Klasik ortogonal polinomlar - Classical orthogonal polynomials - Wikipedia

Matematikte klasik ortogonal polinomlar en yaygın kullanılanlardır ortogonal polinomlar: Hermite polinomları, Laguerre polinomları, Jacobi polinomları (özel bir durum olarak dahil) Gegenbauer polinomları, Chebyshev polinomları, ve Legendre polinomları[1]).

Matematiksel fizik gibi alanlarda birçok önemli uygulamaları vardır (özellikle rastgele matrisler ), yaklaşım teorisi, Sayısal analiz, Ve bircok digerleri.

Klasik ortogonal polinomlar, 19. yüzyılın başlarında, Adrien-Marie Legendre, Legendre polinomlarını tanıtan. 19. yüzyılın sonlarında, devam eden kesirler çözmek için an problemi tarafından P. L. Chebyshev ve daha sonra A.A. Markov ve T.J. Stieltjes genel ortogonal polinom kavramına yol açtı.

Verilen için polinomlar ve klasik ortogonal polinomlar diferansiyel denklemin çözümleri olarak karakterize edilir

sabitlerle belirlenecek .

Ortogonal klasik polinomların birkaç daha genel tanımı vardır; Örneğin, Andrews ve Askey (1985) terimini tüm polinomlar için kullanın Askey şeması.

Tanım

Genel olarak, ortogonal polinomlar bir ağırlığa göre

Yukarıdaki ilişkiler bir sayı ile çarpmaya kadar. Sabiti sabitlemek için çeşitli normalleştirmeler kullanılır, örn.

Klasik ortogonal polinomlar, üç ağırlık ailesine karşılık gelir:

Standart normalleştirme (aynı zamanda standardizasyon) aşağıda detaylandırılmıştır.

Jacobi polinomları

İçin Jacobi polinomları aşağıdaki formülle verilmiştir

Normalleştirilir (standartlaştırılır)

ve ortogonalite koşulunu sağlar

Jacobi polinomları diferansiyel denklemin çözümleridir

Önemli özel durumlar

Jacobi polinomları denir Gegenbauer polinomları (parametre ile )

İçin , bunlara Legendre polinomları (ortogonalite aralığı [−1, 1] ve ağırlık fonksiyonu basitçe 1):

İçin , elde edilir Chebyshev polinomları (sırasıyla ikinci ve birinci türden).

Hermite polinomları

Hermite polinomları şu şekilde tanımlanır:[2]

Diklik koşulunu karşılarlar

ve diferansiyel denklem

Laguerre polinomları

Genelleştirilmiş Laguerre polinomları şu şekilde tanımlanır:

(klasik Laguerre polinomları karşılık gelir .)

Ortogonallik ilişkisini tatmin ederler

ve diferansiyel denklem

Diferansiyel denklem

Klasik ortogonal polinomlar, formun diferansiyel denkleminden ortaya çıkar.

nerede Q belirli bir ikinci dereceden (en fazla) polinomdur ve L belirli bir doğrusal polinomdur. İşlev fve sabit λ, bulunacak.

(Böyle bir denklemin polinom bir çözüme sahip olmasının mantıklı olduğuna dikkat edin.
Denklemdeki her terim bir polinomdur ve dereceler tutarlıdır.)

Bu bir Sturm-Liouville denklem türü. Bu tür denklemler genellikle çözüm fonksiyonlarında tekilliklere sahiptir. λ. Onlar bir özvektör / özdeğer sorunlar: Letting D ol diferansiyel operatör, ve işaretini değiştirmek λsorun, özvektörleri (özfonksiyonlar) f ve bunlara karşılık gelen özdeğerleri bulmaktır. λ, öyle ki f tekilliklere sahip değildir ve D(f) = λf.

Bu diferansiyel denklemin çözümleri tekilliklere sahiptir. λ belirli değerleri alır. Bir dizi sayı var λ0, λ1, λ2, ... bu bir dizi polinom çözümüne yol açtı P0, P1, P2, ... aşağıdaki koşullardan biri karşılanırsa:

  1. Q aslında ikinci dereceden L doğrusaldır, Q iki farklı gerçek köke sahiptir, kökü L kesinlikle kökleri arasında yatıyor Qve önde gelen terimler Q ve L aynı işarete sahip.
  2. Q aslında ikinci dereceden değil, doğrusaldır, L doğrusaldır, kökleri Q ve L farklıdır ve önde gelen terimler Q ve L aynı işarete sahipse L kökünden daha az Q, ya da tam tersi.
  3. Q sadece sıfır olmayan bir sabittir L doğrusaldır ve baştaki terim L ters işareti var Q.

Bu üç vaka, Jacobi benzeri, Laguerre benzeri, ve Hermite benzeri polinomlar sırasıyla.

Bu üç vakanın her birinde aşağıdakilere sahibiz:

  • Çözümler bir dizi polinomdur P0, P1, P2, ..., her biri Pn Dereceye sahip olmak nve bir λ sayısına karşılık gelirn.
  • Diklik aralığı hangi köklerle sınırlıdır Q vardır.
  • Kökü L diklik aralığının içindedir.
  • İzin vermek , polinomlar ağırlık fonksiyonu altında ortogonaldir
  • W(x) aralık içinde sıfır veya sonsuzluk içermez, ancak bitiş noktalarında sıfırlar veya sonsuzluklar olabilir.
  • W(x) herhangi bir polinom için sonlu bir iç çarpım verir.
  • W(x) aralıkta 0'dan büyük yapılabilir. (Gerekirse tüm diferansiyel denklemi olumsuzlayın, böylece Q(x)> 0 aralığın içinde.)

Sabit entegrasyon nedeniyle, miktar R(x) yalnızca keyfi bir pozitif çarpımsal sabite kadar belirlenir. Sadece homojen diferansiyel denklemlerde (bunun önemli olmadığı durumlarda) ve ağırlık fonksiyonunun tanımında (ki bu da belirlenebilir) kullanılacaktır. Aşağıdaki tablolar "resmi" değerleri verecektir. R(x) ve W(x).

Rodrigues'in formülü

Önceki bölümün varsayımlarına göre,Pn(x) Orantılıdır

Bu olarak bilinir Rodrigues'in formülü, sonra Olinde Rodrigues. Genellikle yazılır

sayılar nerede en standardizasyona bağlıdır. Standart değerleri en aşağıdaki tablolarda verilecektir.

Sayılar λn

Önceki bölümün varsayımlarına göre,

(Dan beri Q ikinci dereceden ve L doğrusaldır, ve sabittir, bu nedenle bunlar yalnızca sayılardır.)

Diferansiyel denklem için ikinci form

İzin Vermek

Sonra

Şimdi diferansiyel denklemi çarpın

tarafından R/Q, alma

veya

Bu, denklem için standart Sturm-Liouville formudur.

Diferansiyel denklem için üçüncü form

İzin Vermek

Sonra

Şimdi diferansiyel denklemi çarpın

tarafından S/Q, alma

veya

Fakat , yani

veya izin vermek sen = Sy,

Türevleri içeren formüller

Önceki bölümün varsayımlarına göre, P[r]
n
belirtmek r-nin türevi Pn(Bir üs ile karışıklığı önlemek için "r" harfini parantez içine alırız.)P[r]
n
bir derece polinomudur n − r. Sonra şunlara sahibiz:

  • (ortogonalite) Sabit r için, polinom dizisi P[r]
    r
    , P[r]
    r + 1
    , P[r]
    r + 2
    , ... ortogonaldir, ağırlıklı .
  • (genelleştirilmiş Rodrigues ' formül) P[r]
    n
    Orantılıdır
  • (diferansiyel denklem) P[r]
    n
    bir çözüm , nerede λr λ ile aynı işleve sahiptirn, yani,
  • (diferansiyel denklem, ikinci form) P[r]
    n
    bir çözüm

Ayrıca bazı karışık tekrarlar da var. Bunların her birinde sayılar a, b, ve c bağlıdır nve rve çeşitli formüllerde ilgisizdir.

Ortogonal polinomları çeşitli şekillerde içeren çok sayıda başka formül vardır. İşte bunlardan küçük bir örnek, Chebyshev, ilişkili Laguerre ve Hermite polinomları:

Diklik

Belirli bir için diferansiyel denklem λ yazılabilir (x'e açık bağımlılık ihmal edilerek)

ile çarparak verim

ve abonelik getirilerini tersine çevirmek

çıkarma ve entegre etme:

ama görülebilir ki

Böylece:

Polinomlar f soldaki terim sıfır olacak ve için , o zaman ortogonalite ilişkisi geçerli olacaktır:

için .

Diferansiyel denklemden türetme

Yukarıdaki diferansiyel denklemden ortaya çıkan polinom dizilerinin tümü, alanın ölçeklendirilmesi ve / veya kaydırılması ve polinomların standartlaştırılması altında daha sınırlı sınıflara eşdeğerdir. Bu kısıtlanmış sınıflar, tam olarak "klasik ortogonal polinomlardır".

  • Her Jacobi benzeri polinom dizisinin alanı kaydırılmış ve / veya ölçeklendirilmiş olabilir, böylece ortogonalite aralığı [−1, 1] olur ve Q = 1 − x2. Daha sonra standart hale getirilebilirler. Jacobi polinomları . Bunların birkaç önemli alt sınıfı vardır: Gegenbauer, Legendreve iki tür Chebyshev.
  • Her Laguerre benzeri polinom dizisinin etki alanı kaydırılmış, ölçeklenmiş ve / veya yansıtılmış olabilir, böylece ortogonalite aralığı , ve sahip Q = x. Daha sonra standart hale getirilebilirler. İlişkili Laguerre polinomları . Düz Laguerre polinomları bunların bir alt sınıfıdır.
  • Her Hermite benzeri polinom dizisinin etki alanı kaydırılmış ve / veya ölçeklendirilmiş olabilir, böylece ortogonalite aralığı ve Q = 1 ve L (0) = 0'a sahiptirler. Daha sonra standartlaştırılabilirler. Hermite polinomları .

Yukarıda anlatılan şekilde bir diferansiyel denklemden ortaya çıkan tüm polinom dizileri klasik polinomlara önemsiz bir şekilde eşdeğer olduğundan, gerçek klasik polinomlar her zaman kullanılır.

Jacobi polinomu

Jacobi benzeri polinomlar, dikgenlik aralığı [−1, 1] olacak şekilde alanlarını kaydırıp ölçeklendirdikten sonra, belirlenecek iki parametresi vardır. ve Jacobi polinomlarında, yazılı . Sahibiz ve.Her ikisi de ve −1'den büyük olması gerekir. (Bu, L'nin kökünü diklik aralığının içine koyar.)

Ne zaman ve eşit değildir, bu polinomlar yaklaşık olarak simetrik değildir x = 0.

Diferansiyel denklem

dır-dir Jacobi denklemi.

Daha fazla ayrıntı için bkz. Jacobi polinomları.

Gegenbauer polinomları

Biri parametreleri ayarladığında ve birbirine eşit olan Jacobi polinomlarında, biri elde edilir Gegenbauer veya ultrasonik polinomlar. Yazılırlar ve şu şekilde tanımlanmıştır

Sahibiz veParametre −1 / 2'den büyük olması gerekir.

(Bu arada, aşağıdaki tabloda verilen standardizasyon hiçbir anlam ifade etmeyecektir. α = 0 ve n ≠ 0, çünkü polinomları sıfıra ayarlar. Bu durumda, kabul edilen standardizasyon setleri Tabloda verilen değer yerine.)

Yukarıdaki hususları göz ardı ederek, parametre türevleri ile yakından ilgilidir :

veya daha genel olarak:

Diğer tüm klasik Jacobi benzeri polinomlar (Legendre, vb.), Gegenbauer polinomlarının bir değeri seçilerek elde edilen özel durumlarıdır. ve bir standardizasyon seçmek.

Daha fazla ayrıntı için bkz. Gegenbauer polinomları.

Legendre polinomları

Diferansiyel denklem

Bu Legendre denklemi.

Diferansiyel denklemin ikinci şekli:

Tekrarlama ilişkisi dır-dir

Karışık bir yineleme

Rodrigues'in formülü

Daha fazla ayrıntı için bkz. Legendre polinomları.

İlişkili Legendre polinomları

İlişkili Legendre polinomları, belirtilen nerede ve tamsayılar , olarak tanımlanır

m parantez içinde (bir üsle karışıklığı önlemek için) bir parametredir. m parantez içindeki mLegendre polinomunun -ci türevi.

Bu "polinomlar" yanlış adlandırılmıştır — bunlar polinom değildir m garip.

Tekrarlama ilişkileri var:

Sabit için m, sekans ağırlık 1 ile [-1, 1] üzerinde ortogonaldir.

Verilen için m, çözümleri

Chebyshev polinomları

Diferansiyel denklem

Bu Chebyshev denklemi.

Yineleme ilişkisi

Rodrigues'in formülü

Bu polinomlar, ortogonalite aralığında,

(Kanıtlamak için tekrarlama formülünü kullanın.)

Bu, tüm yerel minimum ve maksimumlarının -1 ve +1 değerlerine sahip olduğu anlamına gelir, yani polinomlar "seviye" dir. Bu nedenle, fonksiyonların Chebyshev polinomları cinsinden açılımı bazen polinom yaklaşımları bilgisayar matematik kütüphanelerinde.

Bazı yazarlar bu polinomların dikeylik aralığı [0, 1] veya [−2, 2] olacak şekilde kaydırılmış versiyonlarını kullanırlar.

Ayrıca orada İkinci türden Chebyshev polinomları, belirtilen

Sahibiz:

İlk birkaç polinom için ifadeler dahil olmak üzere daha fazla ayrıntı için, bakınız Chebyshev polinomları.

Laguerre polinomları

Alan kaydırıldıktan ve ölçeklendikten sonra en genel Laguerre benzeri polinomlar, İlişkili Laguerre polinomlarıdır (genelleştirilmiş Laguerre polinomları olarak da adlandırılır) . Bir parametre var , which1'den kesinlikle büyük herhangi bir gerçek sayı olabilir. Parametre, bir üs ile karıştırılmaması için parantez içine alınır. Düz Laguerre polinomları basitçe bunların versiyonu:

Diferansiyel denklem

Bu Laguerre denklemi.

Diferansiyel denklemin ikinci şekli

Yineleme ilişkisi

Rodrigues'in formülü

Parametre türevleri ile yakından ilgilidir :

veya daha genel olarak:

Laguerre denklemi, uygulamalarda daha kullanışlı bir forma dönüştürülebilir:

bir çözüm

Bu daha fazla manipüle edilebilir. Ne zaman bir tamsayıdır ve :

bir çözüm

Çözüm genellikle ilişkili Laguerre polinomları yerine türevler cinsinden ifade edilir:

Bu denklem, kuantum mekaniğinde, çözümün radyal kısmında ortaya çıkar. Schrödinger denklemi tek elektronlu bir atom için.

Fizikçiler genellikle Laguerre polinomları için bir faktör ile daha büyük olan bir tanım kullanırlar. , burada kullanılan tanımdan daha fazla.

İlk birkaç polinom için ifadeler dahil daha fazla ayrıntı için, bakınız Laguerre polinomları.

Hermite polinomları

Diferansiyel denklem

Bu Hermite denklemi.

Diferansiyel denklemin ikinci şekli

Üçüncü biçim

Yineleme ilişkisi

Rodrigues'in formülü

İlk birkaç Hermite polinomu

Biri tanımlanabilir ilişkili Hermite fonksiyonları

Çarpan ağırlık fonksiyonunun karekökü ile orantılı olduğundan, bu fonksiyonlar ortogonaldir. ağırlık işlevi yoktur.

İlişkili Hermite fonksiyonları için yukarıdaki diferansiyel denklemin üçüncü formu,

İlişkili Hermite fonksiyonları matematik ve fiziğin birçok alanında ortaya çıkar.Kantum mekaniğinde, harmonik osilatör için Schrödinger'in denkleminin çözümleridir.Aynı zamanda özfonksiyonlardır (özdeğer (-ben n) of the sürekli Fourier dönüşümü.

Birçok yazar, özellikle olasılık uzmanları, Hermite polinomlarının ağırlık fonksiyonu ile alternatif bir tanımını kullanır. onun yerine . Gösterim ise O bu Hermite polinomları için kullanılır ve H yukarıdakiler için bunlar şu şekilde karakterize edilebilir:

Daha fazla ayrıntı için bkz. Hermite polinomları.

Klasik ortogonal polinomların karakterizasyonu

Klasik ortogonal polinomları diğerlerinden ayıran birkaç koşul vardır.

İlk koşul Sonine (ve daha sonra Hahn tarafından) tarafından bulundu, ki bu (değişkenlerin doğrusal değişikliklerine kadar) klasik ortogonal polinomların, türevlerinin de ortogonal polinomlar olmasını sağlayacak tekler olduğunu gösterdi.

Bochner, klasik ortogonal polinomları tekrarlama ilişkileri açısından karakterize etti.

Tricomi, klasik ortogonal polinomları, belirli bir analoguna sahip olanlar olarak karakterize etti. Rodrigues formülü.

Klasik ortogonal polinomlar tablosu

Aşağıdaki tablo, klasik ortogonal polinomların özelliklerini özetlemektedir.[3]

İsim ve geleneksel sembolChebyshev, Chebyshev
(ikinci tür),
Legendre, Hermite,
Diklik sınırları[4]
Ağırlık,
StandardizasyonKurşun terimi
Norm Meydanı [5]
Öncü terim [6]
İkinci dönem,
Diferansiyelde sabit. denklem,
Rodrigues'in formülünde sabit,
Tekrarlama ilişkisi,
Tekrarlama ilişkisi,
Tekrarlama ilişkisi,
İsim ve geleneksel sembolİlişkili Laguerre, Laguerre,
Diklik sınırları
Ağırlık,
StandardizasyonKurşun terimi Kurşun terimi
Norm Meydanı,
Öncü terim,
İkinci dönem,
Diferansiyelde sabit. denklem,
Rodrigues'in formülünde sabit,
Tekrarlama ilişkisi,
Tekrarlama ilişkisi,
Tekrarlama ilişkisi,
İsim ve geleneksel sembolGegenbauer, Jacobi,
Diklik sınırları
Ağırlık,
Standardizasyon Eğer
Norm Meydanı,
Öncü terim,
İkinci dönem,
Diferansiyelde sabit. denklem,
Rodrigues'in formülünde sabit,
Tekrarlama ilişkisi,
Tekrarlama ilişkisi,
Tekrarlama ilişkisi,

Ayrıca bakınız

Notlar

  1. ^ Görmek Suetin (2001)
  2. ^ diğer konvansiyonlar da kullanılır; görmek Hermite polinomları.
  3. ^ Görmek Abramowitz ve Stegun (1965)
  4. ^ yani ağırlık desteğinin kenarları W.
  5. ^
  6. ^ Önde gelen katsayı kn nın-nin

Referanslar

  • Abramowitz, Milton; Stegun, Irene Ann, eds. (1983) [Haziran 1964]. "Bölüm 22". Formüller, Grafikler ve Matematiksel Tablolarla Matematiksel Fonksiyonlar El Kitabı. Uygulamalı Matematik Serileri. 55 (Düzeltmelerle birlikte onuncu orijinal baskının ek düzeltmeleriyle dokuzuncu yeniden baskı (Aralık 1972); ilk baskı). Washington DC.; New York: Amerika Birleşik Devletleri Ticaret Bakanlığı, Ulusal Standartlar Bürosu; Dover Yayınları. s. 773. ISBN  978-0-486-61272-0. LCCN  64-60036. BAY  0167642. LCCN  65-12253.
  • Andrews, George E .; Askey Richard (1985). "Klasik ortogonal polinomlar". Brezinski, C .; Draux, A .; Magnus, Alphonse P .; Maroni, Pascal; Ronveaux, A. (editörler). Polynômes ortogonaux ve uygulamaları. Bar-le-Duc'da düzenlenen Laguerre sempozyumunun bildirileri, 15–18 Ekim 1984. Matematik Ders Notları. 1171. Berlin, New York: Springer-Verlag. sayfa 36–62. doi:10.1007 / BFb0076530. ISBN  978-3-540-16059-5. BAY  0838970.CS1 bakimi: ref = harv (bağlantı)
  • Chihara, Theodore Seio (1978). Ortogonal Polinomlara Giriş. Gordon ve Breach, New York. ISBN  0-677-04150-0.CS1 bakimi: ref = harv (bağlantı)
  • Foncannon, J. J .; Foncannon, J. J .; Pekonen, Osmo (2008). "Yorum Tek değişkende klasik ve kuantum ortogonal polinomlar Mourad Ismail tarafından ". Matematiksel Zeka. Springer New York. 30: 54–60. doi:10.1007 / BF02985757. ISSN  0343-6993.CS1 bakimi: ref = harv (bağlantı)
  • İsmail, Mourad E.H. (2005). Tek Değişkenli Klasik ve Kuantum Ortogonal Polinomlar. Cambridge: Cambridge Üniv. Basın. ISBN  0-521-78201-5.CS1 bakimi: ref = harv (bağlantı)
  • Jackson, Dunham (2004) [1941]. Fourier Serileri ve Ortogonal Polinomlar. New York: Dover. ISBN  0-486-43808-2.CS1 bakimi: ref = harv (bağlantı)
  • Koornwinder, Tom H .; Wong, Roderick S. C .; Koekoek, Roelof; Swarttouw, René F. (2010), "Ortogonal Polinomlar", içinde Olver, Frank W. J.; Lozier, Daniel M .; Boisvert, Ronald F .; Clark, Charles W. (editörler), NIST Matematiksel Fonksiyonlar El Kitabı, Cambridge University Press, ISBN  978-0-521-19225-5, BAY  2723248
  • Suetin, P. K. (2001) [1994], "Klasik ortogonal polinomlar", Matematik Ansiklopedisi, EMS Basın
  • Szegő, Gábor (1939). Ortogonal Polinomlar. Kolokyum Yayınları. XXIII. Amerikan Matematik Derneği. ISBN  978-0-8218-1023-1. BAY  0372517.CS1 bakimi: ref = harv (bağlantı)