Jump to content

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 ]
  1. ^ Романовский, В. (1929). «О некоторых новых классах ортогональных многочленов» . ЧР акад. наук. Париж (на французском языке). 188 : 1023–1025.
  2. ^ 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 .
  3. ^ 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 .
  4. ^ 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 .
  5. ^ 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 .
  6. ^ Никифоров, Арнольд Ф.; Уваров, Василий Б. (1988). Специальные функции математической физики: единое введение с приложениями . Базель: Birkhäuser Verlag. ISBN  978-0-8176-3183-3 .
  7. ^ Сего, Г. (1939). Ортогональные полиномы . Публикации коллоквиума. Том. 23 (1-е изд.). Провиденс, Род-Айленд: Американское математическое общество . ISBN  978-0-8218-1023-1 .
  8. ^ 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 .
  9. ^ Аски, Р. (1987). «Интеграл Рамануджана и ортогональные многочлены». Журнал Индийского математического общества . 51 (1–2): 27.
  10. ^ 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 .
  11. ^ Сарсо Альтарехос, А. (1995). Дифференциальные уравнения гипергеометрического типа (PhD) (на испанском языке). Факультет естественных наук Университета Гранады.
  12. ^ 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 .
  13. ^ Форрестер, Пи Джей (2010). Лог-газы и случайные матрицы . Монографии Лондонского математического общества. Принстон: Издательство Принстонского университета . ISBN  978-0-691-12829-0 .
  14. ^ 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 .
  15. ^ Вайсштейн, Эрик В. «Дифференциальное уравнение Якоби» . Математический мир .
  16. ^ 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 .
  17. ^ 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 .
  18. ^ 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 .
  19. ^ 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 .
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: b2b511b29a08f6ed456d814d96955da1__1678672980
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/b2/a1/b2b511b29a08f6ed456d814d96955da1.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Romanovski polynomials - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)