Гипергеометрическая функция

В математике гауссова или обычная гипергеометрическая функция ₂ F ₁ ( a , b ; c ; z ) — это специальная функция , представленная гипергеометрическим рядом , который включает в себя множество других специальных функций в качестве частных или предельных случаев . Это решение линейного обыкновенного дифференциального уравнения (ОДУ) второго порядка. Любое линейное ОДУ второго порядка с тремя регулярными особыми точками можно преобразовать в это уравнение.

Систематические списки некоторых из многих тысяч опубликованных тождеств, включающих гипергеометрическую функцию, см. в справочных работах Erdélyi et al. (1953) и Олде Даалхейс (2010) . Не существует известной системы для организации всех идентичностей; действительно, не существует известного алгоритма, который мог бы генерировать все идентификаторы; известен ряд различных алгоритмов, генерирующих разные серии тождеств. Теория алгоритмического открытия идентичностей остается активной темой исследований.

История [ править ]

Термин «гипергеометрический ряд» впервые был использован Джоном Уоллисом в его книге «Arithmetica Infinitorum » 1655 года .

Гипергеометрические ряды изучал Леонард Эйлер , но первое полное систематическое рассмотрение было дано Карлом Фридрихом Гауссом ( 1813 ).

Исследования девятнадцатого века включали исследования Эрнста Куммера ( 1836 г. ) и фундаментальную характеристику гипергеометрической функции Бернхардом Риманом ( 1857 г. ) посредством дифференциального уравнения, которому она удовлетворяет.

Риман показал, что дифференциальное уравнение второго порядка для ₂ F ₁ ( z ), рассматриваемое в комплексной плоскости, может быть охарактеризовано (на сфере Римана ) тремя регулярными особенностями .

Случаи, когда решения являются алгебраическими функциями, нашел Герман Шварц ( список Шварца ).

Гипергеометрический ряд [ править ]

Гипергеометрическая функция определена для $| г | < 1$ в степенном ряду

{}_{2}F_{1}(a,b;c;z)=\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {(a)_{n}(b)_{n}}{(c)_{n}}}{\frac {z^{n}}{n!}}=1+{\frac {ab}{c}}{\frac {z}{1!}}+{\frac {a(a+1)b(b+1)}{c(c+1)}}{\frac {z^{2}}{2!}}+\cdots .

Оно не определено (или бесконечно), если $c$ равно неположительному целому числу . Здесь $(q) n$ — (растущий) символ Поххаммера , который определяется следующим образом:

(q)_{n}={\begin{cases}1&n=0\\q(q+1)\cdots (q+n-1)&n>0\end{cases}}

Ряд завершается, если $a$ или $b$ является неположительным целым числом, и в этом случае функция сводится к полиному:

{}_{2}F_{1}(-m,b;c;z)=\sum _{n=0}^{m}(-1)^{n}{\binom {m}{n}}{\frac {(b)_{n}}{(c)_{n}}}z^{n}.

Для комплексных аргументов $z$ с $| г | \geq 1,$ его можно аналитически продолжить по любому пути на комплексной плоскости, избегающему точек ветвления 1 и бесконечности. На практике большинство компьютерных реализаций гипергеометрической функции используют разрез по линии $z \geq 1$ .

При $c \to - m$ , где $m$ — неотрицательное целое число, имеем $2 F 1 (z) \to \infty$ . Разделив на значение $Γ(c)$ гамма -функции , мы имеем предел:

\lim _{c\to -m}{\frac {{}_{2}F_{1}(a,b;c;z)}{\Gamma (c)}}={\frac {(a)_{m+1}(b)_{m+1}}{(m+1)!}}z^{m+1}{}_{2}F_{1}(a+m+1,b+m+1;m+2;z)

$2 F 1 (z)$ является наиболее распространенным типом обобщенного гипергеометрического ряда $p F q$ и часто обозначается просто $F (z)$ .

Формулы дифференцирования [ править ]

Использование личности $(a)_{n+1}=a(a+1)_{n}$ , показано, что

{\frac {d}{dz}}\ {}_{2}F_{1}(a,b;c;z)={\frac {ab}{c}}\ {}_{2}F_{1}(a+1,b+1;c+1;z)

и в более общем плане,

{\frac {d^{n}}{dz^{n}}}\ {}_{2}F_{1}(a,b;c;z)={\frac {(a)_{n}(b)_{n}}{(c)_{n}}}\ {}_{2}F_{1}(a+n,b+n;c+n;z)

Особые случаи [ править ]

Многие из общих математических функций могут быть выражены через гипергеометрическую функцию или как ее предельные случаи. Некоторые типичные примеры:

{\begin{aligned}_{2}F_{1}\left(1,1;2;-z\right)&={\frac {\ln(1+z)}{z}}\\_{2}F_{1}(a,b;b;z)&=(1-z)^{-a}\quad (b{\text{ arbitrary}})\\_{2}F_{1}\left({\frac {1}{2}},{\frac {1}{2}};{\frac {3}{2}};z^{2}\right)&={\frac {\arcsin(z)}{z}}\\\,_{2}F_{1}\left({\frac {1}{3}},{\frac {2}{3}};{\frac {3}{2}};-{\frac {27x^{2}}{4}}\right)&={\frac {{\sqrt[{3}]{\frac {3x{\sqrt {3}}+{\sqrt {27x^{2}+4}}}{2}}}-{\sqrt[{3}]{\frac {2}{3x{\sqrt {3}}+{\sqrt {27x^{2}+4}}}}}}{x{\sqrt {3}}}}\\\end{aligned}}

Когда a =1 и b = c , ряд сводится к простой геометрической прогрессии , т.е.

{\begin{aligned}_{2}F_{1}\left(1,b;b;z\right)&={}_{1}F_{0}\left(1;;z\right)=1+z+z^{2}+z^{3}+z^{4}+\cdots \end{aligned}}

отсюда и название гипергеометрический . Эту функцию можно рассматривать как обобщение геометрической прогрессии .

Вырожденная гипергеометрическая функция (или функция Куммера) может быть задана как предел гипергеометрической функции.

M(a,c,z)=\lim _{b\to \infty }{}_{2}F_{1}(a,b;c;b^{-1}z)

поэтому все функции, которые по сути являются его частными случаями, такие как функции Бесселя , могут быть выражены как пределы гипергеометрических функций. К ним относятся большинство часто используемых функций математической физики.

Функции Лежандра являются решениями дифференциального уравнения второго порядка с тремя регулярными особыми точками, поэтому их можно выразить через гипергеометрическую функцию разными способами, например

{}_{2}F_{1}(a,1-a;c;z)=\Gamma (c)z^{\tfrac {1-c}{2}}(1-z)^{\tfrac {c-1}{2}}P_{-a}^{1-c}(1-2z)

Несколько ортогональных полиномов, включая полиномы Якоби P ^{(а, б)}
_n и их частные случаи. Полиномы Лежандра , полиномы Чебышева , полиномы Гегенбауэра , полиномы Цернике можно записать в терминах гипергеометрических функций, используя

{}_{2}F_{1}(-n,\alpha +1+\beta +n;\alpha +1;x)={\frac {n!}{(\alpha +1)_{n}}}P_{n}^{(\alpha ,\beta )}(1-2x)

Другие полиномы, являющиеся особыми случаями, включают полиномы Кравчука , полиномы Мейкснера , полиномы Мейкснера – Поллачека .

Данный $z\in \mathbb {C} \setminus \{0,1\}$ , позволять

\tau ={\rm {i}}{\frac {{}_{2}F_{1}{\bigl (}{\frac {1}{2}},{\frac {1}{2}};1;1-z{\bigr )}}{{}_{2}F_{1}{\bigl (}{\frac {1}{2}},{\frac {1}{2}};1;z{\bigr )}}}.

Затем

\lambda (\tau )={\frac {\theta _{2}(\tau )^{4}}{\theta _{3}(\tau )^{4}}}=z

— модульная лямбда-функция , где

\theta _{2}(\tau )=\sum _{n\in \mathbb {Z} }e^{\pi i\tau (n+1/2)^{2}},\quad \theta _{3}(\tau )=\sum _{n\in \mathbb {Z} }e^{\pi i\tau n^{2}}.

j -инвариант , модулярная функция , является рациональной функцией в $\lambda (\tau )$ .

Неполные бета-функции B _x ( p , q ) связаны соотношением

B_{x}(p,q)={\tfrac {x^{p}}{p}}{}_{2}F_{1}(p,1-q;p+1;x).

Полные эллиптические интегралы K и E имеют вид ^[1]

{\begin{aligned}K(k)&={\tfrac {\pi }{2}}\,_{2}F_{1}\left({\tfrac {1}{2}},{\tfrac {1}{2}};1;k^{2}\right),\\E(k)&={\tfrac {\pi }{2}}\,_{2}F_{1}\left(-{\tfrac {1}{2}},{\tfrac {1}{2}};1;k^{2}\right).\end{aligned}}

Гипергеометрическое дифференциальное уравнение [ править ]

Гипергеометрическая функция является решением гипергеометрического дифференциального уравнения Эйлера.

z(1-z){\frac {d^{2}w}{dz^{2}}}+\left[c-(a+b+1)z\right]{\frac {dw}{dz}}-ab\,w=0.

который имеет три регулярные особые точки : 0,1 и ∞. Обобщение этого уравнения на три произвольные регулярные особые точки дается дифференциальным уравнением Римана . Любое линейное дифференциальное уравнение второго порядка с тремя регулярными особыми точками можно путем замены переменных преобразовать в гипергеометрическое дифференциальное уравнение.

Решения в особых точках [ править ]

Решения гипергеометрического дифференциального уравнения строятся из гипергеометрического ряда ₂ F ₁ ( a , b ; c ; z ). Уравнение имеет два линейно независимых решения. В каждой из трёх особых точек 0, 1, ∞ обычно имеется два особых решения вида x ^сраз голоморфная функция от x , где s — один из двух корней определяющего уравнения, а x — локальная переменная, обращающаяся в нуль в регулярной особой точке. Это дает 3 × 2 = 6 специальных решений следующим образом.

Вокруг точки z = 0 есть два независимых решения, если c не является неположительным целым числом,

\,_{2}F_{1}(a,b;c;z)

и при условии, что c не является целым числом,

z^{1-c}\,_{2}F_{1}(1+a-c,1+b-c;2-c;z)

Если c — неположительное целое число 1− m , то первое из этих решений не существует и его необходимо заменить на $z^{m}F(a+m,b+m;1+m;z).$ Второе решение не существует, если c — целое число больше 1, и равно первому решению или его замене, когда c — любое другое целое число. Поэтому, когда c является целым числом, для второго решения необходимо использовать более сложное выражение, равное первому решению, умноженному на ln( z ), плюс еще один ряд по степеням z , включающий дигамма-функцию . см. в Olde Daalhuis (2010) Подробности .

В районе z = 1, если c − a − b не является целым числом, имеется два независимых решения.

\,_{2}F_{1}(a,b;1+a+b-c;1-z)

и

(1-z)^{c-a-b}\;_{2}F_{1}(c-a,c-b;1+c-a-b;1-z)

Вблизи z = ∞, если a − b не является целым числом, имеется два независимых решения.

z^{-a}\,_{2}F_{1}\left(a,1+a-c;1+a-b;z^{-1}\right)

и

z^{-b}\,_{2}F_{1}\left(b,1+b-c;1+b-a;z^{-1}\right).

Опять же, когда условия нецелостности не выполняются, существуют другие, более сложные решения.

Любые 3 из 6 вышеупомянутых решений удовлетворяют линейному соотношению, поскольку пространство решений двумерно, что дает ( ⁶
₃ ) = 20 линейных отношений между ними, называемых формулами связи .

Куммера решения 24

второго порядка Фуксово уравнение с n особыми точками имеет группу симметрий, действующую (проективно) на его решения, изоморфную группе Коксетера W( D _n ) порядка 2 ^{п -1}н !. Гипергеометрическое уравнение представляет собой случай n = 3, с группой порядка 24, изоморфной симметричной группе в 4 точках, как впервые описано Куммер . Появление симметрической группы случайно и не имеет аналога более чем для 3 особых точек, и иногда лучше думать о группе как о расширении симметрической группы на 3 точки (действуя как перестановки 3 особых точек) по ( 4-группа Клейна элементы которой меняют знаки разностей показателей в четном числе особых точек). Группа Куммера из 24 преобразований порождается тремя преобразованиями, переводящими решение F ( a , b ; c ; z ) в одно из

{\begin{aligned}(1-z)^{-a}F\left(a,c-b;c;{\tfrac {z}{z-1}}\right)\\F(a,b;1+a+b-c;1-z)\\(1-z)^{-b}F\left(c-a,b;c;{\tfrac {z}{z-1}}\right)\end{aligned}}

которые соответствуют транспозициям (12), (23) и (34) при изоморфизме с симметрической группой в 4 точках 1, 2, 3, 4. (Первая и третья из них фактически равны F ( a , b ; c ; z ) тогда как второе является независимым решением дифференциального уравнения.)

Применение преобразований Куммера 24 = 6×4 к гипергеометрической функции дает приведенные выше решения 6 = 2×3, соответствующие каждому из двух возможных показателей степени в каждой из трех особых точек, каждая из которых появляется 4 раза из-за тождеств

{\begin{aligned}{}_{2}F_{1}(a,b;c;z)&=(1-z)^{c-a-b}\,{}_{2}F_{1}(c-a,c-b;c;z)&&{\text{Euler transformation}}\\{}_{2}F_{1}(a,b;c;z)&=(1-z)^{-a}\,{}_{2}F_{1}(a,c-b;c;{\tfrac {z}{z-1}})&&{\text{Pfaff transformation}}\\{}_{2}F_{1}(a,b;c;z)&=(1-z)^{-b}\,{}_{2}F_{1}(c-a,b;c;{\tfrac {z}{z-1}})&&{\text{Pfaff transformation}}\end{aligned}}

Q-форма [ править ]

Гипергеометрическое дифференциальное уравнение можно привести к Q-форме

{\frac {d^{2}u}{dz^{2}}}+Q(z)u(z)=0

сделав замену u = wv и исключив член первой производной. Человек обнаруживает, что

Q={\frac {z^{2}[1-(a-b)^{2}]+z[2c(a+b-1)-4ab]+c(2-c)}{4z^{2}(1-z)^{2}}}

а v определяется решением задачи

{\frac {d}{dz}}\log v(z)=-{\frac {c-z(a+b+1)}{2z(1-z)}}=-{\frac {c}{2z}}-{\frac {1+a+b-c}{2(z-1)}}

который

v(z)=z^{-c/2}(1-z)^{(c-a-b-1)/2}.

Q-форма важна в своем отношении к производной Шварца ( Hille 1976 , стр. 307–401).

Карты треугольников Шварца [ править ]

Отображения треугольника Шварца или Шварца s -функции представляют собой отношения пар решений.

s_{k}(z)={\frac {\phi _{k}^{(1)}(z)}{\phi _{k}^{(0)}(z)}}

где k — одна из точек 0, 1, ∞. Обозначения

D_{k}(\lambda ,\mu ,\nu ;z)=s_{k}(z)

также иногда используется. Обратите внимание, что коэффициенты связи становятся преобразованиями Мёбиуса на картах треугольников.

Обратите внимание, что каждое отображение треугольника регулярно в точке z ∈ {0, 1, ∞} соответственно, причем

{\begin{aligned}s_{0}(z)&=z^{\lambda }(1+{\mathcal {O}}(z))\\s_{1}(z)&=(1-z)^{\mu }(1+{\mathcal {O}}(1-z))\end{aligned}}

и

s_{\infty }(z)=z^{\nu }(1+{\mathcal {O}}({\tfrac {1}{z}})).

В частном случае действительных λ, µ и ν, при 0 ⩽ λ, µ,ν < 1, s-отображения являются конформными отображениями верхней полуплоскости H в треугольники на сфере Римана , ограниченные дугами окружностей. Это отображение является обобщением отображения Шварца – Кристоффеля на треугольники с дугами окружностей. Особые точки 0,1 и ∞ передаются вершинам треугольника. Углы треугольника равны πλ, πμ и πν соответственно.

Кроме того, в случае λ=1/ p , µ=1/ q и ν=1/ r для целых чисел p , q , r , тогда треугольник замостит сферу, комплексную плоскость или верхнюю полуплоскость в зависимости от того, является ли λ + µ + ν – 1 – положительное, ноль или отрицательное; а s-отображения являются обратными функциями автоморфных функций для группы треугольников 〈 p , q , r 〉 = ∆( p , q , r ).

Группа монодромии [ править ]

Монодромия гипергеометрического уравнения описывает, как фундаментальные решения изменяются при аналитическом продолжении по путям в плоскости z , которые возвращаются в одну и ту же точку. То есть, когда путь огибает особенность ₂ F ₁ , значение решений в конечной точке будет отличаться от начальной точки.

Два фундаментальных решения гипергеометрического уравнения связаны друг с другом линейным преобразованием; таким образом, монодромия является отображением (групповым гомоморфизмом):

\pi _{1}(\mathbf {C} \setminus \{0,1\},z_{0})\to {\text{GL}}(2,\mathbf {C} )

где π ₁ — фундаментальная группа . Другими словами, монодромия — это двумерное линейное представление фундаментальной группы. уравнения Группа монодромии является образом этого отображения, т.е. группой, порожденной матрицами монодромии. Представление монодромии фундаментальной группы можно явно вычислить через показатели в особых точках. ^[2] Если (α, α'), (β, β') и (γ,γ') — показатели степени в точках 0, 1 и ∞, то, если взять z ₀ вблизи 0, петли вокруг 0 и 1 имеют матрицы монодромии

{\begin{aligned}g_{0}&={\begin{pmatrix}e^{2\pi i\alpha }&0\\0&e^{2\pi i\alpha ^{\prime }}\end{pmatrix}}\\g_{1}&={\begin{pmatrix}{\mu e^{2\pi i\beta }-e^{2\pi i\beta ^{\prime }} \over \mu -1}&{\mu (e^{2\pi i\beta }-e^{2\pi i\beta ^{\prime }}) \over (\mu -1)^{2}}\\e^{2\pi i\beta ^{\prime }}-e^{2\pi i\beta }&{\mu e^{2\pi i\beta ^{\prime }}-e^{2\pi i\beta } \over \mu -1}\end{pmatrix}},\end{aligned}}

где

\mu ={\sin \pi (\alpha +\beta ^{\prime }+\gamma ^{\prime })\sin \pi (\alpha ^{\prime }+\beta +\gamma ^{\prime }) \over \sin \pi (\alpha ^{\prime }+\beta ^{\prime }+\gamma ^{\prime })\sin \pi (\alpha +\beta +\gamma ^{\prime })}.

Если 1− a , c − a − b , a − b — нецелые рациональные числа со знаменателями k , l , m , то группа монодромии конечна тогда и только тогда, когда $1/k+1/l+1/m>1$ , см. список Шварца или алгоритм Ковачича .

Интегральные формулы [ править ]

Тип Эйлера [ править ]

Если B — бета-функция , то

\mathrm {B} (b,c-b)\,_{2}F_{1}(a,b;c;z)=\int _{0}^{1}x^{b-1}(1-x)^{c-b-1}(1-zx)^{-a}\,dx\qquad \Re (c)>\Re (b)>0,

при условии, что z не является действительным числом, большим или равным 1. Это можно доказать, разложив (1 - zx ) ^{− а}используя биномиальную теорему, а затем почленно интегрируя для z с абсолютным значением меньше 1, а также путем аналитического продолжения в другом месте. Когда z - действительное число, большее или равное 1, необходимо использовать аналитическое продолжение, поскольку (1 - zx ) равно нулю в некоторой точке носителя интеграла, поэтому значение интеграла может быть неточно определено. Это было дано Эйлером в 1748 году и подразумевает гипергеометрические преобразования Эйлера и Пфаффа.

Другие представления, соответствующие другим ветвям , даются путем взятия того же подынтегрального выражения, но принимая путь интегрирования в виде замкнутого цикла Похгаммера , охватывающего особенности в различных порядках. Такие пути соответствуют действию монодромии .

Интеграл Барнса [ править ]

Барнс использовал теорию вычетов для оценки интеграла Барнса.

{\frac {1}{2\pi i}}\int _{-i\infty }^{i\infty }{\frac {\Gamma (a+s)\Gamma (b+s)\Gamma (-s)}{\Gamma (c+s)}}(-z)^{s}\,ds

как

{\frac {\Gamma (a)\Gamma (b)}{\Gamma (c)}}\,_{2}F_{1}(a,b;c;z),

где нарисован контур, отделяющий полюса 0, 1, 2... от полюсов - a , - a - 1, ..., - b , - b - 1, ... . Это справедливо до тех пор, пока z не является неотрицательным действительным числом.

Джон трансформирует [ править ]

Гипергеометрическая функция Гаусса может быть записана как преобразование Джона ( Гельфанд, Гиндикин и Граев 2003 , 2.1.2).

Гаусса отношения Непрерывные

Шесть функций

{}_{2}F_{1}(a\pm 1,b;c;z),\quad {}_{2}F_{1}(a,b\pm 1;c;z),\quad {}_{2}F_{1}(a,b;c\pm 1;z)

называются смежными с $2 F 1 (a, b; c; z)$ . Гаусс показал, что $2 F 1 (a, b; c; z)$ можно записать как линейную комбинацию любых двух смежных функций с рациональными коэффициентами через $a, b, c$ и $z$ . Это дает

{\begin{pmatrix}6\\2\end{pmatrix}}=15

отношения, заданные путем идентификации любых двух линий в правой части

{\begin{aligned}z{\frac {dF}{dz}}&=z{\frac {ab}{c}}F(a+,b+,c+)\\&=a(F(a+)-F)\\&=b(F(b+)-F)\\&=(c-1)(F(c-)-F)\\&={\frac {(c-a)F(a-)+(a-c+bz)F}{1-z}}\\&={\frac {(c-b)F(b-)+(b-c+az)F}{1-z}}\\&=z{\frac {(c-a)(c-b)F(c+)+c(a+b-c)F}{c(1-z)}}\end{aligned}}

где $F = 2 F 1 (a, b; c; z), F (a +) = 2 F 1 (a + 1, b; c; z)$ и так далее. Многократное применение этих соотношений дает линейную связь над $C (z)$ между любыми тремя функциями вида

{}_{2}F_{1}(a+m,b+n;c+l;z),

где m , n и l — целые числа. ^[3]

Цепная дробь Гаусса [ править ]

Гаусс использовал отношения смежности, чтобы дать несколько способов записать частное двух гипергеометрических функций в виде непрерывной дроби, например:

{\frac {{}_{2}F_{1}(a+1,b;c+1;z)}{{}_{2}F_{1}(a,b;c;z)}}={\cfrac {1}{1+{\cfrac {{\frac {(a-c)b}{c(c+1)}}z}{1+{\cfrac {{\frac {(b-c-1)(a+1)}{(c+1)(c+2)}}z}{1+{\cfrac {{\frac {(a-c-1)(b+1)}{(c+2)(c+3)}}z}{1+{\cfrac {{\frac {(b-c-2)(a+2)}{(c+3)(c+4)}}z}{1+{}\ddots }}}}}}}}}}

Формулы преобразования [ править ]

Формулы преобразования связывают две гипергеометрические функции при разных значениях аргумента z .

Дробные линейные преобразования [ править ]

Преобразование Эйлера

{}_{2}F_{1}(a,b;c;z)=(1-z)^{c-a-b}{}_{2}F_{1}(c-a,c-b;c;z).

Это следует путем объединения двух преобразований Пфаффа

{\begin{aligned}{}_{2}F_{1}(a,b;c;z)&=(1-z)^{-b}{}_{2}F_{1}\left(b,c-a;c;{\tfrac {z}{z-1}}\right)\\{}_{2}F_{1}(a,b;c;z)&=(1-z)^{-a}{}_{2}F_{1}\left(a,c-b;c;{\tfrac {z}{z-1}}\right)\\\end{aligned}}

которые, в свою очередь, следуют из интегрального представления Эйлера. Расширение первого и второго преобразований Эйлера см. в Rathie & Paris (2007) и Rakha & Rathie (2011) . Его также можно записать в виде линейной комбинации

{\begin{aligned}{}_{2}F_{1}(a,b;c,z)={}&{\frac {\Gamma (c)\Gamma (c-a-b)}{\Gamma (c-a)\Gamma (c-b)}}{}_{2}F_{1}(a,b;a+b+1-c;1-z)\\[6pt]&{}+{\frac {\Gamma (c)\Gamma (a+b-c)}{\Gamma (a)\Gamma (b)}}(1-z)^{c-a-b}{}_{2}F_{1}(c-a,c-b;1+c-a-b;1-z).\end{aligned}}

Квадратичные преобразования [ править ]

Если два из чисел 1 - c , c - 1, a - b , b - a , a + b - c , c - a - b равны или одно из них равно 1/2, то существует квадратичное преобразование числа гипергеометрическая функция, связывающая ее с другим значением z , связанным квадратным уравнением. Первые примеры были приведены Куммером (1836) , а полный список дан Гурса (1881) . Типичный пример:

{}_{2}F_{1}(a,b;2b;z)=(1-z)^{-{\frac {a}{2}}}{}_{2}F_{1}\left({\tfrac {1}{2}}a,b-{\tfrac {1}{2}}a;b+{\tfrac {1}{2}};{\frac {z^{2}}{4z-4}}\right)

Преобразования высшего порядка [ править ]

Если 1− c , a − b , a + b − c различаются знаками или два из них равны 1/3 или −1/3, то происходит кубическое преобразование гипергеометрической функции, связывающее ее с другим значением z , связанным по кубическому уравнению. Первые примеры были приведены Гурса (1881) . Типичный пример:

{}_{2}F_{1}\left({\tfrac {3}{2}}a,{\tfrac {1}{2}}(3a-1);a+{\tfrac {1}{2}};-{\tfrac {z^{2}}{3}}\right)=(1+z)^{1-3a}\,{}_{2}F_{1}\left(a-{\tfrac {1}{3}},a;2a;2z(3+z^{2})(1+z)^{-3}\right)

Также существуют преобразования степени 4 и 6. Преобразования других степеней существуют только в том случае, если a , b и c — определенные рациональные числа ( Видунас 2005 ). Например,

{}_{2}F_{1}\left({\tfrac {1}{4}},{\tfrac {3}{8}};{\tfrac {7}{8}};z\right)(z^{4}-60z^{3}+134z^{2}-60z+1)^{1/16}={}_{2}F_{1}\left({\tfrac {1}{48}},{\tfrac {17}{48}};{\tfrac {7}{8}};{\tfrac {-432z(z-1)^{2}(z+1)^{8}}{(z^{4}-60z^{3}+134z^{2}-60z+1)^{3}}}\right).

Значения в особых точках z [ править ]

См. у Слейтера (1966 , Приложение III) список формул суммирования в особых точках, большинство из которых также встречается у Бэйли (1935) . Гессель и Стэнтон (1982) дают дальнейшие оценки по большему количеству пунктов. Кепф (1995) показывает, как большинство этих тождеств можно проверить с помощью компьютерных алгоритмов.

Специальные значения при z = 1 [ править ]

Теорема суммирования Гаусса, названная в честь Карла Фридриха Гаусса , представляет собой тождество

{}_{2}F_{1}(a,b;c;1)={\frac {\Gamma (c)\Gamma (c-a-b)}{\Gamma (c-a)\Gamma (c-b)}},\qquad \Re (c)>\Re (a+b)

что следует из интегральной формулы Эйлера, если положить z = 1. оно включает тождество Вандермонда В качестве частного случая .

Для особого случая, когда $a=-m$ ,

{}_{2}F_{1}(-m,b;c;1)={\frac {(c-b)_{m}}{(c)_{m}}}

Формула Дугалла обобщает это на двусторонний гипергеометрический ряд при z = 1.

Теорема Куммера ( z = −1) [ править ]

Во многих случаях гипергеометрические функции можно вычислить при z = −1, используя квадратичное преобразование для изменения z = −1 на z = 1, а затем используя теорему Гаусса для оценки результата. Типичным примером является теорема Куммера, названная в честь Эрнста Куммера :

{}_{2}F_{1}(a,b;1+a-b;-1)={\frac {\Gamma (1+a-b)\Gamma (1+{\tfrac {1}{2}}a)}{\Gamma (1+a)\Gamma (1+{\tfrac {1}{2}}a-b)}}

что следует из квадратичных преобразований Куммера

{\begin{aligned}_{2}F_{1}(a,b;1+a-b;z)&=(1-z)^{-a}\;_{2}F_{1}\left({\frac {a}{2}},{\frac {1+a}{2}}-b;1+a-b;-{\frac {4z}{(1-z)^{2}}}\right)\\&=(1+z)^{-a}\,_{2}F_{1}\left({\frac {a}{2}},{\frac {a+1}{2}};1+a-b;{\frac {4z}{(1+z)^{2}}}\right)\end{aligned}}

и теорему Гаусса, поместив z = −1 в первое тождество. Обобщение суммирования Куммера см. в Lavoie, Grondin & Rathie (1996) .

Значения при z = 1/2 [ править ]

Вторая теорема суммирования Гаусса:

_{2}F_{1}\left(a,b;{\tfrac {1}{2}}\left(1+a+b\right);{\tfrac {1}{2}}\right)={\frac {\Gamma ({\tfrac {1}{2}})\Gamma ({\tfrac {1}{2}}\left(1+a+b\right))}{\Gamma ({\tfrac {1}{2}}\left(1+a)\right)\Gamma ({\tfrac {1}{2}}\left(1+b\right))}}.

Теорема Бейли

_{2}F_{1}\left(a,1-a;c;{\tfrac {1}{2}}\right)={\frac {\Gamma ({\tfrac {1}{2}}c)\Gamma ({\tfrac {1}{2}}\left(1+c\right))}{\Gamma ({\tfrac {1}{2}}\left(c+a\right))\Gamma ({\tfrac {1}{2}}\left(1+c-a\right))}}.

Обобщения второй теоремы суммирования Гаусса и теоремы суммирования Бейли см. в Lavoie, Grondin & Rathie (1996) .

Другие моменты [ править ]

Существует множество других формул, задающих гипергеометрическую функцию как алгебраическое число при особых рациональных значениях параметров, некоторые из которых перечислены в Gessel & Stanton (1982) и Koepf (1995) . Некоторые типичные примеры приведены

{}_{2}F_{1}\left(a,-a;{\tfrac {1}{2}};{\tfrac {x^{2}}{4(x-1)}}\right)={\frac {(1-x)^{a}+(1-x)^{-a}}{2}},

что можно переформулировать как

T_{a}(\cos x)={}_{2}F_{1}\left(a,-a;{\tfrac {1}{2}};{\tfrac {1}{2}}(1-\cos x)\right)=\cos(ax)

всякий раз, когда −π < x < π и T — (обобщенный) полином Чебышева .

См. также [ править ]

Ряд Аппелла — обобщение гипергеометрического ряда с двумя переменными.
Основные гипергеометрические ряды , в которых отношение членов является периодической функцией индекса.
Двусторонние гипергеометрические ряды _p H _p аналогичны обобщенным гипергеометрическим рядам, но суммируются по всем целым числам.
Биномиальный ряд ₁ F ₀
Вырожденный гипергеометрический ряд ₁ F ₁ ( a ; c ; z )
Эллиптический гипергеометрический ряд , в котором отношение членов является эллиптической функцией индекса.
Гипергеометрический интеграл Эйлера , интегральное представление ₂ F ₁
H-функция Фокса , расширение G-функции Мейера
Функция Фокса–Райта , обобщение обобщенной гипергеометрической функции
Решение Фробениуса гипергеометрического уравнения
Общая гипергеометрическая функция , введенная И. М. Гельфандом .
Обобщенный гипергеометрический ряд _p F _q , где отношение членов является рациональной функцией индекса
Геометрический ряд , в котором отношение членов является постоянной величиной
Функция Хойна , решения ОДУ второго порядка с четырьмя регулярными особыми точками
Функция Хорна , 34 различных сходящихся гипергеометрических ряда от двух переменных
Ряд Гумберта 7 гипергеометрических функций двух переменных
Гипергеометрическое распределение , дискретное распределение вероятностей.
Гипергеометрическая функция матричного аргумента , многомерное обобщение гипергеометрического ряда
Функция Кампе де Ферье , гипергеометрическая серия двух переменных
Гипергеометрические ряды Лауриселлы , гипергеометрические ряды трёх переменных
E-функция МакРоберта , расширение обобщенного гипергеометрического ряда _p F _q на случай p > q +1.
G-функция Мейера — расширение обобщенного гипергеометрического ряда _p F _q на случай p > q +1.
Модульный гипергеометрический ряд — конечная форма эллиптического гипергеометрического ряда.
Тета-гипергеометрический ряд , особый вид эллиптического гипергеометрического ряда.
Конформные блоки Вирасоро — специальные функции в двумерной конформной теории поля , которые в некоторых случаях сводятся к гипергеометрическим функциям.

Ссылки [ править ]

^ Морита, Тору (1996). «Использование отношений смежности Гаусса при вычислении гипергеометрических функций F(n+1/2,n+1/2;m;z)». Межд. Инф. Наука . 2 (1): 63–74. дои : 10.4036/iis.1996.63 . МР 1398101 .
^ Инс 1944 , стр. 393–393.
^ Ракха, Медхат А.; Рэти, Арджун К.; Чопра, Пурнима (2011). «О некоторых новых связных соотношениях для гипергеометрической функции Гаусса с приложениями». Вычислить. Математика. Приложение . 61 : 620–629. дои : 10.1016/j.camwa.2010.12.008 . МР 2764057 .

Эндрюс, Джордж Э .; Аски, Ричард и Рой, Ранджан (1999). Специальные функции . Энциклопедия математики и ее приложений. Том. 71. Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-62321-6 . МР 1688958 .
Бейли, WN (1935). Обобщенный гипергеометрический ряд (PDF) . Издательство Кембриджского университета. Архивировано из оригинала (PDF) 24 июня 2017 г. Проверено 23 июля 2016 г.
Бойкерс, Фриц (2002), Гипергеометрическая функция Гаусса . (конспекты лекций, в которых рассматриваются основы, а также карты треугольников и монодромия)
Олде Даалхейс, Адри Б. (2010), «Гипергеометрическая функция» , в Олвере, Фрэнке В.Дж .; Лозье, Дэниел М.; Буасверт, Рональд Ф.; Кларк, Чарльз В. (ред.), Справочник NIST по математическим функциям , издательство Кембриджского университета, ISBN 978-0-521-19225-5 , МР 2723248 .
Эрдели, Артур ; Магнус, Вильгельм ; Оберхеттингер, Фриц и Трикоми, Франческо Г. (1953). Высшие трансцендентные функции (PDF) . Том. I. Нью-Йорк – Торонто – Лондон: McGraw – Hill Book Company, Inc. ISBN 978-0-89874-206-0 . МР 0058756 .
Гаспер, Джордж и Рахман, Мизан (2004). Базовая гипергеометрическая серия, 2-е издание, Энциклопедия математики и ее приложений, 96, издательство Кембриджского университета, Кембридж. ISBN 0-521-83357-4 .
Гаусс, Карл Фридрих (1813). «Общие дискуссии о бесконечных рядах $1+{\tfrac {\alpha \beta }{1\cdot \gamma }}~x+{\tfrac {\alpha (\alpha +1)\beta (\beta +1)}{1\cdot 2\cdot \gamma (\gamma +1)}}~x~x+{\mbox{etc.}}$ » . Недавние комментарии Королевского общества ученых Геттингена (на латыни). 2. Геттинген.
Гельфанд, ИМ; Гиндикин С.Г. и Граев М.И. (2003) [2000]. Избранные темы интегральной геометрии . Переводы математических монографий. Том. 220. Провиденс, Род-Айленд: Американское математическое общество . ISBN 978-0-8218-2932-5 . МР 2000133 .
Гессель, Ира и Стэнтон, Деннис (1982). «Странные оценки гипергеометрических рядов». SIAM Journal по математическому анализу . 13 (2): 295–308. дои : 10.1137/0513021 . ISSN 0036-1410 . МР 0647127 .
Гурса, Эдуард (1881). «О линейном дифференциальном уравнении, допускающем целым гипергеометрический ряд» . Научные анналы Высшей нормальной школы (на французском языке). 10 :3–142. дои : 10.24033/asens.207 . Проверено 16 октября 2008 г.
Хекман, Геррит и Шлихткрулл, Хенрик (1994). Гармонический анализ и специальные функции на симметричных пространствах . Сан-Диего: Академическая пресса. ISBN 0-12-336170-2 . (часть 1 посвящена гипергеометрическим функциям на группах Ли)
Хилле, Эйнар (1976). Обыкновенные дифференциальные уравнения в комплексной области . Дувр. ISBN 0-486-69620-0 .
Инс, Э.Л. (1944). Обыкновенные дифференциальные уравнения . Дуврские публикации.
Кляйн, Феликс (1981). Лекции по гипергеометрической функции . Основные учения математических наук (на немецком языке). Том 39. Берлин, Нью-Йорк: Springer-Verlag. ISBN 978-3-540-10455-1 . МР 0668700 .
Кепф, Вольфрам (1995). «Алгоритмы m-кратного гипергеометрического суммирования» . Журнал символических вычислений . 20 (4): 399–417. дои : 10.1006/jsco.1995.1056 . ISSN 0747-7171 . МР 1384455 .
Куммер, Эрнст Эдуард (1836). «О гипергеометрическом ряду $1+{\tfrac {\alpha \cdot \beta }{1\cdot \gamma }}~x+{\tfrac {\alpha (\alpha +1)\beta (\beta +1)}{1\cdot 2\cdot \gamma (\gamma +1)}}x^{2}+{\tfrac {\alpha (\alpha +1)(\alpha +2)\beta (\beta +1)(\beta +2)}{1\cdot 2\cdot 3\cdot \gamma (\gamma +1)(\gamma +2)}}x^{3}+\cdots$ " . Журнал чистой и прикладной математики (на немецком языке). 15 : 39–83, 127–172. ISSN 0075-4102 .
Лавуа, Дж.Л.; Грондин, Ф.; Рэти, АК (1996). «Обобщения теоремы Уиппла о сумме a ₃ F ₂ » . Дж. Компьютер. Прил. Математика . 72 (2): 293–300. дои : 10.1016/0377-0427(95)00279-0 .
Пресс, WH; Теукольский, С.А.; Веттерлинг, WT и Фланнери, BP (2007). «Раздел 6.13. Гипергеометрические функции» . Численные рецепты: искусство научных вычислений (3-е изд.). Нью-Йорк: Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-88068-8 .
Ракха, Массачусетс; Рэти, Арджун К. (2011). «Расширения преобразования Эйлера второго рода и теоремы Заальшуца» . Бык. Корейская математика. Соц . 48 (1): 151–156. дои : 10.4134/БКМС.2011.48.1.151 .
Рэти, Арджун К.; Париж, РБ (2007). «Расширение преобразования типа Эйлера для ряда 3F2». Дальний Восток Дж. Матем. Наука . 27 (1): 43–48.
Риман, Бернхард (1857). рядом Гаусса F(α, β, γ, x) «Вклад в теорию функций, представимых » . Трактаты математического класса Королевского общества наук в Геттингене (на немецком языке). 7 . Геттинген: Издательство Dieterichsche Buchhandlung: 3–22. (перепечатку этой статьи можно найти в «Все публикации Римана» (PDF) . )
Слейтер, Люси Джоан (1960). Вырожденные гипергеометрические функции . Кембридж, Великобритания: Издательство Кембриджского университета. МР 0107026 .
Слейтер, Люси Джоан (1966). Обобщенные гипергеометрические функции . Кембридж, Великобритания: Издательство Кембриджского университета. ISBN 0-521-06483-Х . МР 0201688 . (есть мягкая обложка 2008 года с ISBN 978-0-521-09061-2 )
Видунас, Раймундас (2005). «Преобразования некоторых гипергеометрических функций Гаусса». Журнал символических вычислений . 178 (1–2): 473–487. arXiv : math/0310436 . Бибкод : 2005JCoAM.178..473V . дои : 10.1016/j.cam.2004.09.053 . S2CID 119596800 .
Уолл, HS (1948). Аналитическая теория цепных дробей . Компания Д. Ван Ностранд, Инк.
Уиттакер, Э.Т. и Уотсон, Дж.Н. (1927). Курс современного анализа . Кембридж, Великобритания: Издательство Кембриджского университета.
Ёсида, Масааки (1997). Гипергеометрические функции, любовь моя: модульные интерпретации конфигурационных пространств . Брауншвейг – Висбаден: Фридр. Вьюег и сын. ISBN 3-528-06925-2 . МР 1453580 .

Внешние ссылки [ править ]

«Гипергеометрическая функция» , Математическая энциклопедия , EMS Press , 2001 [1994]
Джон Пирсон, Вычисление гипергеометрических функций ( Оксфордский университет , магистерская диссертация)
Марко Петковсек, Герберт Вильф и Дорон Зейлбергер, Книга «А = Б» (можно скачать бесплатно)
Вайсштейн, Эрик В. «Гипергеометрическая функция» . Математический мир .

[1] Морита, Тору (1996). «Использование отношений смежности Гаусса при вычислении гипергеометрических функций F(n+1/2,n+1/2;m;z)». Межд. Инф. Наука . 2 (1): 63–74. дои : 10.4036/iis.1996.63 . МР 1398101 .

[2] Инс 1944 , стр. 393–393.

[3] Ракха, Медхат А.; Рэти, Арджун К.; Чопра, Пурнима (2011). «О некоторых новых связных соотношениях для гипергеометрической функции Гаусса с приложениями». Вычислить. Математика. Приложение . 61 : 620–629. дои : 10.1016/j.camwa.2010.12.008 . МР 2764057 .

[1]

[2]

[3]