Многочлен Лежа́ндра
—
многочлен
, который в наименьшей степени отклоняется от нуля в
смысле среднего квадратического
.
Образует
ортогональную систему многочленов
на
отрезке
[
−
1
,
1
]
{\displaystyle [-1,\;1]}
в
пространстве
L
2
{\displaystyle L^{2}}
.
Многочлены Лежандра могут быть получены из многочленов
{
1
,
x
,
x
2
,
x
3
,
…
}
{\displaystyle \{1,\;x,\;x^{2},\;x^{3},\;\ldots \}}
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
−
z
2
)
d
2
u
d
z
2
−
2
z
d
u
d
z
+
n
(
n
+
1
)
u
=
0
,
{\displaystyle (1-z^{2}){\frac {\mathrm {d} ^{2}u}{\mathrm {d} z^{2}}}-2z{\frac {\mathrm {d} u}{\mathrm {d} z}}+n(n+1)u=0,}
(1)
где
z
{\displaystyle z}
—
комплексная переменная
. Решения этого уравнения при целых
n
{\displaystyle n}
имеют вид
многочленов
, называемых
многочленами Лежандра
. Полином Лежандра степени
n
{\displaystyle n}
можно представить через
формулу Родрига
в виде
P
n
(
z
)
=
1
2
n
n
!
d
n
d
z
n
(
z
2
−
1
)
n
.
{\displaystyle P_{n}(z)={\frac {1}{2^{n}n!}}{\frac {d^{n}}{dz^{n}}}(z^{2}-1)^{n}.}
Часто вместо
z
{\displaystyle z}
записывают косинус
полярного угла
:
P
n
(
cos
θ
)
=
1
2
n
n
!
d
n
d
(
cos
θ
)
n
(
cos
2
θ
−
1
)
n
.
{\displaystyle P_{n}(\cos \theta )={\frac {1}{2^{n}n!}}{\frac {d^{n}}{d(\cos \theta )^{n}}}(\cos ^{2}\theta -1)^{n}.}
Уравнение (
) можно получить из частного случая
гипергеометрического уравнения
, называемого уравнением Лежандра
(
1
−
z
2
)
d
2
u
d
z
2
−
2
z
d
u
d
z
+
[
ν
(
ν
+
1
)
−
μ
2
1
−
z
2
]
u
=
0
,
{\displaystyle (1-z^{2}){\frac {\mathrm {d} ^{2}u}{\mathrm {d} z^{2}}}-2z{\frac {\mathrm {d} u}{\mathrm {d} z}}+\left[\nu (\nu +1)-{\frac {\mu ^{2}}{1-z^{2}}}\right]u=0,}
(2)
где
μ
{\displaystyle \mu }
,
ν
{\displaystyle \nu }
— произвольные комплексные постоянные. Интерес представляют его решения, являющиеся однозначными и регулярными при
|
z
|
<
1
{\displaystyle |z|<1}
(в частности, при действительных
z
{\displaystyle z}
) или когда действительная часть числа
z
{\displaystyle z}
больше единицы. Его решения называют
присоединёнными функциями Лежандра
или
сферическими функциями (гармониками)
. Подстановка вида
w
=
(
z
2
−
1
)
μ
/
2
{\displaystyle w=(z^{2}-1)^{\mu /2}}
в (
) даёт
, решение которого в области
|
1
−
z
|
<
2
{\displaystyle |1-z|<2}
принимает вид
w
=
P
ν
μ
(
z
)
=
1
Γ
(
1
−
μ
)
(
z
+
1
z
−
1
)
μ
/
2
F
(
−
ν
,
ν
+
1
;
1
−
μ
;
1
2
−
z
2
)
,
{\displaystyle w=P_{\nu }^{\mu }(z)={\frac {1}{\Gamma (1-\mu )}}\left({\frac {z+1}{z-1}}\right)^{\mu /2}F\left(-\nu ,\;\nu +1;\;1-\mu ;\;{\frac {1}{2}}-{\frac {z}{2}}\right),}
где
F
{\displaystyle F}
—
гипергеометрическая функция
. Подстановка
w
=
z
2
{\displaystyle w=z^{2}}
в (
) приводит к решению вида
w
=
Q
ν
μ
(
z
)
=
e
μ
i
π
2
−
ν
−
1
π
Γ
(
ν
+
μ
+
1
)
Γ
(
ν
+
3
/
2
)
z
−
ν
−
μ
−
1
(
z
2
−
1
)
μ
/
2
F
(
ν
2
+
μ
2
+
1
,
ν
2
+
μ
2
+
1
2
;
ν
+
3
2
;
z
−
2
)
,
{\displaystyle w=Q_{\nu }^{\mu }(z)=e^{\mu i\pi }2^{-\nu -1}{\sqrt {\pi }}{\frac {\Gamma (\nu +\mu +1)}{\Gamma (\nu +3/2)}}z^{-\nu -\mu -1}(z^{2}-1)^{\mu /2}F\left({\frac {\nu }{2}}+{\frac {\mu }{2}}+1,\;{\frac {\nu }{2}}+{\frac {\mu }{2}}+{\frac {1}{2}};\;\nu +{\frac {3}{2}};\;z^{-2}\right),}
определённым на
|
z
|
>
1
{\displaystyle |z|>1}
. Функции
P
ν
μ
(
z
)
{\displaystyle P_{\nu }^{\mu }(z)}
и
Q
ν
μ
(
z
)
{\displaystyle Q_{\nu }^{\mu }(z)}
называют функциями Лежандра
первого
и
второго рода
.
Справедливы соотношения
P
ν
μ
(
z
)
=
P
−
ν
−
1
μ
(
z
)
{\displaystyle P_{\nu }^{\mu }(z)=P_{-\nu -1}^{\mu }(z)}
и
Q
ν
μ
(
z
)
sin
π
(
ν
+
μ
)
−
Q
−
ν
−
1
μ
(
z
)
sin
π
(
ν
−
μ
)
=
π
e
i
μ
π
cos
(
ν
π
)
P
ν
μ
(
z
)
.
{\displaystyle Q_{\nu }^{\mu }(z)\sin \pi (\nu +\mu )-Q_{-\nu -1}^{\mu }(z)\sin \pi (\nu -\mu )=\pi e^{i\mu \pi }\cos(\nu \pi )P_{\nu }^{\mu }(z).}
Выражение через суммы
Многочлены Лежандра также определяются по следующей формуле:
P
n
(
x
)
=
1
2
n
∑
k
=
0
E
(
n
/
2
)
(
−
1
)
k
(
n
k
)
(
2
n
−
2
k
n
)
x
n
−
2
k
.
{\displaystyle P_{n}(x)={\frac {1}{2^{n}}}\sum _{k=0}^{E(n/2)}(-1)^{k}{\binom {n}{k}}{\binom {2n-2k}{n}}x^{n-2k}.}
Рекуррентная формула
Они также могут быть вычислены по
рекуррентной
формуле (при
n
⩾
1
{\displaystyle n\geqslant 1}
)
:
P
n
+
1
(
x
)
=
2
n
+
1
n
+
1
x
P
n
(
x
)
−
n
n
+
1
P
n
−
1
(
x
)
,
{\displaystyle P_{n+1}(x)={\frac {2n+1}{n+1}}xP_{n}(x)-{\frac {n}{n+1}}P_{n-1}(x),}
(3)
причём первые две функции имеют вид
P
0
(
x
)
=
1
,
{\displaystyle P_{0}(x)=1,}
P
1
(
x
)
=
x
.
{\displaystyle P_{1}(x)=x.}
Производная полинома Лежандра
Вычисляется по формуле
P
n
′
(
x
)
=
n
1
−
x
2
[
P
n
−
1
(
x
)
−
x
P
n
(
x
)
]
.
{\displaystyle P'_{n}(x)={\frac {n}{1-x^{2}}}[P_{n-1}(x)-xP_{n}(x)].}
(4)
Корни полинома Лежандра
Вычисляются итеративно по методу Ньютона
:
x
i
(
k
+
1
)
=
x
i
(
k
)
−
P
n
(
x
i
(
k
)
)
P
n
′
(
x
i
(
k
)
)
,
{\displaystyle x_{i}^{(k+1)}=x_{i}^{(k)}-{\frac {P_{n}(x_{i}^{(k)})}{P'_{n}(x_{i}^{(k)})}},}
причём начальное приближение для
i
{\displaystyle i}
-го корня (
i
=
1
,
2
,
…
,
n
{\displaystyle i=1,\;2,\;\ldots ,\;n}
) берётся по формуле
x
i
(
0
)
=
cos
π
(
4
i
−
1
)
4
n
+
2
.
{\displaystyle x_{i}^{(0)}=\cos {\frac {\pi (4i-1)}{4n+2}}.}
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:
(
1
−
2
t
x
+
t
2
)
−
1
2
=
∑
n
=
0
∞
P
n
(
x
)
t
n
{\displaystyle (1-2tx+t^{2})^{-{\frac {1}{2}}}=\sum _{n=0}^{\infty }P_{n}(x)t^{n}}
для
|
t
|
<
min
|
x
±
x
2
−
1
|
,
{\displaystyle |t|<\min \left|x\pm {\sqrt {x^{2}-1}}\right|,}
(
1
−
2
t
x
+
t
2
)
−
1
2
=
∑
n
=
0
∞
P
n
(
x
)
1
t
n
+
1
{\displaystyle (1-2tx+t^{2})^{-{\frac {1}{2}}}=\sum _{n=0}^{\infty }P_{n}(x){\frac {1}{t^{n+1}}}}
для
|
t
|
>
max
|
x
±
x
2
−
1
|
.
{\displaystyle |t|>\max \left|x\pm {\sqrt {x^{2}-1}}\right|.}
Следовательно,
P
n
(
x
)
=
(
2
n
)
!
2
n
(
n
!
)
2
[
x
n
−
n
(
n
−
1
)
2
(
2
n
−
1
)
x
n
−
2
+
n
(
n
−
1
)
(
n
−
2
)
(
n
−
3
)
2
⋅
4
(
2
n
−
1
)
(
2
n
−
3
)
x
n
−
4
−
…
]
.
{\displaystyle P_{n}(x)={\frac {(2n)!}{2^{n}(n!)^{2}}}\left[x^{n}-{\frac {n(n-1)}{2(2n-1)}}x^{n-2}+{\frac {n(n-1)(n-2)(n-3)}{2\cdot 4(2n-1)(2n-3)}}x^{n-4}-\ldots \right].}
Присоединённые многочлены Лежандра
Присоединённые многочлены Лежандра определяются по формуле
P
n
m
(
x
)
=
(
1
−
x
2
)
m
/
2
d
m
d
x
m
P
n
(
x
)
,
{\displaystyle P_{n}^{m}(x)=(1-x^{2})^{m/2}{\frac {d^{m}}{dx^{m}}}P_{n}(x),}
которую также можно представить в виде
P
n
m
(
cos
θ
)
=
sin
m
θ
d
m
d
(
cos
θ
)
m
P
n
(
cos
θ
)
.
{\displaystyle P_{n}^{m}(\cos \theta )=\sin ^{m}\theta {\frac {d^{m}}{d(\cos \theta )^{m}}}P_{n}(\cos \theta ).}
При
m
=
0
{\displaystyle m=0}
функция
P
n
m
{\displaystyle P_{n}^{m}}
совпадает с
P
n
{\displaystyle P_{n}}
.
Нормировка по правилу Шмидта
Нормированные по правилу Шмидта полиномы Лежандра выглядят следующим образом
:
S
P
n
0
(
x
)
=
P
n
0
(
x
)
,
{\displaystyle SP_{n}^{0}(x)=P_{n}^{0}(x),}
S
P
n
m
(
x
)
=
(
−
1
)
m
(
2
(
n
−
m
)
!
(
n
+
m
)
!
)
1
/
2
P
n
m
(
x
)
.
{\displaystyle SP_{n}^{m}(x)=(-1)^{m}\left({\frac {2(n-m)!}{(n+m)!}}\right)^{1/2}P_{n}^{m}(x).}
Сдвинутые многочлены Лежандра
Сдвинутые многочлены Лежандра определяются как
P
n
~
(
x
)
=
P
n
(
2
x
−
1
)
{\displaystyle {\tilde {P_{n}}}(x)=P_{n}(2x-1)}
, где сдвигающая функция
x
↦
2
x
−
1
{\displaystyle x\mapsto 2x-1}
(это
аффинное преобразование
) выбрана так, чтобы
однозначно отображать
интервал ортогональности многочленов
[
−
1
,
1
]
{\displaystyle [-1,\;1]}
на интервал
[
0
,
1
]
{\displaystyle [0,\;1]}
, в котором уже ортогональны сдвинутые многочлены
P
n
~
(
x
)
{\displaystyle {\tilde {P_{n}}}(x)}
:
∫
0
1
P
m
~
(
x
)
P
n
~
(
x
)
d
x
=
1
2
n
+
1
δ
m
n
.
{\displaystyle \int \nolimits _{0}^{1}{\tilde {P_{m}}}(x){\tilde {P_{n}}}(x)\,dx={\frac {1}{2n+1}}\delta _{mn}.}
Явное выражение для смещённых многочленов Лежандра задаётся как
P
n
~
(
x
)
=
(
−
1
)
n
∑
k
=
0
n
(
n
k
)
(
n
+
k
k
)
(
−
x
)
k
.
{\displaystyle {\tilde {P_{n}}}(x)=(-1)^{n}\sum _{k=0}^{n}{\binom {n}{k}}{\binom {n+k}{k}}(-x)^{k}.}
Аналогом
формулы Родрига
для смещенных многочленов Лежандра является
P
n
~
(
x
)
=
1
n
!
d
n
d
x
n
[
(
x
2
−
x
)
n
]
.
{\displaystyle {\tilde {P_{n}}}(x)={\frac {1}{n!}}{\frac {d^{n}}{dx^{n}}}\left[(x^{2}-x)^{n}\right].}
Выражения для некоторых первых сдвинутых многочленов Лежандра:
n
P
n
~
(
x
)
{\displaystyle {\tilde {P_{n}}}(x)}
0
1
{\displaystyle 1}
1
2
x
−
1
{\displaystyle 2x-1}
2
6
x
2
−
6
x
+
1
{\displaystyle 6x^{2}-6x+1}
3
20
x
3
−
30
x
2
+
12
x
−
1
{\displaystyle 20x^{3}-30x^{2}+12x-1}
4
70
x
4
−
140
x
3
+
90
x
2
−
20
x
+
1
{\displaystyle 70x^{4}-140x^{3}+90x^{2}-20x+1}
Матрица функции многочлена Лежандра
(
0
0
−
2
0
0
⋮
0
⋮
0
0
2
0
−
6
0
⋮
0
⋮
⋮
0
0
6
0
−
12
⋮
0
⋮
⋮
0
0
0
12
0
⋮
0
⋮
⋮
0
0
0
0
20
⋮
0
⋮
⋮
…
…
…
…
…
⋱
⋮
…
⋮
0
0
0
0
0
…
k
(
k
+
1
)
…
⋮
…
…
…
…
…
…
…
⋱
⋮
0
0
0
0
0
…
0
…
n
(
n
+
1
)
)
{\displaystyle {\begin{pmatrix}0&0&-2&0&0&\vdots &0&\vdots &0\\0&2&0&-6&0&\vdots &0&\vdots &\vdots \\0&0&6&0&-12&\vdots &0&\vdots &\vdots \\0&0&0&12&0&\vdots &0&\vdots &\vdots \\0&0&0&0&20&\vdots &0&\vdots &\vdots \\\dots &\dots &\dots &\dots &\dots &\ddots &\vdots &\dots &\vdots \\0&0&0&0&0&\dots &k(k+1)&\dots &\vdots \\\dots &\dots &\dots &\dots &\dots &\dots &\dots &\ddots &\vdots \\0&0&0&0&0&\dots &0&\dots &n(n+1)\\\end{pmatrix}}}
Эта матрица является
верхнетреугольной
. Её
определитель
равен нулю, а
собственные значения
равны
k
(
k
+
1
)
{\displaystyle k(k+1)}
, где
k
∈
{
0
,
1
,
2
,
3
,
…
,
n
}
{\displaystyle k\in \{0,\;1,\;2,\;3,\;\ldots ,\;n\}}
.
Примеры
Первые 6 многочленов Лежандра
Первые многочлены Лежандра в явном виде:
P
0
(
x
)
=
1
,
{\displaystyle P_{0}(x)=1,}
P
1
(
x
)
=
x
,
{\displaystyle P_{1}(x)=x,}
P
2
(
x
)
=
1
2
(
3
x
2
−
1
)
,
{\displaystyle P_{2}(x)={\frac {1}{2}}(3x^{2}-1),}
P
3
(
x
)
=
1
2
(
5
x
3
−
3
x
)
,
{\displaystyle P_{3}(x)={\frac {1}{2}}(5x^{3}-3x),}
P
4
(
x
)
=
1
8
(
35
x
4
−
30
x
2
+
3
)
,
{\displaystyle P_{4}(x)={\frac {1}{8}}(35x^{4}-30x^{2}+3),}
P
5
(
x
)
=
1
8
(
63
x
5
−
70
x
3
+
15
x
)
,
{\displaystyle P_{5}(x)={\frac {1}{8}}(63x^{5}-70x^{3}+15x),}
P
6
(
x
)
=
1
16
(
231
x
6
−
315
x
4
+
105
x
2
−
5
)
,
{\displaystyle P_{6}(x)={\frac {1}{16}}(231x^{6}-315x^{4}+105x^{2}-5),}
P
7
(
x
)
=
1
16
(
429
x
7
−
693
x
5
+
315
x
3
−
35
x
)
,
{\displaystyle P_{7}(x)={\frac {1}{16}}(429x^{7}-693x^{5}+315x^{3}-35x),}
P
8
(
x
)
=
1
128
(
6435
x
8
−
12
012
x
6
+
6930
x
4
−
1260
x
2
+
35
)
,
{\displaystyle P_{8}(x)={\frac {1}{128}}(6435x^{8}-12\,012x^{6}+6930x^{4}-1260x^{2}+35),}
P
9
(
x
)
=
1
128
(
12
155
x
9
−
25
740
x
7
+
18
018
x
5
−
4620
x
3
+
315
x
)
,
{\displaystyle P_{9}(x)={\frac {1}{128}}(12\,155x^{9}-25\,740x^{7}+18\,018x^{5}-4620x^{3}+315x),}
P
10
(
x
)
=
1
256
(
46
189
x
10
−
109
395
x
8
+
90
090
x
6
−
30
030
x
4
+
3465
x
2
−
63
)
,
{\displaystyle P_{10}(x)={\frac {1}{256}}(46\,189x^{10}-109\,395x^{8}+90\,090x^{6}-30\,030x^{4}+3465x^{2}-63),}
P
11
(
x
)
=
1
256
(
88
179
x
11
−
230
945
x
9
+
218
790
x
7
−
90
090
x
5
+
15
015
x
3
−
693
x
)
,
{\displaystyle P_{11}(x)={\frac {1}{256}}(88\,179x^{11}-230\,945x^{9}+218\,790x^{7}-90\,090x^{5}+15\,015x^{3}-693x),}
P
12
(
x
)
=
1
1024
(
676
039
x
12
−
1
939
938
x
10
+
2
078
505
x
8
−
1
021
020
x
6
+
225
225
x
4
−
18
018
x
2
+
231
)
,
{\displaystyle P_{12}(x)={\frac {1}{1024}}(676\,039x^{12}-1\,939\,938x^{10}+2\,078\,505x^{8}-1\,021\,020x^{6}+225\,225x^{4}-18\,018x^{2}+231),}
P
13
(
x
)
=
1
1024
(
1
300
075
x
13
−
4
056
234
x
11
+
4
849
845
x
9
−
2
771
340
x
7
+
765
765
x
5
−
90
090
x
3
+
3003
x
)
,
{\displaystyle P_{13}(x)={\frac {1}{1024}}(1\,300\,075x^{13}-4\,056\,234x^{11}+4\,849\,845x^{9}-2\,771\,340x^{7}+765\,765x^{5}-90\,090x^{3}+3003x),}
P
14
(
x
)
=
1
2048
(
5
014
575
x
14
−
16
900
975
x
12
+
22
309
287
x
10
−
14
549
535
x
8
+
4
849
845
x
6
−
765
765
x
4
+
45
045
x
2
−
429
)
,
{\displaystyle P_{14}(x)={\frac {1}{2048}}(5\,014\,575x^{14}-16\,900\,975x^{12}+22\,309\,287x^{10}-14\,549\,535x^{8}+4\,849\,845x^{6}-765\,765x^{4}+45\,045x^{2}-429),}
P
15
(
x
)
=
1
2048
(
9
694
845
x
15
−
35
102
025
x
13
+
50
702
925
x
11
−
37
182
145
x
9
+
14
549
535
x
7
−
2
909
907
x
5
+
255
255
x
3
−
6435
x
)
,
{\displaystyle P_{15}(x)={\frac {1}{2048}}(9\,694\,845x^{15}-35\,102\,025x^{13}+50\,702\,925x^{11}-37\,182\,145x^{9}+14\,549\,535x^{7}-2\,909\,907x^{5}+255\,255x^{3}-6435x),}
P
16
(
x
)
=
1
32768
(
300540195
x
16
−
1163381400
x
14
+
1825305300
x
12
−
1487285800
x
10
+
669278610
x
8
−
162954792
x
6
+
19399380
x
4
−
875160
x
2
+
6435
)
,
{\displaystyle P_{16}(x)={\frac {1}{32768}}(300540195x^{16}-1163381400x^{14}+1825305300x^{12}-1487285800x^{10}+669278610x^{8}-162954792x^{6}+19399380x^{4}-875160x^{2}+6435),}
P
17
(
x
)
=
1
32768
(
583
401
555
x
17
−
2
404
321
560
x
15
+
4
071
834
900
x
13
−
3
650
610
600
x
11
+
1
859
107
250
x
9
−
535
422
888
x
7
+
81
477
396
x
5
−
5
542
680
x
3
+
109
395
x
)
.
{\displaystyle P_{17}(x)={\frac {1}{32768}}(583\,401\,555x^{17}-2\,404\,321\,560x^{15}+4\,071\,834\,900x^{13}-3\,650\,610\,600x^{11}+1\,859\,107\,250x^{9}-535\,422\,888x^{7}+81\,477\,396x^{5}-5\,542\,680x^{3}+109\,395x).}
Поскольку
P
n
(
1
)
=
1
{\displaystyle P_{n}(1)=1}
, то
P
n
(
x
)
=
λ
0
+
λ
1
x
+
λ
2
x
2
+
…
+
λ
n
x
n
λ
0
+
λ
1
+
…
+
λ
n
=
∑
i
=
0
n
λ
i
x
i
∑
i
=
0
n
λ
i
.
{\displaystyle P_{n}(x)={\frac {\lambda _{0}+\lambda _{1}x+\lambda _{2}x^{2}+\ldots +\lambda _{n}x^{n}}{\lambda _{0}+\lambda _{1}+\ldots +\lambda _{n}}}={\frac {\sum \limits _{i=0}^{n}\lambda _{i}x^{i}}{\sum \limits _{i=0}^{n}\lambda _{i}}}.}
Свойства
Если
n
≠
0
{\displaystyle n\neq 0}
, то
∀
x
∈
(
−
1
,
1
)
|
P
n
(
x
)
|
<
1.
{\displaystyle \forall x\in (-1,\;1)\quad |P_{n}(x)|<1.}
Для
n
≠
0
{\displaystyle n\neq 0}
степень
P
n
{\displaystyle P_{n}}
равна
n
{\displaystyle n}
.
Сумма коэффициентов многочлена Лежандра
P
n
(
x
)
{\displaystyle P_{n}(x)}
равна 1.
Уравнение
P
n
(
x
)
=
0
{\displaystyle P_{n}(x)=0}
имеет ровно
n
{\displaystyle n}
различных корней на отрезке
[
−
1
,
1
]
.
{\displaystyle [-1,\;1].}
Пусть
∀
n
∈
N
U
n
(
x
)
=
(
x
2
−
1
)
n
{\displaystyle \forall n\in \mathbb {N} \quad U_{n}(x)=(x^{2}-1)^{n}}
. Тогда
U
n
+
1
′
(
x
)
−
2
(
n
+
1
)
x
U
n
(
x
)
=
0
,
{\displaystyle U'_{n+1}(x)-2(n+1)xU_{n}(x)=0,}
(
x
2
−
1
)
U
n
′
(
x
)
−
2
n
x
U
n
(
x
)
=
0.
{\displaystyle (x^{2}-1)U'_{n}(x)-2nxU_{n}(x)=0.}
Присоединённые многочлены Лежандра являются решениями
дифференциального уравнения
d
d
x
[
(
1
−
x
2
)
d
d
x
P
n
(
x
)
]
−
m
2
(
1
−
x
2
)
P
n
(
x
)
+
n
(
n
+
1
)
P
n
(
x
)
=
0.
{\displaystyle {\frac {d}{dx}}\left[(1-x^{2}){\frac {d}{dx}}P_{n}(x)\right]-{\frac {m^{2}}{(1-x^{2})}}P_{n}(x)+n(n+1)P_{n}(x)=0.}
При
m
=
0
{\displaystyle m=0}
уравнение принимает вид
P
n
+
1
′
(
x
)
=
x
P
n
′
(
x
)
+
(
n
+
1
)
P
n
(
x
)
.
{\displaystyle P'_{n+1}(x)=xP'_{n}(x)+(n+1)P_{n}(x).}
Производящая функция
для многочленов Лежандра равна
∑
n
=
0
∞
P
n
(
z
)
x
n
=
1
1
−
2
x
z
+
x
2
.
{\displaystyle \sum _{n=0}^{\infty }P_{n}(z)x^{n}={\frac {1}{\sqrt {1-2xz+x^{2}}}}.}
Условие
ортогональности
этих полиномов на отрезке
[
−
1
,
1
]
{\displaystyle [-1,\;1]}
:
∫
−
1
1
P
k
(
x
)
P
l
(
x
)
d
x
=
2
2
k
+
1
δ
k
l
,
{\displaystyle \int \limits _{-1}^{1}P_{k}(x)P_{l}(x)\,dx={\frac {2}{2k+1}}\delta _{kl},}
где
δ
k
l
{\displaystyle \delta _{kl}}
—
символ Кронекера
.
Для
n
∈
N
{\displaystyle n\in \mathbb {N} }
норма
P
n
{\displaystyle P_{n}}
равна
‖
P
n
‖
=
∫
−
1
1
P
n
2
(
x
)
d
x
=
2
2
n
+
1
.
{\displaystyle \|P_{n}\|={\sqrt {\int \limits _{-1}^{1}P_{n}^{2}(x)\,dx}}={\sqrt {\frac {2}{2n+1}}}.}
Нормированная функция многочленов Лежандра связана с нормой
P
n
{\displaystyle P_{n}}
следующим соотношением:
P
~
n
(
x
)
=
P
n
(
x
)
‖
P
n
‖
=
2
n
+
1
2
P
n
(
x
)
.
{\displaystyle {\tilde {P}}_{n}(x)={\frac {P_{n}(x)}{\|P_{n}\|}}={\sqrt {\frac {2n+1}{2}}}P_{n}(x).}
При каждом
m
>
0
{\displaystyle m>0}
система присоединённых функций Лежандра
P
n
m
(
x
)
,
n
=
m
,
m
+
1
,
…
{\displaystyle P_{n}^{m}(x),\ n=m,\;m+1,\;\ldots }
полна
в
L
2
(
−
1
,
1
)
{\displaystyle L_{2}(-1,\;1)}
.
В зависимости от
m
{\displaystyle m}
и
n
{\displaystyle n}
присоединённые многочлены Лежандра могут быть как чётными, так и нечётными функциями:
P
n
m
(
−
x
)
=
(
−
1
)
m
+
n
P
n
m
(
x
)
.
{\displaystyle P_{n}^{m}(-x)=(-1)^{m+n}P_{n}^{m}(x).}
P
2
n
{\displaystyle P_{2n}}
— чётная функция,
P
2
n
+
1
{\displaystyle P_{2n+1}}
— нечётная функция.
P
n
(
1
)
=
1.
{\displaystyle P_{n}(1)=1.}
P
n
(
−
1
)
=
(
−
1
)
n
.
{\displaystyle P_{n}(-1)=(-1)^{n}.}
P
2
n
(
0
)
=
1
2
2
n
∑
k
=
0
n
(
−
1
)
k
(
2
n
k
)
(
4
n
−
2
k
2
n
)
0
2
n
−
2
k
=
1
2
2
n
(
−
1
)
n
(
2
n
n
)
{\displaystyle P_{2n}(0)={\frac {1}{2^{2n}}}\sum _{k=0}^{n}(-1)^{k}{\binom {2n}{k}}{\binom {4n-2k}{2n}}0^{2n-2k}={\frac {1}{2^{2n}}}(-1)^{n}{\binom {2n}{n}}}
, поскольку
∀
k
≠
n
0
2
n
−
2
k
=
0
{\displaystyle \forall k\neq n\quad 0^{2n-2k}=0}
, а
0
2
n
−
2
n
=
1
{\displaystyle 0^{2n-2n}=1}
.
Для
n
≠
0
{\displaystyle n\neq 0}
выполняется
P
2
n
(
0
)
⩽
1
π
n
{\displaystyle P_{2n}(0)\leqslant {\frac {1}{\sqrt {\pi n}}}}
.
∀
x
∈
[
−
1
,
1
]
,
∀
n
∈
N
∗
|
P
n
(
x
)
|
⩽
2
π
n
(
1
−
x
2
)
.
{\displaystyle \forall x\in [-1,\;1],\;\forall n\in \mathbb {N} ^{*}\quad |P_{n}(x)|\leqslant {\sqrt {\frac {2}{\pi n(1-x^{2})}}}.}
Ряды многочленов Лежандра
Разложение липшицевой функции в ряд многочленов Лежандра
Липшицевая функция
f
{\displaystyle f}
является функцией со свойством
|
f
(
x
)
−
f
(
y
)
|
⩽
L
|
x
−
y
|
{\displaystyle |f(x)-f(y)|\leqslant L|x-y|}
, где
L
>
0
{\displaystyle L>0}
.
Эта функция разлагается в ряд многочленов Лежандра.
Пусть
ε
(
I
)
{\displaystyle \varepsilon (I)}
— пространство непрерывных отображений на отрезке
I
=
[
−
1
,
1
]
{\displaystyle I=[-1,\;1]}
,
f
∈
ε
(
I
)
{\displaystyle f\in \varepsilon (I)}
, и
n
∈
N
{\displaystyle n\in \mathbb {N} }
.
Пусть
c
n
(
f
)
=
∫
−
1
1
f
(
x
)
P
~
n
(
x
)
d
x
,
{\displaystyle c_{n}(f)=\int \limits _{-1}^{1}f(x){\tilde {P}}_{n}(x)\,dx,}
тогда
c
n
(
f
)
{\displaystyle c_{n}(f)}
удовлетворяет следующему условию:
lim
n
→
∞
c
n
(
f
)
=
0.
{\displaystyle \lim _{n\to \infty }c_{n}(f)=0.}
Пусть
S
n
f
=
∑
k
=
0
n
c
k
(
f
)
P
~
k
{\displaystyle S_{n}f=\sum _{k=0}^{n}c_{k}(f){\tilde {P}}_{k}}
и
S
n
f
{\displaystyle S_{n}f}
удовлетворяет следующим условиям:
∀
x
∈
I
S
n
f
(
x
)
=
∫
−
1
1
K
n
(
x
,
y
)
f
(
y
)
d
y
{\displaystyle \forall x\in I\quad S_{n}f(x)=\int \limits _{-1}^{1}K_{n}(x,\;y)f(y)\,dy}
, где
K
n
(
x
,
y
)
=
n
+
1
2
P
n
+
1
(
x
)
P
n
(
y
)
−
P
n
+
1
(
y
)
P
n
(
x
)
x
−
y
;
{\displaystyle K_{n}(x,\;y)={\frac {n+1}{2}}{\frac {P_{n+1}(x)P_{n}(y)-P_{n+1}(y)P_{n}(x)}{x-y}};}
S
n
f
(
x
)
−
f
(
x
)
=
∫
−
1
1
K
n
(
x
,
y
)
(
f
(
y
)
−
f
(
x
)
)
d
y
;
{\displaystyle S_{n}f(x)-f(x)=\int \limits _{-1}^{1}K_{n}(x,\;y){\big (}f(y)-f(x){\big )}\,dy;}
∀
x
∈
[
−
1
,
1
]
lim
n
→
∞
S
n
f
(
x
)
=
f
(
x
)
.
{\displaystyle \forall x\in [-1,1]\quad \lim _{n\to \infty }S_{n}f(x)=f(x).}
Липшицеву функцию
f
{\displaystyle f}
можно записать следующим образом:
f
=
∑
n
=
0
∞
c
n
(
f
)
P
~
n
.
{\displaystyle f=\sum _{n=0}^{\infty }c_{n}(f){\tilde {P}}_{n}.}
Разложение голоморфной функции
Всякая функция
f
{\displaystyle f}
,
голоморфная
внутри
эллипса
с фокусами −1 и +1, может быть представлена в виде ряда:
f
(
x
)
=
∑
n
=
0
∞
λ
n
P
n
(
x
)
.
{\displaystyle f(x)=\sum _{n=0}^{\infty }\lambda _{n}P_{n}(x).}
Теорема сложения
Для величин, удовлетворяющих условиям
0
⩽
ψ
1
<
π
{\displaystyle 0\leqslant \psi _{1}<\pi }
,
0
⩽
ψ
2
<
π
{\displaystyle 0\leqslant \psi _{2}<\pi }
,
ψ
1
+
ψ
2
<
π
{\displaystyle \psi _{1}+\psi _{2}<\pi }
,
φ
{\displaystyle \varphi }
—
действительное число
, можно записать теорему сложения для полиномов Лежандра первого рода:
P
k
(
cos
ψ
1
cos
ψ
2
+
sin
ψ
1
sin
ψ
2
cos
φ
)
=
P
k
(
cos
ψ
1
)
P
k
(
cos
ψ
2
)
+
2
∑
m
=
1
∞
(
−
1
)
m
P
k
−
m
(
cos
ψ
1
)
P
k
m
(
cos
ψ
2
)
cos
m
φ
,
{\displaystyle P_{k}(\cos \psi _{1}\cos \psi _{2}+\sin \psi _{1}\sin \psi _{2}\cos \varphi )=P_{k}(\cos \psi _{1})P_{k}(\cos \psi _{2})+2\sum \limits _{m=1}^{\infty }(-1)^{m}P_{k}^{-m}(\cos \psi _{1})P_{k}^{m}(\cos \psi _{2})\cos m\varphi ,}
или, в альтернативной форме через
гамма-функцию
:
P
k
(
cos
ψ
1
cos
ψ
2
+
sin
ψ
1
sin
ψ
2
cos
φ
)
=
P
k
(
cos
ψ
1
)
P
k
(
cos
ψ
2
)
+
2
∑
m
=
1
∞
Γ
(
k
−
m
+
1
)
Γ
(
k
+
m
+
1
)
P
k
m
(
cos
ψ
1
)
P
k
m
(
cos
ψ
2
)
cos
m
φ
.
{\displaystyle P_{k}(\cos \psi _{1}\cos \psi _{2}+\sin \psi _{1}\sin \psi _{2}\cos \varphi )=P_{k}(\cos \psi _{1})P_{k}(\cos \psi _{2})+2\sum \limits _{m=1}^{\infty }{\frac {\Gamma (k-m+1)}{\Gamma (k+m+1)}}P_{k}^{m}(\cos \psi _{1})P_{k}^{m}(\cos \psi _{2})\cos m\varphi .}
Для полиномов Лежандра второго рода теорема сложения выглядит как
Q
k
(
cos
ψ
1
cos
ψ
2
+
sin
ψ
1
sin
ψ
2
cos
φ
)
=
P
k
(
cos
ψ
1
)
Q
k
(
cos
ψ
2
)
+
2
∑
m
=
1
∞
(
−
1
)
m
P
k
−
m
(
cos
ψ
1
)
Q
k
m
(
cos
ψ
2
)
cos
m
φ
{\displaystyle Q_{k}(\cos \psi _{1}\cos \psi _{2}+\sin \psi _{1}\sin \psi _{2}\cos \varphi )=P_{k}(\cos \psi _{1})Q_{k}(\cos \psi _{2})+2\sum \limits _{m=1}^{\infty }(-1)^{m}P_{k}^{-m}(\cos \psi _{1})Q_{k}^{m}(\cos \psi _{2})\cos m\varphi }
при условиях
0
⩽
ψ
1
<
π
/
2
{\displaystyle 0\leqslant \psi _{1}<\pi /2}
,
0
⩽
ψ
2
<
π
{\displaystyle 0\leqslant \psi _{2}<\pi }
,
ψ
1
+
ψ
2
<
π
{\displaystyle \psi _{1}+\psi _{2}<\pi }
,
φ
{\displaystyle \varphi }
.
Функции Лежандра
Многочлены Лежандра (вместе с присоединёнными функциями Лежандра
P
n
,
m
(
x
)
{\displaystyle P_{n,\;m}(x)}
) естественно возникают в теории
потенциала
.
Шаровые функции — это функции (в
сферических координатах
r
,
θ
,
φ
{\displaystyle r,\;\theta ,\;\varphi }
) вида (с точностью до константы)
r
n
P
n
m
(
cos
θ
)
cos
m
φ
{\displaystyle r^{n}P_{n}^{m}(\cos \theta )\cos m\varphi }
и
r
n
P
n
m
(
cos
θ
)
sin
m
φ
,
{\displaystyle r^{n}P_{n}^{m}(\cos \theta )\sin m\varphi ,}
где
P
n
m
{\displaystyle P_{n}^{m}}
— присоединённые многочлены Лежандра.
Они также представимы в виде
r
n
Y
n
m
{\displaystyle r^{n}Y_{nm}}
, где
Y
n
m
{\displaystyle Y_{nm}}
—
сферические функции
.
Шаровые функции удовлетворяют уравнению Лапласа всюду в
R
3
{\displaystyle \mathbb {R} ^{3}}
.
Примечания
, с. 1039.
, с. 126—127.
, с. 140.
, с. 196.
↑
, с. 197.
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.
, с. 1027.
, 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.