Полиномы Романовского
В математике полиномы Романовского — одно из трёх конечных подмножеств вещественных ортогональных полиномов, открытых Всеволодом Романовским. [1] (Романовский во французской транскрипции) в контексте функций распределения вероятностей в статистике. Они образуют ортогональное подмножество более общего семейства малоизвестных полиномов Рауса, введенного Эдвардом Джоном Раусом. [2] в 1884 году. Термин «полиномы Романовского» был предложен Рапозо, [3] со ссылкой на так называемые «псевдополиномы Якоби в классификационной схеме Лески». [4] Кажется более логичным называть их полиномами Романовского-Рута по аналогии с терминами Романовского-Бесселя и Романовского-Якоби, используемыми Лески для двух других наборов ортогональных полиномов.
В некотором отличие от стандартных классических ортогональных полиномов, рассматриваемые полиномы отличаются тем, что для произвольных параметров ортогональны только конечное число из них , как более подробно обсуждается ниже.
Дифференциальное уравнение для полиномов Романовского
[ редактировать ]Полиномы Романовского решают следующую версию гипергеометрического дифференциального уравнения:
( 1 ) |
Любопытно, что их исключили из стандартных учебников по специальным функциям математической физики. [5] [6] и по математике [7] [8] и относительно редко встречаются в математической литературе. [9] [10] [11]
Весовые функции
( 2 ) |
они решают дифференциальное уравнение Пирсона
( 3 ) |
обеспечивающее самосопряженность дифференциального оператора гипергеометрической обыкновенное дифференциальное уравнение .
При α = 0 и β < 0 весовая функция полиномов Романовского принимает форму распределения Коши , поэтому соответствующие полиномы также обозначаются как полиномы Коши. [12] в своих приложениях в теории случайных матриц. [13]
Формула Родригеса задает полином R ( а , б )
п ( х ) как
( 4 ) |
где N n — константа нормировки. Эта константа связана с коэффициентом c n члена степени n в многочлене R ( а , б )
n ( x ) выражением
( 5 ) |
что справедливо для n ≥ 1 .
Связь между полиномами Романовского и Якоби
[ редактировать ]Как показал Аски, эта конечная последовательность вещественных ортогональных полиномов может быть выражена через полиномы Якоби мнимого аргумента и поэтому часто называется комплексифицированными полиномами Якоби. [14] А именно, уравнение Романовского ( 1 ) формально может быть получено из уравнения Якоби: [15]
( 6 ) |
через замены, для реального x ,
( 7 ) |
в этом случае можно найти
( 8 ) |
(с подходящим образом выбранными нормировочными константами полиномов Якоби). Комплексные полиномы Якоби справа определены через (1.1) в Kuijlaars et al. (2003) [16] что гарантирует, что ( 8 ) являются действительными полиномами от x.Поскольку цитируемые авторы обсуждают неэрмитовые (комплексные) условия ортогональности только для реальных индексов Якоби, перекрытие между их анализом и определением ( 8 ) полиномов Романовского существует только в том случае, если α = 0. Однако рассмотрение этого особого случая требует более тщательного изучения, выходящего за рамки пределы этой статьи. Обратите внимание на обратимость ( 8 ) согласно
( 9 ) |
где сейчас П ( а , б )
n ( x ) — действительный полином Якоби и
будет комплексным полиномом Романовского.
Свойства полиномов Романовского
[ редактировать ]Явная конструкция
[ редактировать ]Для действительных α , β и n = 0, 1, 2,... функция R ( а , б )
n ( x ) можно определитьпо формуле Родригеса в уравнении ( 4 ) как
( 10 ) |
где ш ( а , б ) — та же весовая функция, что и в ( 2 ), и s ( x ) = 1 + x 2 — коэффициент второй производной гипергеометрического дифференциального уравнения , как в ( 1 ).
Обратите внимание, что мы выбрали константы нормализации N n = 1 , что эквивалентно выбору коэффициента высшей степени в многочлене, как указано уравнением ( 5 ). Он принимает форму
( 11 ) |
Также отметим, что коэффициент cn β не зависит от параметра α , а только от β и для конкретных значений cn обращается нуль в (т.е. для всех значений
где k = 0, ..., n − 1 ). Это наблюдение ставит проблему, рассматриваемую ниже.
Для дальнейшего использования мы запишем явно полиномы степени 0, 1 и 2:
которые выводятся из формулы Родригеса ( 10 ) в сочетании с ОДУ Пирсона ( 3 ).
Ортогональность
[ редактировать ]Два полинома R ( а , б )
м ( х ) и р ( а , б )
n ( x ) с m ≠ n ортогональны, [3]
( 12 ) |
тогда и только тогда, когда
( 13 ) |
Другими словами, для произвольных параметров ортогональными являются только конечное число полиномов Романовского. Это свойство называется конечной ортогональностью . Однако в некоторых частных случаях, когда параметры определенным образом зависят от степени полинома, может быть достигнута бесконечная ортогональность.
Это случай версии уравнения ( 1 ), которая была независимо встречена заново в контексте точной разрешимости квантовомеханической проблемы тригонометрического потенциала Розена-Морса и о которой сообщалось в Compean & Kirchbach (2006). [17] Здесь параметры полинома α и β уже не являются произвольными, а выражаются через потенциальные параметры a и b и степень n полинома в соответствии с соотношениями:
( 14 ) |
Соответственно, λ n возникает как λ n = − n (2 a + n − 1) , а весовая функция принимает вид
Наконец, одномерная переменная x в Compean & Kirchbach (2006) [17] было принято как
где r — радиальное расстояние, а является подходящим параметром длины. В Компеане и Кирхбахе [17] было показано, что семейство полиномов Романовского, соответствующее бесконечной последовательности пар параметров,
( 15 ) |
является ортогональным.
Генерирующая функция
[ редактировать ]В Вебере (2007) [18] полиномы Q ( α п , β п + п )
ν ( x ) с β n + n = − a и дополнительный к R ( α п , β п )
n ( x ) , сформированные следующим образом:
( 16 ) |
Учитывая соотношение,
( 17 ) |
Уравнение ( 16 ) становится эквивалентным
( 18 ) |
и таким образом связывает дополнительные к основным полиномам Романовского.
Основная привлекательность дополнительных полиномов заключается в том, что их производящую функцию можно вычислить в замкнутой форме. [19] Такая производящая функция , записанная для полиномов Романовского на основе уравнения ( 18 ) с параметрами в ( 14 ) и, следовательно, относящаяся к бесконечной ортогональности, была введена как
( 19 ) |
Обозначительные различия между Вебером [18] и те, которые здесь используются, суммируются следующим образом:
- Г ( α п , β п ) ( x , y ) здесь против Q ( x , y ; α ,− a ) там, α там вместо α n здесь,
- а = - β n - n и
- вопрос ( а , − а )
ν ( x ) в уравнении (15) в книге Вебера [18] соответствующий R ( α п , β п + п - ν )
ν ( x ) здесь.
Обсуждаемая производящая функция, полученная Вебером [18] теперь читает:
( 20 ) |
Рекуррентные отношения
[ редактировать ]Рекуррентные соотношения между бесконечными ортогональными рядами полиномов Романовского с параметрами в приведенных выше уравнениях ( 14 ) следуют из производящей функции , [18]
( 21 ) |
и
( 22 ) |
как уравнения (10) и (23) Вебера (2007) [18] соответственно.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Романовский, В. (1929). «О некоторых новых классах ортогональных многочленов» . ЧР акад. наук. Париж (на французском языке). 188 : 1023–1025.
- ^ Раут, Э.Дж. (1884). «О некоторых свойствах некоторых решений дифференциального уравнения второго порядка» . Учеб. Лондонская математика. Соц . 16 : 245. дои : 10.1112/plms/s1-16.1.245 .
- ^ Перейти обратно: а б Рапосо, АП; Вебер, Х.Дж.; Альварес Кастильо, DE; Кирхбах, М. (2007). «Полиномы Романовского в некоторых задачах физики». Цент. Евро. Дж. Физ . 5 (3): 253–284. arXiv : 0706.3897 . Бибкод : 2007CEJPh...5..253R . дои : 10.2478/s11534-007-0018-5 . S2CID 119120266 .
- ^ Лески, П.А. (1996). «Конечные и бесконечные системы непрерывных классических ортогональных полиномов». З. Энджью. Математика (на немецком языке). 76 (3): 181. Бибкод : 1996ЗаММ...76..181Л . дои : 10.1002/замм.19960760317 .
- ^ Абрамовиц, М .; Стегун, И. (1972). Справочник по математическим функциям с формулами, графиками и математическими таблицами (2-е изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Дувр. ISBN 978-0-486-61272-0 .
- ^ Никифоров, Арнольд Ф.; Уваров, Василий Б. (1988). Специальные функции математической физики: единое введение с приложениями . Базель: Birkhäuser Verlag. ISBN 978-0-8176-3183-3 .
- ^ Сего, Г. (1939). Ортогональные полиномы . Публикации коллоквиума. Том. 23 (1-е изд.). Провиденс, Род-Айленд: Американское математическое общество . ISBN 978-0-8218-1023-1 .
- ^ Исмаил, Мурад Э.Х. (2005). Классические и квантовые ортогональные полиномы от одной переменной . С двумя главами Уолтера В. Аша. Кембридж: Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-78201-2 .
- ^ Аски, Р. (1987). «Интеграл Рамануджана и ортогональные многочлены». Журнал Индийского математического общества . 51 (1–2): 27.
- ^ Аски, Р. (1989). «Бета-интегралы и связанные с ними ортогональные полиномы» . В Аллади, Кришнасвами (ред.). Теория чисел, Мадрас, 1987: Материалы Международной конференции, посвященной столетию Рамануджана, состоявшейся в Университете Анны, Мадрас, Индия, 21 декабря 1987 г. Конспект лекций по математике. Том. 1395. Берлин: Springer-Verlag. стр. 84–121. дои : 10.1007/BFb0086401 . ISBN 978-3-540-51595-1 .
- ^ Сарсо Альтарехос, А. (1995). Дифференциальные уравнения гипергеометрического типа (PhD) (на испанском языке). Факультет естественных наук Университета Гранады.
- ^ Витте, Н.С.; Форрестер, Пи Джей (2000). «Вероятности разрыва в конечных и масштабированных ансамблях случайных матриц Коши». Нелинейность . 13 (6): 13–1986. arXiv : math-ph/0009022 . Бибкод : 2000Nonli..13.1965W . дои : 10.1088/0951-7715/13/6/305 . S2CID 7151393 .
- ^ Форрестер, Пи Джей (2010). Лог-газы и случайные матрицы . Монографии Лондонского математического общества. Принстон: Издательство Принстонского университета . ISBN 978-0-691-12829-0 .
- ^ Котфас, Н. (2004). «Системы ортогональных полиномов, определяемые уравнениями гипергеометрического типа, с применением к квантовой механике». Цент. Евро. Дж. Физ . 2 (3): 456–466. arXiv : math-ph/0602037 . Бибкод : 2004CEJPh...2..456C . дои : 10.2478/bf02476425 . S2CID 15594058 .
- ^ Вайсштейн, Эрик В. «Дифференциальное уравнение Якоби» . Математический мир .
- ^ Куйлаарс, ABJ; Мартинес-Финкельштейн, А.; Орив, Р. (2005). «Ортогональность полиномов Якоби с общими параметрами». Электрон. Пер. Число. Анальный. 19 : 1–17. arXiv : math/0301037 . Бибкод : 2003math......1037K .
- ^ Перейти обратно: а б с Компан, CB; Кирхбах, М. (2006). «Тригонометрический потенциал Розена – Морса в суперсимметричной квантовой механике и его точные решения». Дж. Физ. А: Математика. Ген . 39 (3): 547–558. arXiv : Quant-ph/0509055 . Бибкод : 2006JPhA...39..547C . дои : 10.1088/0305-4470/39/3/007 . S2CID 119742004 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж Вебер, HJ (2007). «Связь полиномов Романовского с другими полиномами». Центральноевропейский математический журнал . 5 (3): 581. arXiv : 0706.3153 . дои : 10.2478/s11533-007-0014-4 . S2CID 18728079 .
- ^ Вебер, HJ (2007). «Связь вещественных полиномиальных решений дифференциальных уравнений гипергеометрического типа с формулой Родригеса». Центральноевропейский математический журнал . 5 (2): 415–427. arXiv : 0706.3003 . дои : 10.2478/s11533-007-0004-6 . S2CID 115166725 .