Interested Article - Многочлены Лежандра

Многочлен Лежа́ндра многочлен , который в наименьшей степени отклоняется от нуля в смысле среднего квадратического . Образует ортогональную систему многочленов на отрезке в пространстве . Многочлены Лежандра могут быть получены из многочленов ортогонализацией Грама ― Шмидта .

Названы по имени французского математика Адриен Мари Лежандра .

Определение

Полиномы Лежандра и присоединённые функции Лежандра первого и второго рода

Рассмотрим дифференциальное уравнение вида

(1)

где комплексная переменная . Решения этого уравнения при целых имеют вид многочленов , называемых многочленами Лежандра . Полином Лежандра степени можно представить через формулу Родрига в виде

Часто вместо записывают косинус полярного угла :

Уравнение ( ) можно получить из частного случая гипергеометрического уравнения , называемого уравнением Лежандра

(2)

где , — произвольные комплексные постоянные. Интерес представляют его решения, являющиеся однозначными и регулярными при (в частности, при действительных ) или когда действительная часть числа больше единицы. Его решения называют присоединёнными функциями Лежандра или сферическими функциями (гармониками) . Подстановка вида в ( ) даёт , решение которого в области принимает вид

где гипергеометрическая функция . Подстановка в ( ) приводит к решению вида

определённым на . Функции и называют функциями Лежандра первого и второго рода .

Справедливы соотношения

и

Выражение через суммы

Многочлены Лежандра также определяются по следующей формуле:

Рекуррентная формула

Они также могут быть вычислены по рекуррентной формуле (при ) :

(3)

причём первые две функции имеют вид

Производная полинома Лежандра

Вычисляется по формуле

(4)

Корни полинома Лежандра

Вычисляются итеративно по методу Ньютона :

причём начальное приближение для -го корня ( ) берётся по формуле

Значение полинома можно вычислять, используя для конкретного значения x . Производную также можно вычислять для конкретного значения x , используя .

Формулы с разложениями

Многочлены Лежандра также определяются следующими разложениями:

для
для

Следовательно,

Присоединённые многочлены Лежандра

Присоединённые многочлены Лежандра определяются по формуле

которую также можно представить в виде

При функция совпадает с .

Нормировка по правилу Шмидта

Нормированные по правилу Шмидта полиномы Лежандра выглядят следующим образом :

Сдвинутые многочлены Лежандра

Сдвинутые многочлены Лежандра определяются как , где сдвигающая функция (это аффинное преобразование ) выбрана так, чтобы однозначно отображать интервал ортогональности многочленов на интервал , в котором уже ортогональны сдвинутые многочлены :

Явное выражение для смещённых многочленов Лежандра задаётся как

Аналогом формулы Родрига для смещенных многочленов Лежандра является

Выражения для некоторых первых сдвинутых многочленов Лежандра:

n
0
1
2
3
4

Матрица функции многочлена Лежандра

Эта матрица является верхнетреугольной . Её определитель равен нулю, а собственные значения равны , где .

Примеры

Первые 6 многочленов Лежандра

Первые многочлены Лежандра в явном виде:

Поскольку , то

Свойства

  • Если , то
  • Для степень равна .
  • Сумма коэффициентов многочлена Лежандра равна 1.
  • Уравнение имеет ровно различных корней на отрезке
  • Пусть . Тогда
  • Присоединённые многочлены Лежандра являются решениями дифференциального уравнения
При уравнение принимает вид
  • Производящая функция для многочленов Лежандра равна
  • Условие ортогональности этих полиномов на отрезке :
где символ Кронекера .
  • Для норма равна
  • Нормированная функция многочленов Лежандра связана с нормой следующим соотношением:
  • При каждом система присоединённых функций Лежандра полна в .
  • В зависимости от и присоединённые многочлены Лежандра могут быть как чётными, так и нечётными функциями:
    — чётная функция,
    — нечётная функция.
  • , поскольку , а .
  • Для выполняется .

Ряды многочленов Лежандра

Разложение липшицевой функции в ряд многочленов Лежандра

Липшицевая функция является функцией со свойством

, где .

Эта функция разлагается в ряд многочленов Лежандра.

Пусть — пространство непрерывных отображений на отрезке , , и .

Пусть

тогда удовлетворяет следующему условию:

Пусть и удовлетворяет следующим условиям:

  1. , где

Липшицеву функцию можно записать следующим образом:

Разложение голоморфной функции

Всякая функция , голоморфная внутри эллипса с фокусами −1 и +1, может быть представлена в виде ряда:

Теорема сложения

Для величин, удовлетворяющих условиям , , , действительное число , можно записать теорему сложения для полиномов Лежандра первого рода:

или, в альтернативной форме через гамма-функцию :

Для полиномов Лежандра второго рода теорема сложения выглядит как

при условиях , , , .

Функции Лежандра

Многочлены Лежандра (вместе с присоединёнными функциями Лежандра ) естественно возникают в теории потенциала .

Шаровые функции — это функции (в сферических координатах ) вида (с точностью до константы)

и

где — присоединённые многочлены Лежандра. Они также представимы в виде , где сферические функции .

Шаровые функции удовлетворяют уравнению Лапласа всюду в .

Примечания

  1. , с. 1039.
  2. , с. 126—127.
  3. , с. 140.
  4. , с. 196.
  5. , с. 197.
  6. John W. Eaton, David Bateman, Søren Hauberg, Rik Wehbring. . — Edition 4 for Octave version 4.4.1. — 2018. — С. 530—531. 19 февраля 2018 года.
  7. , с. 1027.
  8. , с. 1028.

Литература

  • Бейтмен Г., Эрдейи А. Высшие трансцендентные функции = Higher Transcendental Functions / Пер. Н. Я. Виленкина. — Изд. 2-е,. — М. : Наука, 1973. — Т. 1. — 296 с. — 14 000 экз.
  • Владимиров В. С., Жаринов В. В. Уравнения математической физики. — М. : Физматлит, 2004. — ISBN 5-9221-0310-5 .
  • Градштейн И. С., Рыжик И. М . Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений. — Изд. 4-е, перераб. — М. : Государственное издательство физико-математической литературы, 1963. — 19 000 экз.
  • Кампе де Ферье Ж., Кемпбелл Р., Петьо Г., Фогель Т. Функции математической физики. — М. : Физматлит, 1963.
  • Никольский С. М. Квадратурные формулы. — М. : Наука, 1988.
  • Цимринг Ш. Е. Специальные функции и определенные интегралы. Алгоритмы. Программы для микрокалькуляторов: Справочник. — М. : Радио и связь, 1988.

Ссылки

  • — University of Rochester, 2010.
Источник —

Same as Многочлены Лежандра