN 0-486-61272-4. Див. Chapter 22 Stein, Elias; Weiss, Guido, Introduction to Fourier Analysis on Euclidean Spaces, (1971) Princeton, N.J.: Princeton University Press. ISBN 978-0-691-08078-9.

Примітки

Посилання Gegenbauer Function , functions.wolfram.com Eric W. Weisstein, Gegenbauer Polynomial , MathWorld — mathworld.wolfram.com