Legendre polinomok

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2021. december 29-én felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzéshez 1 szerkesztés szükséges .
Legendre polinomok
Általános információ
Képlet
Skaláris szorzat
Tartomány
további jellemzők
Differenciálegyenlet
Norma
Valaki után elnevezve Legendre, Adrien Marie

A Legendre -polinom  az a polinom , amely a legkevésbé tér el a nullától az átlagnégyzet értelmében . Egy térbeli szakaszon ortogonális polinomrendszert alkot . Legendre polinomokat kaphatunk polinomokból Gram–Schmidt ortogonalizációval .

Adrien Marie Legendre francia matematikusról nevezték el .

Definíció

Legendre polinomok és a hozzájuk tartozó első és második típusú Legendre függvények

Tekintsük az alak differenciálegyenletét

(egy)

ahol  egy komplex változó . Ennek az egyenletnek az egész számokra vonatkozó megoldásai polinomok , úgynevezett Legendre-polinomok . A Legendre fokszámú polinom a Rodrigues-formulán keresztül a következő formában ábrázolható : [1]

Gyakran ehelyett koszinusz polárszöget írunk :

Az ( 1 ) egyenlet a hipergeometriai egyenlet egy speciális esetéből , az úgynevezett Legendre egyenletből nyerhető

(2)

ahol ,  tetszőleges összetett állandók. Érdekesek azok a megoldásai, amelyek egyértékűek és szabályosak (különösen valós esetén ), vagy ha a szám valós része nagyobb egynél. Megoldásait társított Legendre-függvényeknek vagy gömbfüggvényeknek (harmonikusoknak) nevezik . A ( 2 ) -beli alak behelyettesítése a Gauss-egyenletet adja , melynek megoldása a tartományban a következő alakot veszi fel

hol  van a hipergeometrikus függvény . A ( 2 ) behelyettesítés a forma megoldásához vezet

-n van meghatározva . A és függvényeket első és második típusú Legendre függvényeknek nevezzük . [2]

A következő összefüggések érvényesek [3]

és

Kifejezés összegekben

A Legendre polinomokat a következő képlet is definiálja:

Ismétlődő képlet

Kiszámíthatók a rekurzív képlettel is (for ) [4] :

(3)

és az első két függvénynek az a formája

A Legendre-polinom származéka

A következő képlettel számítva: [5]

(négy)

A Legendre-polinom gyökerei

A Newton-módszerrel iteratív módon számítva [5] :

és a -edik gyök ( ) kezdeti közelítését az [5] képlet szerint vesszük .

Egy polinom értéke egy adott x érték rekurzív képletével számítható ki . A derivált egy adott x értékre is kiszámítható a derivált képlet segítségével .

Képletek bővítéssel

A Legendre-polinomokat a következő kiterjesztések is meghatározzák:

  számára     számára  

Következésképpen,

Kapcsolódó Legendre polinomok

A kapcsolódó Legendre-polinomokat a képlet határozza meg

amely úgy is ábrázolható

A függvény ugyanaz, mint a .

Normalizálás Schmidt-szabály szerint

A Schmidt-szabály szerint normalizált Legendre-polinomok így néznek ki [6] :

Shifted Legendre polinomok

Az eltolt Legendre-polinomok a következőképpen vannak definiálva: , ahol az eltolási függvény (ez egy affin transzformáció ) úgy van kiválasztva, hogy a polinomok ortogonalitási intervallumát egyedileg képezze le arra az intervallumra , amelyben az eltolt polinomok már ortogonálisak :

Az eltolt Legendre-polinomok explicit kifejezését a következőképpen adjuk meg

Az eltolt Legendre-polinomok Rodrigues-képletének analógja

Kifejezések néhány első eltolt Legendre-polinomhoz:

n
0
egy
2
3
négy

Legendre polinomiális függvénymátrix

Ez a mátrix felső háromszög alakú . Determinánsa nulla, sajátértékei pedig , ahol .

Példák

Az első Legendre-polinomok explicit formában:

Azóta _

Tulajdonságok

  • Ha , akkor
  • Mert a diploma .
  • A Legendre-polinom együtthatóinak összege 1.
  • Az egyenletnek pontosan különböző gyökerei vannak a szakaszon
  • Hadd . Akkor
  • A kapcsolódó Legendre-polinomok a differenciálegyenlet megoldásai
Az egyenlet alakját veszi fel hol  van a Kronecker szimbólum .
  • Mert a norma az
  • A normalizált Legendre-polinomfüggvény a következő összefüggéssel kapcsolódik a normához:
  • Mindegyikhez a kapcsolódó Legendre-függvények rendszere teljes a .
  • A és függvénytől függően a kapcsolódó Legendre-polinomok páros vagy páratlan függvények lehetnek:  páros függvény,  egy páratlan függvény.
  • , óta , és .
  • Mert végrehajtják .

Legendre polinomok sorozata

Egy Lipschitz-függvény kiterjesztése Legendre-polinomok sorozatára

A Lipschitz-függvény a tulajdonság függvénye

, hol .

Ez a függvény a Legendre-polinomok sorozatává bővül.

Legyen  a folytonos leképezések tere a , , és szakaszon .

Hadd

akkor megfelel a következő feltételnek:

Engedje meg és teljesítse a következő feltételeket:

  1. , ahol

A Lipschitz függvény a következőképpen írható fel:

Holomorf függvény dekompozíciója

Az ellipszisben –1 és +1 fókuszú holomorf bármely függvény ábrázolható sorozatként:

Összeadás tétel

A , , feltételeket kielégítő  mennyiségekre valós szám , felírhatjuk az összeadási tételt az első típusú Legendre-polinomokra: [7]

vagy a gamma függvényen keresztül :

A második típusú Legendre-polinomok esetében az összeadási tétel így néz ki [8]

feltételek mellett , , , .

Legendre függvények

A Legendre-polinomok (a kapcsolódó Legendre-függvényekkel együtt ) természetesen előfordulnak a potenciálelméletben .

A gömbfüggvények olyan ( gömbi koordinátákban kifejezett) függvények, amelyek alakja (egy állandóig)

és

hol  vannak a kapcsolódó Legendre-polinomok. Képviselhetők úgy is , mint , ahol  gömbfüggvények .

A gömbfüggvények mindenhol kielégítik a Laplace-egyenletet .

Jegyzetek

  1. Gradstein, Ryzhik, 1963 , p. 1039.
  2. Bateman, Erdeyi, 1. kötet, 1973 , p. 126-127.
  3. Bateman, Erdeyi, 1. kötet, 1973 , p. 140.
  4. Zimring, 1988 , p. 196.
  5. 1 2 3 Zimring, 1988 , p. 197.
  6. John W. Eaton, David Bateman, Søren Hauberg, Rik Wehbring. GNU Octave . - 4. kiadás az Octave 4.4.1-es verziójához. - 2018. - S. 530-531.
  7. Gradstein, Ryzhik, 1963 , p. 1027.
  8. Gradstein, Ryzhik, 1963 , p. 1028.

Irodalom

  • Bateman G., Erdeyi A. Magasabb transzcendentális funkciók = Higher Transcendental Functions / Per. N. Ya. Vilenkina. - Szerk. 2.,. - M. : Nauka, 1973. - T. 1. - 296 p. - 14.000 példány.
  • Vladimirov V. S., Zharinov V. V. A matematikai fizika egyenletei. - M. : Fizmatlit, 2004. - ISBN 5-9221-0310-5 .
  • Gradshtein I. S., Ryzhik I. M. Integrálok, összegek, sorozatok és termékek táblázatai. - Szerk. 4., átdolgozva. - M . : Állami Fizikai és Matematikai Irodalmi Kiadó, 1963. - 19 000 példány.
  • Campe de Ferrier J., Campbell R., Petio G., Vogel T. A matematikai fizika függvényei. - M .: Fizmatlit, 1963.
  • Nikolsky S. M. Kvadratúra képletek. - M .: Nauka, 1988.
  • Zimring Sh. E. Speciális függvények és határozott integrálok. Algoritmusok. Programok számológépekhez: Kézikönyv. - M . : Rádió és kommunikáció, 1988.

Linkek