Рефетека.ру / Математика

Курсовая работа: Гипергеометрическое уравнение

Министерство образования РФ

Тульский государственный педагогический университет имени Л.Н.Толстого

кафедра математического анализа


Курсовая работа по математике

"Гипергеометрическое уравнение"


Выполнила:

студентка ф-та МиМ,

группы 3В,

Куркова Д.Н.

Проверила:

Исаева Г.Р.


Тула-2006

Содержание


Введение

Гипергеометрическое уравнение

1.1 Определение гипергеометрического ряда. Гипергеометрическая функция

1.2 Свойства гипергеометрической функции

1.3 Гипергеометрическое уравнение

Представление функций через гипергеометрическую

Вырожденная функция

Дифференциальное уравнение для вырожденной гипергеометрической функции. Вырожденная гипергеометрическая функция второго рода

Представление различных функций через вырожденные гипергеометрические функции

Литература


Введение


В связи с широким развитием численных методов и возрастанием роли численного эксперимента в большой степени повысился интерес к специальным функциям. Это связано с двумя обстоятельствами. Во-первых, при разработке математической модели физического явления для выяснения относительной роли отдельных эффектов исходную задачу часто приходится упрощать для того, чтобы можно было получить решение в легко анализируемой аналитической форме. Во-вторых, при решении сложных задач на ЭВМ удобно использовать упрощенные задачи для выбора надежных и экономичных вычислительных алгоритмов. Очень редко при этом можно ограничиться задачами, приводящими к элементарным функциям. Кроме того, знание специальных функций необходимо для понимания многих важных вопросов теоретической и практической физики.

Наиболее часто употребляемыми функциями являются так называемые специальные функции математической физики: классические ортогональные полиномы (полиномы Якоби, Лагерра, Эрмита), цилиндрические, сферические и гипергеометрические. Теории этих функций и их приложениям посвящен целый ряд исследований. Гипергеометрические функции применяются в различных разделах математического анализа, в частности, при решении дифференциальных уравнений и при рассмотрении других специальных функций. С помощью гипергеометрических функций выражаются не только сферические, эллиптические, но и ряд других, в том числе и элементарные функции. В работе рассматриваются определение гипергеометрического ряда и гипергеометрической функции, доказывается, и выводятся некоторые элементарные свойства гипергеометрической функции, функциональные и специальные функциональные соотношения, представление различных функций через гипергеометрическую, вырожденная функция 1 и 2 рода, дифференциальное уравнение для вырожденной гипергеометрической функции и его интегралы, представление различных функций через вырожденные гипергеометрические функции.


1. Гипергеометрическое уравнение


1.1 Определение гипергеометрического ряда


Гипергеометрическим рядом называется степенной ряд вида


Гипергеометрическое уравнение,


где z – комплексная переменная, Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение - параметры, которые могут принимать любые вещественные или комплексные значения (Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение0,-1,-2,…), и символ Гипергеометрическое уравнение обозначает величину Гипергеометрическое уравнение=Гипергеометрическое уравнение Гипергеометрическое уравнение=1

Если Гипергеометрическое уравнение и Гипергеометрическое уравнение – нуль или целое отрицательное число, ряд обрывается на конечном числе членов, и сумма его представляет собой полином относительно z. За исключением этого случая, радиус сходимости гипергеометрического ряда равняется единице, в чем легко убедиться с помощью признака сходимости Даламбера: полагая Гипергеометрическое уравнение


Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнениеzk


имеем


Гипергеометрическое уравнение=Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение,


когда kГипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение, поэтому гипергеометрический ряд сходится при Гипергеометрическое уравнение<1 и расходится при Гипергеометрическое уравнение>1.

Сумма ряда


F(Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение,z) = Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение<1 (1.1)


называется гипергеометрической функцией.

Данное определение гипергеометрической функции пригодно лишь для значений z, принадлежащих кругу сходимости, однако в дальнейшем будет показано, что существует функция комплексного переменного z, регулярная в плоскости с разрезом (1, Гипергеометрическое уравнение) которая при Гипергеометрическое уравнение<1 совпадает с F(Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение,z). Эта функция является аналитическим продолжением F(Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение,z) в разрезанную плоскость и обозначается тем же символом.

Чтобы выполнить аналитическое продолжение предположим сначала что R(Гипергеометрическое уравнение)>R(Гипергеометрическое уравнение)>0 и воспользуемся интегральным представлением


Гипергеометрическое уравнение (1.2)

k=0,1,2,..


Подставляя (1.2) в (1.1) находим


F(Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение,z) = Гипергеометрическое уравнение= =Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение,


причем законность изменения порядка интегрирования и суммирования вытекает из абсолютной сходимости.

Действительно, при R(Гипергеометрическое уравнение)>R(Гипергеометрическое уравнение) >0 и Гипергеометрическое уравнение<1

Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение=

=Гипергеометрическое уравнение F(Гипергеометрическое уравнение, R(Гипергеометрическое уравнение),R(Гипергеометрическое уравнение),Гипергеометрическое уравнение)


На основании известного биноминального разложения


Гипергеометрическое уравнение=(1-tz)-a(1.3)

0Гипергеометрическое уравнениеtГипергеометрическое уравнение1,Гипергеометрическое уравнение<1


поэтому для F(Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение,z) получается представление


F(Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение,z)= Гипергеометрическое уравнение (1.4)

R(Гипергеометрическое уравнение)>R(Гипергеометрическое уравнение) >0 и Гипергеометрическое уравнение<1


Покажем, что интеграл в правой части последнего равенства сохраняет смысл и представляет регулярную функцию комплексного переменного z в плоскости с разрезом (1, Гипергеометрическое уравнение).

Для z принадлежащих области Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение (R – произвольно большое, Гипергеометрическое уравнение и Гипергеометрическое уравнение произвольно малые положительные числа), и 0 < t < 1 подынтегральное выражение есть регулярная функция z и непрерывная функция t ; поэтому достаточно показать что интеграл сходится равномерно в рассматриваемой области. Доказательство следует из оценки


Гипергеометрическое уравнение


(М – верхняя граница модуля функции (1-tz)-a, непрерывной в замкнутой области Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение, 0Гипергеометрическое уравнениеt Гипергеометрическое уравнение1), которая показывает, сходимость интеграла будет мажорированной, то есть при R(Гипергеометрическое уравнение)>R(Гипергеометрическое уравнение) >0 интеграл Гипергеометрическое уравнение сходится.

Таким образом, условие Гипергеометрическое уравнение<1 в (1.4) может быть отброшено, и искомое аналитическое продолжение гипергеометрической функции в разрезанную плоскость дается формулой


F(Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение,z)= Гипергеометрическое уравнение (1.5)

R(Гипергеометрическое уравнение)>R(Гипергеометрическое уравнение) >0; Гипергеометрическое уравнение


В общем случае, когда параметры имеют произвольные значения, аналитическое продолжение F(Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение,z) плоскость с размером (1, Гипергеометрическое уравнение) может быть получено в форме контурного интеграла, к которому приводит суммирование ряда (1.1) с помощью теории вычетов.

Более элементарный метод продолжения, не дающий, однако, возможность получить в явной форме общее аналитическое выражение гипергеометрической функции, заключается в использовании рекуррентного соотношения (1.6)


Гипергеометрическое уравнение F(Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение,z) = Гипергеометрическое уравнение + Гипергеометрическое уравнение


справедливость которого может быть установлена подстановкой в него ряда (1.1). После подстановки и приведения подобных членов коэффициент при zk в правой части (1.6) будет


Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение+Гипергеометрическое уравнение- Гипергеометрическое уравнение = =Гипергеометрическое уравнение{Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение}= =Гипергеометрическое уравнение(Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение


Путем повторного применения этого тождества можно представить функцию F(Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение,z) с произвольными параметрами (Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение0,-1,-2,…) в виде суммы


F(Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение,z)= Гипергеометрическое уравнениеF(Гипергеометрическое уравнение+s, Гипергеометрическое уравнение+p, Гипергеометрическое уравнение+2p, z) (1.7)


где р – целое положительное число Гипергеометрическое уравнение (Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение,z) – полином относительно z. Если выбрать число р достаточно большим, так, чтобы R(Гипергеометрическое уравнение)>-p и R(Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение)>-p, то аналитическое продолжение каждой из функций F(Гипергеометрическое уравнение+s, Гипергеометрическое уравнение+p, Гипергеометрическое уравнение+2p, z) может быть выполнено по формуле (1.5). Подставляя полученные выражения в (1.7) получим функцию, регулярную в плоскости с разрезом (1, Гипергеометрическое уравнение), которая при Гипергеометрическое уравнение<1 совпадает с суммой гипергеометрического ряда (1.1) и, следовательно, является искомым аналитическим продолжением.

Гипергеометрическая функция F(Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение,z) играет важную роль в анализе и его приложениях. Введение этой функции дает возможность получить решение многих интересных проблем теоретического и прикладного характера, к которым, в частности, относится задача конформного отображения треугольника, ограниченного пересекающимися прямыми или дугами окружностей, различные задачи квантовой механики и так далее.

Большое число специальных функций может быть выражено через функцию F(Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение,z), что позволяет рассматривать теорию этих функций как соответствующие специальные случаи общей теории, данной в настоящем пункте.


1.2 Элементарные свойства гипергеометрической функции


В настоящем разделе мы рассмотрим некоторые свойства гипергеометрической функции, которые непосредственно вытекают из ее определения с помощью ряда (1.1).

1. Принимая во внимание, что члены ряда не изменяются при перестановке параметров Гипергеометрическое уравнениеи Гипергеометрическое уравнение имеем соотношение симметрии


F(Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение,z)= F(Гипергеометрическое уравнение,Гипергеометрическое уравнение,Гипергеометрическое уравнение,z), (2.1)


2. Дифференцируя рассматриваемый ряд почленно, находим


Гипергеометрическое уравнение F(Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение,z)=Гипергеометрическое уравнение=Гипергеометрическое уравнение=

=Гипергеометрическое уравнение=Гипергеометрическое уравнение F(Гипергеометрическое уравнение+1, Гипергеометрическое уравнение+1, Гипергеометрическое уравнение+1,z)


Таким образом, Гипергеометрическое уравнение F(Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение,z)= Гипергеометрическое уравнение F(Гипергеометрическое уравнение+1, Гипергеометрическое уравнение+1, Гипергеометрическое уравнение+1,z) (2.2)

3. Повторное применение этой формулы приводит к равенствам


Гипергеометрическое уравнение F(Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение,z)= Гипергеометрическое уравнение F(Гипергеометрическое уравнение+m, Гипергеометрическое уравнение+m, Гипергеометрическое уравнение+m,z) (2.3)

m=1,2,…


Положим в дальнейшем для сокращения записи


F(Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение,z)= F,

F(Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение1, Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение,z)= F(Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение1),

F(Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение1, Гипергеометрическое уравнение,z)= F(Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение1),

F(Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение1,z)= F(Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение1).


Функции F(Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение1), F(Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение1), F(Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение1) называются смежными с F.

4. Мы покажем, что F и любые две смежные функции связаны между собой рекуррентным соотношением с коэффициентами, являющимися линейными функциями переменного z. В качестве основных соотношений этого типа могут быть выбраны равенства (2.4), (2.5), (2.6) соответственно.


(Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение)F+Гипергеометрическое уравнение(1-z)F(Гипергеометрическое уравнение+1)-(Гипергеометрическое уравнение- Гипергеометрическое уравнение)F(Гипергеометрическое уравнение-1)=0,

(Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение-1)F+Гипергеометрическое уравнениеF(Гипергеометрическое уравнение+1)-(Гипергеометрическое уравнение- 1)F(Гипергеометрическое уравнение-1)=0,

Гипергеометрическое уравнение(1-z)F-Гипергеометрическое уравнениеF(Гипергеометрическое уравнение-1)+(Гипергеометрическое уравнение- Гипергеометрическое уравнение)F(Гипергеометрическое уравнение+1)=0.


Подставляя ряд (1.1) в (2.4) имеем (2.4)


(Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение)F+Гипергеометрическое уравнение(1-z)F(Гипергеометрическое уравнение+1)-(Гипергеометрическое уравнение- Гипергеометрическое уравнение)F(Гипергеометрическое уравнение-1)=

=(Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение)Гипергеометрическое уравнение+Гипергеометрическое уравнение(1-z)Гипергеометрическое уравнение-(Гипергеометрическое уравнение-

Гипергеометрическое уравнение)Гипергеометрическое уравнение =

=Гипергеометрическое уравнение{(Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение)Гипергеометрическое уравнение+Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение-(Гипергеометрическое уравнение- Гипергеометрическое уравнение)Гипергеометрическое уравнение-

Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение}zk=

=Гипергеометрическое уравнение{(Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение)(Гипергеометрическое уравнение+k-1)+(Гипергеометрическое уравнение+k)(Гипергеометрическое уравнение+k-1)-(Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение)(Гипергеометрическое уравнение-1)- ----

(Гипергеометрическое уравнение-k-1)k} zk=0,

так как

zГипергеометрическое уравнение=Гипергеометрическое уравнение=Гипергеометрическое уравнение

Гипергеометрическое уравнение=Гипергеометрическое уравнение(Гипергеометрическое уравнение+1)...( Гипергеометрическое уравнение+k-1)

Гипергеометрическое уравнение=(Гипергеометрическое уравнение+1)...( Гипергеометрическое уравнение+k-1)( Гипергеометрическое уравнение+k)

Гипергеометрическое уравнение=(Гипергеометрическое уравнение-1) Гипергеометрическое уравнение(Гипергеометрическое уравнение+1)...( Гипергеометрическое уравнение+k-2)

Гипергеометрическое уравнение=Гипергеометрическое уравнение(Гипергеометрическое уравнение+1)…( Гипергеометрическое уравнение+k-2)

Гипергеометрическое уравнение= (Гипергеометрическое уравнение+1)…( Гипергеометрическое уравнение+k-2) ( Гипергеометрическое уравнение+k-1)

Гипергеометрическое уравнение=(Гипергеометрическое уравнение-1) Гипергеометрическое уравнение (Гипергеометрическое уравнение+1)...( Гипергеометрическое уравнение+k-3)


Формулы (2.5) и (2.6) доказываются аналогичным способом:


(Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение)F+Гипергеометрическое уравнение F (Гипергеометрическое уравнение+1)-(Гипергеометрическое уравнение- 1)F(Гипергеометрическое уравнение-1)=

=Гипергеометрическое уравнение{ (Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение-1) Гипергеометрическое уравнение+Гипергеометрическое уравнение Гипергеометрическое уравнение-(Гипергеометрическое уравнение- 1)Гипергеометрическое уравнение =

=Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение{Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение-1 +Гипергеометрическое уравнение+ k-(Гипергеометрическое уравнение+k-1)}zk=0,

Гипергеометрическое уравнение(1-z)F-Гипергеометрическое уравнениеF (Гипергеометрическое уравнение-1)+(Гипергеометрическое уравнение- Гипергеометрическое уравнение)zF(Гипергеометрическое уравнение+1)=

=Гипергеометрическое уравнение{ Гипергеометрическое уравнение Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение +(Гипергеометрическое уравнение- Гипергеометрическое уравнение)Гипергеометрическое уравнение}zk

=Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение{Гипергеометрическое уравнение(Гипергеометрическое уравнение+ k -1)(Гипергеометрическое уравнение+ k-1)- Гипергеометрическое уравнение(Гипергеометрическое уравнение+ k -1)k-Гипергеометрическое уравнение(Гипергеометрическое уравнение-1)(Гипергеометрическое уравнение+ k-1)

+(Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение)Гипергеометрическое уравнениеk}zk=0,


Из (2.4)-(2.6) и свойства симметрии (2.1) следует три других равенства:


(Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение)F+Гипергеометрическое уравнение (1-z)F(Гипергеометрическое уравнение+1)-(Гипергеометрическое уравнение- Гипергеометрическое уравнение)F(Гипергеометрическое уравнение-1)=0, (2.7)

(Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение-1)F+Гипергеометрическое уравнение F (Гипергеометрическое уравнение-1)-(Гипергеометрическое уравнение- 1)F(Гипергеометрическое уравнение-1)=0, (2.8)

Гипергеометрическое уравнение(1-z)F-Гипергеометрическое уравнениеF (Гипергеометрическое уравнение-1)+(Гипергеометрическое уравнение- Гипергеометрическое уравнение)zF(Гипергеометрическое уравнение+1)=0. (2.9)

(Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение)F+Гипергеометрическое уравнение (1-z)F(Гипергеометрическое уравнение+1)-(Гипергеометрическое уравнение- Гипергеометрическое уравнение)F(Гипергеометрическое уравнение-1)=

=Гипергеометрическое уравнение{(Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение)Гипергеометрическое уравнение+Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение-(Гипергеометрическое уравнение-

Гипергеометрическое уравнение)Гипергеометрическое уравнение} zk =

=Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение{(Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение)(Гипергеометрическое уравнение+k-1)+Гипергеометрическое уравнение(Гипергеометрическое уравнение+ k -1)(Гипергеометрическое уравнение+k)-Гипергеометрическое уравнение(Гипергеометрическое уравнение+k-1)k -(Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение)(Гипергеометрическое уравнение-

1)}zk=0,

(Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение-1)F+Гипергеометрическое уравнение F (Гипергеометрическое уравнение-1)-(Гипергеометрическое уравнение- 1)F(Гипергеометрическое уравнение-1)=

=Гипергеометрическое уравнение{(Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение-1) Гипергеометрическое уравнение+Гипергеометрическое уравнение Гипергеометрическое уравнение-(Гипергеометрическое уравнение- 1) Гипергеометрическое уравнение} zk =

=Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение{Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение-1+Гипергеометрическое уравнение( Гипергеометрическое уравнение+ k )- Гипергеометрическое уравнение(Гипергеометрическое уравнение+k-1)}zk=0,

Гипергеометрическое уравнение(1-z)F-Гипергеометрическое уравнениеF (Гипергеометрическое уравнение-1)+(Гипергеометрическое уравнение- Гипергеометрическое уравнение)zF(Гипергеометрическое уравнение+1)=

=Гипергеометрическое уравнение{Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение Гипергеометрическое уравнение+(Гипергеометрическое уравнение- Гипергеометрическое уравнение)Гипергеометрическое уравнение} zk

=Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение{Гипергеометрическое уравнение(Гипергеометрическое уравнение+k-1)( Гипергеометрическое уравнение+k-1)-Гипергеометрическое уравнениеk(Гипергеометрическое уравнение+k-1)- Гипергеометрическое уравнение (Гипергеометрическое уравнение+k-1)(Гипергеометрическое уравнение-1)+k

(Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение)}zk=0.


Остальные рекуррентные соотношения получаются из (2.4) – (2.9) путем исключения из соответствующей пары формул общей смежной функции. Например, комбинируя (2.5) и (2.8) или (2.6) и (2.9) получаем


(Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение)F-Гипергеометрическое уравнениеF (Гипергеометрическое уравнение+1)+Гипергеометрическое уравнениеF(Гипергеометрическое уравнение+1)=0 (2.10)

(Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение)(1-z)F+(Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение)F (Гипергеометрическое уравнение-1)-( Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение)F(Гипергеометрическое уравнение-1)=0 (2.11)


и так далее


(Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение)F-Гипергеометрическое уравнениеF (Гипергеометрическое уравнение+1)+Гипергеометрическое уравнениеF(Гипергеометрическое уравнение+1)=

=Гипергеометрическое уравнение{(Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение)Гипергеометрическое уравнение+Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение+Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение} zk=

=Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение{Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение (Гипергеометрическое уравнение+k)+ Гипергеометрическое уравнение ( Гипергеометрическое уравнение+k)} zk =0.

(Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение)(1-z)F+(Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение)F (Гипергеометрическое уравнение-1)-(Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение)F(Гипергеометрическое уравнение-1)=

=Гипергеометрическое уравнение{(Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение)Гипергеометрическое уравнение-(Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение)Гипергеометрическое уравнение+(Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение)Гипергеометрическое уравнение-(Гипергеометрическое уравнение-

Гипергеометрическое уравнение)Гипергеометрическое уравнение} zk=

=Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение{(Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение)(Гипергеометрическое уравнение+k-1)(Гипергеометрическое уравнение+k-1)-(Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение)(Гипергеометрическое уравнение+k-1)k+(Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение)(Гипергеометрическое уравнение-1)(Гипергеометрическое уравнение+k-1)-

(Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение)(Гипергеометрическое уравнение+k-1)(Гипергеометрическое уравнение-1)}zk=0.


Кроме распространенных рекуррентных соотношений существуют аналогичные соотношения, связывающие гипергеометрическую функцию вида F(Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение,z) с какой – либо парой родственных функций вида F(Гипергеометрическое уравнение+1, Гипергеометрическое уравнение+m, Гипергеометрическое уравнение+n,z), где l,m,n – произвольные целые числа.

Простейшими рекуррентными соотношениями этого типа являются


F(Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение,z)-F(Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение-1,z)= Гипергеометрическое уравнение F(Гипергеометрическое уравнение+1, Гипергеометрическое уравнение+1, Гипергеометрическое уравнение+1,z) (2.12)

F(Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение+1, Гипергеометрическое уравнение,z)- F(Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение,z)= Гипергеометрическое уравнение F(Гипергеометрическое уравнение+1, Гипергеометрическое уравнение+1, Гипергеометрическое уравнение+1,z) (2.13)

F(Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение+1, Гипергеометрическое уравнение+1,z)- F(Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение,z)= Гипергеометрическое уравнение F(Гипергеометрическое уравнение+1, Гипергеометрическое уравнение+1, Гипергеометрическое уравнение+2,z) (2.14)

F(Гипергеометрическое уравнение-1, Гипергеометрическое уравнение+1, Гипергеометрическое уравнение,z)- F(Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение,z)= Гипергеометрическое уравнение F(Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение+1, Гипергеометрическое уравнение+1,z) (2.15)


К данному классу относятся также равенство (1.6)

Формулы (2.12) и (2.15) доказываются подстановкой в них ряда (1.1) или выводятся на основе уже известных рекуррентных соотношений для смежных функций.


1.3 Гипергеометрическое уравнение


Заметим, что гипергеометрическая функция u= F(Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение,z) является интегралом линейного дифференциального уравнения


z(1-z) Гипергеометрическое уравнение+[ Гипергеометрическое уравнение-(Гипергеометрическое уравнение+Гипергеометрическое уравнение+1)] Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнениеu=0 (2.16)


регулярным в окрестности точки z=0.

Уравнение (2.16) называется гипергеометрическим и включает, как частные случаи, многие дифференциальные уравнения, встречающихся в приложениях.

Если привести это уравнение к стандартной форме, разделив его на коэффициент при второй производной, то коэффициенты полученного уравнения будут регулярными функциями переменного z в области 0<Гипергеометрическое уравнение<1 <1, имеющимися при z=0 полюс первого порядка или обыкновенную точку, в зависимости от значений параметров Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение.

Из общей теории линейных дифференциальных уравнений следует, что в таком случае рассматриваемое уравнение должно иметь частное решение вида


u=zsГипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение zk (2.17)


где s – надлежащее выбранное число, Гипергеометрическое уравнение 0, степенной ряд сходится при Гипергеометрическое уравнение<1


u=Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение zk+s

Гипергеометрическое уравнение=Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение (k+s)zk+s-1

Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение=Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение(k+s)(k+s-1)zk+s-2


Подставляя (2.17) в уравнение (2.16) находим


z(1-z) Гипергеометрическое уравнение(Гипергеометрическое уравнение zk+sГипергеометрическое уравнение+[ Гипергеометрическое уравнение-(Гипергеометрическое уравнение+Гипергеометрическое уравнение+1)z] Гипергеометрическое уравнение(Гипергеометрическое уравнение zk+sГипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение zk+s=0,

z(1-z)Гипергеометрическое уравнение(Гипергеометрическое уравнениеzk+s-1(k+s)(k+s-1))+[Гипергеометрическое уравнение-(Гипергеометрическое уравнение+Гипергеометрическое уравнение+1)z]Гипергеометрическое уравнение(Гипергеометрическое уравнениеzk+s-1(k+s))-Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение

zk+s=

=Гипергеометрическое уравнение(Гипергеометрическое уравнениеzk+s-1(k+s)(k+s-1))-Гипергеометрическое уравнение(Гипергеометрическое уравнениеzk+s(k+s)(k+s-1))+Гипергеометрическое уравнение(Гипергеометрическое уравнениеzk+s-1Гипергеометрическое уравнение(k+s))-

-Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение zk+s(Гипергеометрическое уравнение+Гипергеометрическое уравнение+1)(k+s))- Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение zk+sГипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение=

=Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение zk+s-1(k+s)(k+s-1+Гипергеометрическое уравнение)-Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение zk+s(s+k+Гипергеометрическое уравнение)(s+k+Гипергеометрическое уравнение)=0,


откуда для определения показателя s и Гипергеометрическое уравнение получается система уравнений


Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнениеs(s-1-)=0,

Гипергеометрическое уравнение(s+k)(s+k-1+Гипергеометрическое уравнение) - Гипергеометрическое уравнение(s+k-1+Гипергеометрическое уравнение)(s+k-1+Гипергеометрическое уравнение)=0,

k=1,2,…,


первое из которых дает s=0 или s=1-Гипергеометрическое уравнение

Предположим, что Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение0,-1,-2,… и выберем s=0

Тогда для вычисления коэффициентов Гипергеометрическое уравнение получим реккурентное соотношение


Гипергеометрическое уравнение=Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение k=1,2,…,


откуда, если принять Гипергеометрическое уравнение=1, следует


Гипергеометрическое уравнение=Гипергеометрическое уравнение k=0,1,2,…,


где для сокращения записи введено обозначение


Гипергеометрическое уравнение=Гипергеометрическое уравнение(Гипергеометрическое уравнение+1)…( Гипергеометрическое уравнение+k-1),

Гипергеометрическое уравнение=1, k=1,2,…,


Таким образом первое частное решение уравнения (2.16) при Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение0,-1,-2,… будет


u=Гипергеометрическое уравнение= F(Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение,z)= Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнениеzk, Гипергеометрическое уравнение<1 (2.18)


Аналогично, выбирая s=1-Гипергеометрическое уравнение получаем в предположении, что Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение2,3,4,…


Гипергеометрическое уравнение=Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение k=1,2,…,


откуда, если взять Гипергеометрическое уравнение=1 находим


Гипергеометрическое уравнение=Гипергеометрическое уравнение

k=0,1,2,…,

Таким образом, при Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение2,3,4,… уравнение (2.16) имеет второе частное решение


u=Гипергеометрическое уравнение= Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение=Гипергеометрическое уравнениеF(1-Гипергеометрическое уравнение+Гипергеометрическое уравнение,1-Гипергеометрическое уравнение+Гипергеометрическое уравнение,2-Гипергеометрическое уравнение,z), (2.19)

Гипергеометрическое уравнение<1, Гипергеометрическое уравнение


Если Гипергеометрическое уравнение не является целым числом (Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение0,Гипергеометрическое уравнение1, Гипергеометрическое уравнение2,…), то оба решения (2.18-2.19) существуют одновременно и линейно независимы между собой, так, что общее решение уравнения (2.17) может быть представлено в форме


u=A F(Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение,z)+BГипергеометрическое уравнение F(1-Гипергеометрическое уравнение+Гипергеометрическое уравнение,1-Гипергеометрическое уравнение+ Гипергеометрическое уравнение,2- Гипергеометрическое уравнение,z), (2.20)


где А и В произвольные постоянные Гипергеометрическое уравнение<1, Гипергеометрическое уравнение


2. Представление различных функций через гипергеометрическую


Гипергеометрическая функция F(Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение,z) приводится к полиному, когда Гипергеометрическое уравнение=0,-1,-2,… или Гипергеометрическое уравнение=0,-1,-2. Например,


F(Гипергеометрическое уравнение, 0, Гипергеометрическое уравнение,z)= Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнениеzk=Гипергеометрическое уравнение=1,


так как


Гипергеометрическое уравнение=0(0+1)(0+2)…..(0+k-1)=0.

F(Гипергеометрическое уравнение, -2, Гипергеометрическое уравнение,z)= Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнениеzk=Гипергеометрическое уравнение z0+Гипергеометрическое уравнениеz+Гипергеометрическое уравнение z2 =

=1-2Гипергеометрическое уравнениеz+Гипергеометрическое уравнениеz2,


так как


Гипергеометрическое уравнение=1, Гипергеометрическое уравнение=-2,

Гипергеометрическое уравнение=(-2)(-1)=2, Гипергеометрическое уравнение=(-2)(-1)0=0, Гипергеометрическое уравнение=(-2)(-1)01=0


и так далее.

Преобразование


F(Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение,z)=(1-zГипергеометрическое уравнение F(Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение,Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение,z)

Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение=0Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение=Гипергеометрическое уравнение


показывает, что гипергеометрическая функция при Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение=0,-1,-2,… или Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение=0,-1,-2,… выражается через алгебраические функции. В частности,

F(Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение,z)= (1-zГипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение (3.1)


Придавая параметрам Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение специальные значения, находим


(1-z)v= F(-v, 1, 1,z)

(1-zГипергеометрическое уравнение= F(Гипергеометрическое уравнение, 1, 1,z) (3.2)

(1-z)n= F(-n, Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение,z)

n=0,1,2,…


Чтобы получить представление логарифмической функции, воспользуемся разложением


ln(1-z)= - Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение=-zГипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение Гипергеометрическое уравнение<1


откуда следует


ln(1-z)=-zF(1,1,2,z) Гипергеометрическое уравнение. (3.3)


Аналогичным образом выводятся формулы для обратных круговых функций:


arctg z=zF(Гипергеометрическое уравнение,1, Гипергеометрическое уравнение,-z2) Гипергеометрическое уравнение (3.4)

arcsin z=zF(Гипергеометрическое уравнение,Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение,z2) Гипергеометрическое уравнение

arctg z=Гипергеометрическое уравнение(-1)kГипергеометрическое уравнение=zГипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение=zГипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение=

=zГипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение=z Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение=zГипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение=zF(Гипергеометрическое уравнение,1, Гипергеометрическое уравнение,-

z2),


так как Гипергеометрическое уравнение=1*2*…*k=k!


arcsin z=z+Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение=z[1+Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение]=

=z[1+Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение]=z[1+Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение]=z[1+Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение] =

=z[1+Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение]=z[1+Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение= zF(Гипергеометрическое уравнение,Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение,z2).


3. Вырожденная гипергеометрическая функция


Наряду с гипергеометрической функцией F(Гипергеометрическое уравнение,Гипергеометрическое уравнение,Гипергеометрическое уравнение,z), важную роль в теории специальных функций играет так называемая вырожденная гипергеометрическая функция F(Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение,z).

Чтобы определить эту функцию, заметим, что степенной ряд


Гипергеометрическое уравнение,


где z – комплексное переменное, Гипергеометрическое уравнениеи Гипергеометрическое уравнение- параметры, которые могут принимать любые вещественные или комплексные значения, исключая Гипергеометрическое уравнение=0,-1,-2,… и символ Гипергеометрическое уравнение обозначает величину


Гипергеометрическое уравнение=Гипергеометрическое уравнение Гипергеометрическое уравнение=1


сходится при любых конечных z.

Так как, если обозначить через Гипергеометрическое уравнение общий член ряда, то


Гипергеометрическое уравнение=Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение0, когда kГипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение.


Вырожденная гипергеометрическая функция F(Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение,z) определяется как сумма рассматриваемого ряда


F(Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение,z)= Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение0,-1,-2,…, Гипергеометрическое уравнение<Гипергеометрическое уравнение (4.1)

Из данного определения вытекает, что F(Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение,z) функция комплексного переменного z.

Если положить


f(Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение,z)= Гипергеометрическое уравнение F(Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение,z)= Гипергеометрическое уравнение, (4.2)


то f(Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение,z) при фиксированном z будет целой функцией от Гипергеометрическое уравнение и Гипергеометрическое уравнение. Действительно, члены ряда (6.2) являются целыми функциями этих переменных, и ряд сходится равномерно в области Гипергеометрическое уравнение<A, Гипергеометрическое уравнение<C.

Полагая Гипергеометрическое уравнение, имеем для достаточно больших k


Гипергеометрическое уравнение=Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение


Отсюда следует, что при заданном z функция F(Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение,z)

представляет целую функцию Гипергеометрическое уравнение и мероморфную функцию Гипергеометрическое уравнение с простыми полюсами в точках Гипергеометрическое уравнение=0,-1,-2,…

Функция F(Гипергеометрическое уравнение,Гипергеометрическое уравнение,z) весьма часто встречается в анализе, причем главное ее значение состоит в том, что многие специальные функции могут рассматриваться как ее частные случаи, что в значительной мере облегчает построение теории этих функций и придает ей общий и компактный характер.

Связь функции F(Гипергеометрическое уравнение,Гипергеометрическое уравнение,z) с гипергеометрической функцией дается соотношением


Гипергеометрическое уравнениеF(Гипергеометрическое уравнение,Гипергеометрическое уравнение,z)=lim F(Гипергеометрическое уравнение,Гипергеометрическое уравнение,Гипергеометрическое уравнение,Гипергеометрическое уравнение). (4.3)

Из определения вырожденной гипергеометрической функции непосредственно вытекают равенства


Гипергеометрическое уравнение F(Гипергеометрическое уравнение,Гипергеометрическое уравнение,z)= Гипергеометрическое уравнение F(Гипергеометрическое уравнение+1,Гипергеометрическое уравнение+1,z) (4.4)

Гипергеометрическое уравнение F(Гипергеометрическое уравнение,Гипергеометрическое уравнение,z)= Гипергеометрическое уравнение F(Гипергеометрическое уравнение+m,Гипергеометрическое уравнение+m,z) m=1,2,... (4.5)


и рекуррентные соотношения


(Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение-1)F+Гипергеометрическое уравнениеF (Гипергеометрическое уравнение+1)-(Гипергеометрическое уравнение-1)F(Гипергеометрическое уравнение-1)=0 (4.6)

Гипергеометрическое уравнениеF-Гипергеометрическое уравнениеF(Гипергеометрическое уравнение -1)-zF(Гипергеометрическое уравнение+1)=0 (4.7)

(Гипергеометрическое уравнение-1+z)F+(Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение)F(Гипергеометрическое уравнение-1)-( Гипергеометрическое уравнение-1)F(Гипергеометрическое уравнение-1)=0 (4.8)

Гипергеометрическое уравнение(Гипергеометрическое уравнение+z)F-Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнениеF(Гипергеометрическое уравнение+1)-( Гипергеометрическое уравнение- Гипергеометрическое уравнение)zF(Гипергеометрическое уравнение+1)=0 (4.9)

(Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение)F(Гипергеометрическое уравнение-1)+(2Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение+z)F-Гипергеометрическое уравнениеF(Гипергеометрическое уравнение+1)=0 (4.10)

Гипергеометрическое уравнение(Гипергеометрическое уравнение-1)F(Гипергеометрическое уравнение-1)- Гипергеометрическое уравнение(Гипергеометрическое уравнение-1+z)F+(Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение)zF(Гипергеометрическое уравнение+1)=0 (4.11)


связывающие функцию FГипергеометрическое уравнение F(Гипергеометрическое уравнение,Гипергеометрическое уравнение,z) с двумя любыми смежными функциями


F(Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение1) Гипергеометрическое уравнение F(Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение1,Гипергеометрическое уравнение,z) и F(Гипергеометрическое уравнение Гипергеометрическое уравнение1) Гипергеометрическое уравнение F(Гипергеометрическое уравнение,Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение1,z)


Формулы (4.6) и (4.7) доказываются путем подстановки ряда (4.1) остальные рекуррентные соотношения получаются из них в результате простых алгебраических операций.


(Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение-1)F+Гипергеометрическое уравнениеF (Гипергеометрическое уравнение+1)-(Гипергеометрическое уравнение-1)F(Гипергеометрическое уравнение-1)=

=Гипергеометрическое уравнение{(Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение-1) Гипергеометрическое уравнение+Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение -(Гипергеометрическое уравнение-1) Гипергеометрическое уравнение}zk=

=Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение{Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение-1+Гипергеометрическое уравнение(Гипергеометрическое уравнение+k)- Гипергеометрическое уравнение(Гипергеометрическое уравнение+k-1)} zk=

= Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение{Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение-1+Гипергеометрическое уравнение+k- Гипергеометрическое уравнение-k+1)} zk=0

Гипергеометрическое уравнениеF-Гипергеометрическое уравнениеF(Гипергеометрическое уравнение -1)-zF(Гипергеометрическое уравнение+1)=

=Гипергеометрическое уравнение{Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение} zk=

=Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение{Гипергеометрическое уравнение(Гипергеометрическое уравнение+k-1)-Гипергеометрическое уравнение( Гипергеометрическое уравнение-1)-kГипергеометрическое уравнение} zk=

= Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение{Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение+Гипергеометрическое уравнениеk-Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение-kГипергеометрическое уравнение} zk=0.


Повторное применение рекуррентных формул приводит к линейным соотношениям, связывающим функцию F(Гипергеометрическое уравнение,Гипергеометрическое уравнение,z) с родственными функциями F(Гипергеометрическое уравнение+m,Гипергеометрическое уравнение+n,z), где m,n- заданные целые числа. Примерами подобных соотношений могут служить равенства:


F(Гипергеометрическое уравнение,Гипергеометрическое уравнение,z) = F(Гипергеометрическое уравнение+1,Гипергеометрическое уравнение,z)- Гипергеометрическое уравнениеF(Гипергеометрическое уравнение+1,Гипергеометрическое уравнение+1,z) (4.12)

F(Гипергеометрическое уравнение,Гипергеометрическое уравнение,z)= Гипергеометрическое уравнениеF(Гипергеометрическое уравнение,Гипергеометрическое уравнение+1,z) + Гипергеометрическое уравнениеF(Гипергеометрическое уравнение+1,Гипергеометрическое уравнение+1,z) (4.13)


4. Дифференциальное уравнение для вырожденной гипергеометрической функции. Вырожденная гипергеометрическая функция второго рода


Покажем, что вырожденная гипергеометрическая функция является частным решением дифференциального уравнения


z Гипергеометрическое уравнение+(Гипергеометрическое уравнение-z) Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение u=0, (5.1)

где Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение0,-1,-2,…

u= F(Гипергеометрическое уравнение,Гипергеометрическое уравнение,z)=Гипергеометрическое уравнение Гипергеометрическое уравнение zk

Гипергеометрическое уравнение=Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнениеzk-1

Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение=Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнениеzk-2


Действительно, обозначая левую часть уравнения l(u) и пологая u= Гипергеометрическое уравнение= F(Гипергеометрическое уравнение,Гипергеометрическое уравнение,z), имеем


l(Гипергеометрическое уравнение) = Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнениеzk-2+(Гипергеометрическое уравнение-z) Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнениеzk-1-Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение Гипергеометрическое уравнение zk=

=[Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение]+Гипергеометрическое уравнение Гипергеометрическое уравнение[kГипергеометрическое уравнение+Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение-k-Гипергеометрическое уравнение]Гипергеометрическое уравнение0.


Чтобы получить второе линейное независимое решение рассматриваемого уравнения, предположим, что Гипергеометрическое уравнение, и выполним подстановку Гипергеометрическое уравнение .

Уравнение (5.1) преобразуется тогда в уравнение того же вида


z Гипергеометрическое уравнение+(Гипергеометрическое уравнение-z) Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение=0


с новыми значениями параметров Гипергеометрическое уравнение=1+Гипергеометрическое уравнение, Гипергеометрическое уравнение=2-Гипергеометрическое уравнение. Отсюда следует, что при Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение2,3,… функция также является решением уравнения (5.1).

Если Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение0, Гипергеометрическое уравнение1, Гипергеометрическое уравнение2,… оба решение (Гипергеометрическое уравнение) имеют смысл и линейно независимы между собой, поэтому общий интеграл уравнения (5.1) может быть представлен в виде


u= F(Гипергеометрическое уравнение,Гипергеометрическое уравнение,z)+BГипергеометрическое уравнение F(1+Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение,2-Гипергеометрическое уравнение,z) (при Гипергеометрическое уравнение=1 u= Гипергеометрическое уравнение) (5.2)

Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение0, Гипергеометрическое уравнение1, Гипергеометрическое уравнение2,… Гипергеометрическое уравнение


Чтобы получить выражение общего интеграла в форме, пригодной для любых значений (кроме Гипергеометрическое уравнение=0,-1,-2,…), удобнл ввести вырожденную гипергеометрическую функцию второго рода


GГипергеометрическое уравнение,Гипергеометрическое уравнение,z)=Гипергеометрическое уравнение F(Гипергеометрическое уравнение,Гипергеометрическое уравнение,z)+ Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение F(1+Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение,2-Гипергеометрическое уравнение,z) (5.3)

Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение0, Гипергеометрическое уравнение1, Гипергеометрическое уравнение2,… Гипергеометрическое уравнение


Формула (5.3) определяет функцию GГипергеометрическое уравнение,Гипергеометрическое уравнение,z) для любых Гипергеометрическое уравнение, отличных от целого числа. Покажем, что при Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнениеn+1 (n=0,1,2,…) правая часть (5.3) стремиться к определенному пределу. Для доказательства заменим гипергеометрические функции соответствующими рядами и воспользуемся соотношением теории Г-функции. Тогда получим (5.4)


GГипергеометрическое уравнение,Гипергеометрическое уравнение,z)=Гипергеометрическое уравнение [Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение]=

=Гипергеометрическое уравнение(Гипергеометрическое уравнение)

Мы имеем


Гипергеометрическое уравнение =Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение=Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение

n=0,1,2,… Гипергеометрическое уравнение

Гипергеометрическое уравнение=Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение=Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение=

=Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение,


поэтому выражение в правой части (5.4) при Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнениеn+1 принимает неопределенный вид и стремится к пределу, значение которого может быть найдено по правилу Лопиталя. В соответствии с этим результатом положим


G(Гипергеометрическое уравнение,Гипергеометрическое уравнение,z)= Гипергеометрическое уравнение GГипергеометрическое уравнение,Гипергеометрическое уравнение,z)= (-1)n+1[Гипергеометрическое уравнение] (5.5)

n=0,1,2,… Гипергеометрическое уравнение


Выполнив вычисления, находим:


Гипергеометрическое уравнение=Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение[Гипергеометрическое уравнение],

Гипергеометрическое уравнение=Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение[Гипергеометрическое уравнение]+

+Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение,


откуда для G(Гипергеометрическое уравнение,n+1,z) получается явное выражение в форме ряда (5.6)


G(Гипергеометрическое уравнение,n+1,z)= Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение[Гипергеометрическое уравнение]+

+Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение ,

n=0,1,2,… , Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение 0,-1,-2,… , Гипергеометрическое уравнение


Здесь Гипергеометрическое уравнение- логарифмическая производная Г-функция, и для случая n=0 пустая сумма Гипергеометрическое уравнениепринимается равной 0.

Если Гипергеометрическое уравнение=-m (m=0,1,2,…), то предельный переход Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнениеn+1 (n=0,1,2…) в формуле (5.3) приводит к выражению


G(-m,n+1,z)= Гипергеометрическое уравнение F(-m,n+1,z), (5.7)

m=0,1,2,… , n=0,1,2,…


Из (5.3) непосредственно следует, что вырожденная гипергеометрическая функция второго рода удовлетворяет функциональному соотношению


G(Гипергеометрическое уравнение,Гипергеометрическое уравнение,z)= Гипергеометрическое уравнениеG(Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение+1,2-Гипергеометрическое уравнение,z), Гипергеометрическое уравнение (5.8)


На основании этой формулы можно определить функцию G(Гипергеометрическое уравнение,Гипергеометрическое уравнение,z) при Гипергеометрическое уравнение, равному нулю или целому отрицательному числу, при помощи равенства


G(Гипергеометрическое уравнение,1-n,z)= Гипергеометрическое уравнение G(Гипергеометрическое уравнение,Гипергеометрическое уравнение,z)= zn G(Гипергеометрическое уравнение+n,n+1,z) (5.9)

n=1,2,… , Гипергеометрическое уравнение

Таким образом, функция имеет смысл при любых значениях ее параметров. Из донного определения вытекает, что G(Гипергеометрическое уравнение,Гипергеометрическое уравнение,z) регулярная функция от z в плоскости с разрезом (-Гипергеометрическое уравнение,0) и целая функция Гипергеометрическое уравнение и Гипергеометрическое уравнение.

Покажем, что функция G(Гипергеометрическое уравнение,Гипергеометрическое уравнение,z) является решением дифференциального уравнения (5.1).

При Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение0, Гипергеометрическое уравнение1, Гипергеометрическое уравнение2,… доказательство следует непосредственно из (5.3). Для целых Гипергеометрическое уравнение требуемый результат может быть обоснован путем применения принципа аналитического продолжения.

Если Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение0, Гипергеометрическое уравнение1, Гипергеометрическое уравнение2,… интегралы F(Гипергеометрическое уравнение,Гипергеометрическое уравнение,z) и G(Гипергеометрическое уравнение,Гипергеометрическое уравнение,z) линейно независимы между собой, в чем легко убедиться, составив вронскиан этой пары решений.

Из (5.1) следует W{F,G}=CГипергеометрическое уравнениеez. Сравнивая обе части этого равенства при zГипергеометрическое уравнение0, находим C=Гипергеометрическое уравнение.


W{ F(Гипергеометрическое уравнение,Гипергеометрическое уравнение,z),G(Гипергеометрическое уравнение,Гипергеометрическое уравнение,z)}= - Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнениеez. (5.10)

Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение0, -1, -2,… , Гипергеометрическое уравнение


Общий интеграл уравнения (7.1) в этом случае может быть представлен в форме


u = AF(Гипергеометрическое уравнение,Гипергеометрическое уравнение,z)+BG(Гипергеометрическое уравнение,Гипергеометрическое уравнение,z), (5.11)

Гипергеометрическое уравнение,Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение0, -1, -2,… , Гипергеометрическое уравнение


Функция G(Гипергеометрическое уравнение,Гипергеометрическое уравнение,z) обладает рядом свойств, аналогичных свойствам функции F(Гипергеометрическое уравнение,Гипергеометрическое уравнение,z). Так, например, имеют место формулы дифференцирования:

Гипергеометрическое уравнение G(Гипергеометрическое уравнение,Гипергеометрическое уравнение,z)= - Гипергеометрическое уравнениеG(Гипергеометрическое уравнение+1,Гипергеометрическое уравнение+1,z)

Гипергеометрическое уравнение G(Гипергеометрическое уравнение,Гипергеометрическое уравнение,z)= (-1)mГипергеометрическое уравнениеG(Гипергеометрическое уравнение+m,Гипергеометрическое уравнение+m,z) (5.12)

m=1,2,...


рекуррентные соотношения:


G-Гипергеометрическое уравнениеG(Гипергеометрическое уравнение+1)-G(Гипергеометрическое уравнение-1)=0, (5.13)

(Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение)G+G(Гипергеометрическое уравнение-1) -zG(Гипергеометрическое уравнение+1)=0, (5.14)

(Гипергеометрическое уравнение-1+z)G - G(Гипергеометрическое уравнение-1)+( Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение+1)G(Гипергеометрическое уравнение-1)=0, (5.15)

(Гипергеометрическое уравнение+z)G+Гипергеометрическое уравнение(Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение-1)G(Гипергеометрическое уравнение+1)-zG(Гипергеометрическое уравнение+1)=0, (5.16)

G(Гипергеометрическое уравнение-1)+(2Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение+z)G + Гипергеометрическое уравнение( Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение+1)G(Гипергеометрическое уравнение+1)=0, (5.17)

(Гипергеометрическое уравнение-Гипергеометрическое уравнение-1)G(Гипергеометрическое уравнение-1)- (Гипергеометрическое уравнение-1+z)G + zG(Гипергеометрическое уравнение+1)=0, (5.18)

GГипергеометрическое уравнениеG(Гипергеометрическое уравнение,Гипергеометрическое уравнение,z), G(Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение1) Гипергеометрическое уравнение G(Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение1,Гипергеометрическое уравнение,z), G(Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение1) Гипергеометрическое уравнение G(Гипергеометрическое уравнение,Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение1,z)


и так далее.

Справедливость этих формул вытекает из определения функции G и соответствующих свойств функции F.


5. Представление различных функций через вырожденные гипергеометрические функции


Как уже отмечалось, многие элементарные и специальные функции, встречающиеся в анализе, могут быть вырождены через функцию F(Гипергеометрическое уравнение,Гипергеометрическое уравнение,z).

Мы имеем, например,


1) F(Гипергеометрическое уравнение,Гипергеометрическое уравнение,z)= Гипергеометрическое уравнение=Гипергеометрическое уравнение


так как


Гипергеометрическое уравнение

F(1,2,z)= Гипергеометрическое уравнение=Гипергеометрическое уравнение ,


так как


Гипергеометрическое уравнениеГипергеометрическое уравнение

3) F(-2,1,z)= Гипергеометрическое уравнение


и так далее.


Литература


Балк М.Б. Математический анализ: теория аналитических функций.

Гурвиц А.И., Курант. Теория функций.

Евграфов Н.А. Аналитические функции.

Лебедев И.И. Специальные функции и их приложения.

Маркушевич. Введение в теорию аналитических функций.

Смирнов В.И. Курс высшей математики том 3,4.

Уиттекер, Ватсон. Курс современного анализа том 1,2

Фихтенгольд. Курс дифференциального и интегрального исчисления.

Фильчаков. Справочник по высшей математике.

Рефетека ру refoteka@gmail.com