Курсовая Дослідження функцій гіпергеометричного рівняння
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-25Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.

Предоплата всего
от 25%

Подписываем
договор
Курсова робота з математики
«Дослідження функцій гіпергеометричного рівняння»
Введення
У зв'язку із широким розвитком чисельних методів і зростанням ролі чисельного експерименту у великому ступені підвищився інтерес до спеціальних функцій. Це пов'язане із двома обставинами. По-перше, при розробці математичної моделі фізичного явища для з'ясування відносної ролі окремих ефектів вихідну задачу часто доводиться спрощувати для того, щоб можна було одержати рішення в легко аналізованій аналітичній формі. По-друге, при рішенні складних задач на ЕОМ зручно використовувати спрощені задачі для вибору надійних і економічних обчислювальних алгоритмів. Дуже рідко при цьому можна обмежитися задачами, що приводять до елементарних функцій. Крім того, знання спеціальних функцій необхідно для розуміння багатьох важливих питань теоретичної й практичної фізики.
Найбільше часто вживаними функціями є так звані спеціальні функції математичної фізики: класичні ортогональні поліноми (поліноми Якоби, Лагерра, Ермита), циліндричні, сферичні й гіпергеометричні. Теорії цих функцій і їхніх додатків присвячений цілий ряд досліджень.
1. Гіпергеометричне рівняння
1.1 Визначення гіпергеометричного ряду
Гіпергеометричним рядом називається статечної ряд виду
де z – комплексна змінна,
Якщо
маємо
коли k
Сума ряду
F(
називається гіпергеометричною функцією.
Дане визначення гіпергеометричної функції придатне лише для значень z, що належать колу збіжності, однак надалі буде показано, що існує функція комплексного змінного z, регулярна в площині з розрізом (1,
Щоб виконати аналітичне продовження припустимо спочатку що R(
k=0,1,2,..
Підставляючи (1.2) в (1.1) знаходимо
F(
причому законність зміни порядку інтегрування й підсумовування випливає з абсолютної збіжності.
Дійсно, при R(
=
На підставі відомого біноминального розкладання
0
тому для F(
F(
R(
Покажемо, що інтеграл у правій частині останньої рівності зберігає зміст і представляє регулярну функцію комплексного змінного z у площині з розрізом (1,
Для z приналежні області
(М – верхня границя модуля функції (1-tz)-a, безперервної в замкнутій області
що показує, збіжність інтеграла буде при R(
Таким чином, умова
F(
R(
У загальному випадку, коли параметри мають довільні значення, аналітичне продовження F(
Більше елементарний метод продовження, що не дає, однак, можливість одержати в явній формі загальне аналітичне вираження гіпергеометричної функції, полягає у використанні рекурентного співвідношення (1.6)
справедливість якого може бути встановлена підстановкою в нього ряду (1.1). Після підстановки й приведення подібних членів коефіцієнт при zk у правій частині (1.6) буде
Шляхом повторного застосування цієї тотожності можна представити функцію F(
F(
де р – ціле позитивне число
Гіпергеометрична функція F(
Велика кількість спеціальних функцій може бути виражене через функцію F(
1.2 Елементарні властивості гіпергеометричної функції
У справжньому розділі ми розглянемо деякі властивості гіпергеометричної функції, які безпосередньо випливають із її визначення за допомогою ряду (1.1).
1. Беручи до уваги, що члени ряду не змінюються при перестановці параметрів
F(
2. Диференціюючи розглянутий ряд по членне, знаходимо
=
Таким чином,
3. Повторне застосування цієї формули приводить до рівностей
m=1,2,...
Покладемо надалі для скорочення запису
F(
F(
F(
F(
Функції F(
4. Ми покажемо, що F і будь-які дві суміжні функції зв'язані між собою рекурентним співвідношенням з коефіцієнтами, що є лінійними функціями змінного z. Як основні співвідношення цього типу можуть бути обрані рівності (2.4), (2.5), (2.6) відповідно.
(
(
Підставляючи ряд (1.1) в (2.4) маємо (2.4)
(
=(
=
=
(
тому що
z
=
Формули (2.5) і (2.6) доводяться аналогічним способом:
(
=
=
=
=
+(
З (2.4)-(2.6) і властивості симетрії (2.1) треба три інших рівності:
(
(
(
=
=
1)}zk=0,
(
=
=
=
=
(
Інші рекурентні співвідношення виходять із (2.4) - (2.9) шляхом виключення з відповідної пари формул загальної суміжної функції. Наприклад, комбінуючи (2.5) і (2.8) або (2.6) і (2.9) одержуємо
(
(
і так далі
(
=
=
(
=
=
(
Крім розповсюджених рекурентних співвідношень існують аналогічні співвідношення, що зв'язують гіпергеометричну функцію виду F(
Найпростішими рекурентними співвідношеннями цього типу є
F(
F(
F(
F(
До даного класу ставляться також рівність (1.6)
Формули (2.12) і (2.15) доводяться підстановкою в них ряду (1.1) або виводяться на основі вже відомих рекурентних співвідношень для суміжних функцій.
1.3 Гіпергеометричне рівняння
Помітимо, що гіпергеометрична функція u= F(
z(1-z)
регулярним в околиці крапки z=0.
Рівняння (2.16) називається гіпергеометричним і включає, як окремі випадки, багато диференціальних рівнянь, що зустрічаються в додатках.
Якщо привести це рівняння до стандартної форми, розділивши його на коефіцієнт при другій похідній, то коефіцієнти отриманого рівняння будуть регулярними функціями змінного z в області 0<
Із загальної теорії лінійних диференціальних рівнянь треба, що в такому випадку розглянуте рівняння повинне мати приватне рішення виду
u=zs
де s – належне обране число,
u=
Підставляючи (2.17) у рівняння (2.16) знаходимо
z(1-z)
z(1-z)
zk+s=
=
-
=
звідки для визначення показника s і
k=1,2,...,
перше з яких дає s=0 або s=1-
Припустимо, що
Тоді для обчислення коефіцієнтів
звідки, якщо прийняти
де для скорочення запису уведене позначення
У такий спосіб перше приватне рішення рівняння (2.16) при
u=
Аналогічно, вибираючи s=1-
звідки, якщо взяти
k=0,1,2,...,
Таким чином, при
u=
Якщо
u=A F(
де А и В довільні постійні
2. Подання різних функцій через гіпергеометричну
Гіпергеометрична функція F(
F(
тому що
F(
=1-2
тому що
і так далі.
Перетворення
F(
показує, що гіпергеометрична функція при
F(
Надаючи параметрам
(1-z)v= F(-v, 1, 1,z)
(1-z
(1-z)n= F(-n,
n=0,1,2,...
Щоб одержати подання логарифмічної функції, скористаємося розкладанням
ln(1-z)= -
звідки треба
ln(1-z)=-zF(1,1,2,z)
Аналогічним образом виводяться формули для зворотних кругових функцій:
arctg z=zF(
arcsin z=zF(
arctg z=
=z
тому що
arcsinz=z+
=z[1+
=z[1+
3. Вироджена гіпергеометрична функція
Поряд з гіпергеометричною функцією F(
Щоб визначити цю функцію, помітимо, що статечної ряд
де z – комплексне змінне,
сходиться при будь-яких кінцевих z.
Тому що, якщо позначити через
Вироджена гіпергеометрична функція F(
F(
З даного визначення випливає, що F(
Якщо покласти
f(
те f(
Думаючи
Звідси треба, що при заданому z функція F(
представляє цілую функцію
Функція F(
Зв'язок функції F(
З визначення виродженої гіпергеометричної функції безпосередньо випливають рівності
і рекурентні співвідношення
(
(
(
єднальну функцію F
F(
Формули (4.6) і (4.7) доводяться шляхом підстановки ряду (4.1) інші рекурентні співвідношення виходять із них у результаті простих алгебраїчних операцій.
(
=
=
=
=
=
=
Повторне застосування рекурентних формул приводить до лінійних співвідношень, що зв'язують функцію F(
F(
F(
4. Диференціальне рівняння для виродженої гіпергеометричної функції. Вироджена гіпергеометрична функція другого роду
Покажемо, що вироджена гіпергеометрична функція є приватним рішенням диференціального рівняння
z
де
u=F(
Дійсно, позначаючи ліву частину рівняння l(u) і полога u=
l(
=[
Щоб одержати друге лінійне незалежне рішення розглянутого рівняння, припустимо, що
Рівняння (5.1) перетвориться тоді в рівняння того ж виду
z
с новими значеннями параметрів
Якщо
u= F(
Щоб одержати вираження загального інтеграла у формі, придатної для будь-яких значень (крім
G
Формула (5.3) визначає функцію G
G
=
Ми маємо
n=0,1,2,…
=
тому вираження в правій частині (5.4) при
G(
n=0,1,2,…
Виконавши обчислення, знаходимо:
+
звідки для G(
G(
+
n=0,1,2,…,
Тут
Якщо
G(-m,n+1,z)=
m=0,1,2,... , n=0,1,2,...
З (5.3) безпосередньо треба, що Вироджена гіпергеометрична функція другого роду задовольняє функціональному співвідношенню
G(
,
,z)=
G(
-
+1,2-
,z),
(5.8)
На підставі цієї формули можна визначити функцію G(
,
,z) при
, рівному нулю або цілому негативному числу, за допомогою рівності
G(
,1-n,z)=
G(
,
,z)= zn G(
+n,n+1,z) (5.9)
n=1,2,…,
Таким чином, функція має сенс при будь-яких значеннях її параметрів. З донного визначення випливає, що G(
,
,z) регулярна функція від z у площині з розрізом (-
,0) і ціла функція
й
.
Покажемо, що функція G(
,
,z) є рішенням диференціального рівняння (5.1).
При
0,
1,
2,…доказ треба безпосередньо з (5.3). Для цілих
необхідний результат може бути обґрунтований шляхом застосування принципу аналітичного продовження.
Якщо
0,
1,
2,…інтеграли F(
,
,z) і G(
,
,z) лінійно незалежні між собою, у чому легко переконатися, склавши вронскиан цієї пари рішень.
З (5.1) треба W{F,G}=C
ez. Порівнюючи обидві частини цієї рівності при z
0, знаходимо
C=
W{ F(
,
,z),G(
,
,z)}= - 
ez (5.10)

0, -1, -2,…,
Загальний інтеграл рівняння (7.1) у цьому випадку може бути представлений у формі
u = AF(
,
,z)+BG(
,
,z) (5.11)
,
0, -1, -2,…,
Функція G(
,
,z) володіє рядом властивостей, аналогічних властивостям функції F(
,
,z). Так, наприклад, мають місце формули диференціювання:
G(
,
,z)= -
G(
+1,
+1,z)
G(
,
,z)= (-1)m
G(
+m,
+m,z) (5.12)
m=1,2,...
рекурентні співвідношення:
G-
G(
+1)-G(
-1)=0, (5.13)
(
-
)G+G(
-1) -zG(
+1)=0, (5.14)
(
-1+z)G - G(
-1)+(
-
+1)G(
-1)=0, (5.15)
(
+z)G+
(
-
-1)G(
+1)-zG(
+1)=0, (5.16)
G(
-1)+(2
-
+z)G +
(
-
+1)G(
+1)=0, (5.17)
(
-
-1)G(
-1)- (
-1+z)G + zG(
+1)=0, (5.18)
G
G(
,
,z), G(
1)
G(
1,
,z), G(
1)
G(
,
1,z)
і так далі.
Справедливість цих формул випливає з визначення функції G і відповідних властивостей функції F.
5. Подання різних функцій через вироджені гіпергеометричні функції
Як ми вже відзначали, багато елементарних і спеціальних функцій, що зустрічаються в аналізі, можуть бути вироджені через функцію F(
,
,z).
Ми маємо, наприклад,
1) F(
,
,z)=
=
тому що

F(1,2,z)=
=
,
тому що


3) F(-2,1,z)=
Висновок
Курсова робота присвячена дослідженню гіпергеометричних функцій. Можна зробити висновок:
Гіпергеометричні функції застосовуються в різних розділах математичного аналізу, зокрема, при рішенні диференціальних рівнянь і при розгляді інших спеціальних функцій.
За допомогою гіпергеометричних функцій виражаються не тільки сферичні, еліптичні, але й ряд інших, у тому числі й елементарні функції.
У роботі розглянуті визначення гіпергеометричного ряду й гіпергеометричної функції, доведені деякі елементарні властивості гіпергеометричної функції, функціональні й спеціальні функціональні співвідношення, подання різних функцій через гіпергеометричну, вироджену функція 1 і 2 роди, диференціальне рівняння для виродженої гіпергеометричної функції і його інтеграли, подання різних функцій через вироджені гіпергеометричні функції.
Література
1. Балк М.Б. Математичний аналіз: теорія аналітичних функцій. – К., 2000
2. Гурвиц А.І., Теорія функцій. – К., 2004
3. Евграфов М.О. Аналітичні функції. – К., 2003
4. Лебедєв І.І. Спеціальні функції і їхні додатки. – К., 2000
5. Маркушевич. М.М. Введення в теорію аналітичних функцій. – К., 1999
6. Смирнов В.И. Курс вищої математики тім 3,4. – К., 2005
7. Уиттекер І, Ватсон У. Курс сучасного аналізу тім 1,2. – К., 2000
8. Фихтенгольд К. Курс диференціального й інтегрального вирахування. – К., 2004
9. Фильчаков М. Довідник по вищій математиці. – К., 2000
На підставі цієї формули можна визначити функцію G(
G(
n=1,2,…,
Таким чином, функція має сенс при будь-яких значеннях її параметрів. З донного визначення випливає, що G(
Покажемо, що функція G(
При
Якщо
З (5.1) треба W{F,G}=C
C=
W{ F(
Загальний інтеграл рівняння (7.1) у цьому випадку може бути представлений у формі
u = AF(
Функція G(
m=1,2,...
рекурентні співвідношення:
G-
(
(
(
G(
(
G
і так далі.
Справедливість цих формул випливає з визначення функції G і відповідних властивостей функції F.
5. Подання різних функцій через вироджені гіпергеометричні функції
Як ми вже відзначали, багато елементарних і спеціальних функцій, що зустрічаються в аналізі, можуть бути вироджені через функцію F(
Ми маємо, наприклад,
1) F(
тому що
F(1,2,z)=
тому що
3) F(-2,1,z)=
Висновок
Курсова робота присвячена дослідженню гіпергеометричних функцій. Можна зробити висновок:
Гіпергеометричні функції застосовуються в різних розділах математичного аналізу, зокрема, при рішенні диференціальних рівнянь і при розгляді інших спеціальних функцій.
За допомогою гіпергеометричних функцій виражаються не тільки сферичні, еліптичні, але й ряд інших, у тому числі й елементарні функції.
У роботі розглянуті визначення гіпергеометричного ряду й гіпергеометричної функції, доведені деякі елементарні властивості гіпергеометричної функції, функціональні й спеціальні функціональні співвідношення, подання різних функцій через гіпергеометричну, вироджену функція 1 і 2 роди, диференціальне рівняння для виродженої гіпергеометричної функції і його інтеграли, подання різних функцій через вироджені гіпергеометричні функції.
Література
1. Балк М.Б. Математичний аналіз: теорія аналітичних функцій. – К., 2000
2. Гурвиц А.І., Теорія функцій. – К., 2004
3. Евграфов М.О. Аналітичні функції. – К., 2003
4. Лебедєв І.І. Спеціальні функції і їхні додатки. – К., 2000
5. Маркушевич. М.М. Введення в теорію аналітичних функцій. – К., 1999
6. Смирнов В.И. Курс вищої математики тім 3,4. – К., 2005
7. Уиттекер І, Ватсон У. Курс сучасного аналізу тім 1,2. – К., 2000
8. Фихтенгольд К. Курс диференціального й інтегрального вирахування. – К., 2004
9. Фильчаков М. Довідник по вищій математиці. – К., 2000