Wrocław Podwójne szeregi Czebyszewa funkcji
Transkrypt
Wrocław Podwójne szeregi Czebyszewa funkcji
R O C Z N IK I P O L S K IE G O T O W A R Z Y S T W A M A T E M A T Y C Z N E G O S eria III: M A T E M A T Y K A S T O S O W A N A X X II (1983) K ry s ty n a Z ię ta k Wrocław Podwójne szeregi Czebyszewa funkcji hipergeometrycznych dwóch zmiennych* (Praca wpłynęła do Redakcji 19.06.1980) wsTęp V pracy podano wzory dla współczynników podwójnego szeregu Czebyszewa funkcji hipergeometrycznej dwóch zmiennych x,y • Współczynniki te wyrażają się przez inne funkcje hipergeometryczne dwóch zmiennych. W szczególności) dla funkcji hipergeometrycznych, które wyrażają się przez odpowiednie funkcje hipergeometryczne jednej zmiennej z argumentem postaci x + y , współczynniki Czebyszewa są wartościami innej funkcji hipergeometryczne j jednej zmiennej. W paragrafie 1 podano podstawowe informacje dotyczące podwójnych szeregów Czebyszewa. Znane są ich liczne numeryczne zastosowania (zob. np. Basu [2], Paszkowski [5 ], str. 3^0)• Opracowano również algorytmy obliczania sum częściowych takich szeregów. Basu [2 ] podaje uogólnienie algorytmu Clenshawa sumowania pojedynczego szeregu na przypadek podwójnych szeregów Czebyszewa. W paragrafie 2 podano podstawowe informacje o funkcjach lipergeometrycznych dwóch zmiennych. W paragrafie 3 podano zory dla współczynników podwójnego szeregu Czebyszewa dowolnej funkcji hipergeometrycznej dwóch zmiennych oraz uproszczone wersje tych wzorów dla szczególnych postaci tych funkcji. 200 K.ZięTAK V paragrafie 4 udowodniono dwa spośród tych wzorów. Dowody pozostałych wzorów są podobne, więc z tego powodu zostały pominięte. Niniejsza praca została wykonana w ramach problemu międzyresortowego "Teorie matematyczne i ich zastosowania"• Zawarte w niej wyniki są opublikowane częściowo w [7 ] i [8], 1. PODWÓJNE SZEREGI CZEBYSZEWA Niech Tlc1 (x,y) oznacza następujący iloczyn wielomianów Czebyszewa pierwszego rodzaju TjŁi(x,y) = Tjj.(x)T1 Cy) = cosfk arccos) x cos (1 arccos y) . Wiadomo, że wielomiany gonalny z wagą w kwadracie Tlr1 (x,y) K = [ (x,y) : — 1 < x < 1, tworzą układ zupełny i orto- -1 < y < 1 ] . Podwójnym szeregiem Czebyszewa funkcji kwadracie K nazywamy szereg f(x,y) określonej w CD gdzie natomiast znale ' oznacza, że pierwszy składnik sumy trzeba podzielić przez 2. Współczynniki a ^ nazywamy współozynnikami Czebyszewa funkcji f (x,yj i czasami będziemy je oznaczać symbolami a ^ f f (x,y)] lub a^tf] dla podkreślenia tego, jaką funkcję dwójny szereg Czebyszewa. f (x,y) rozwijamy w po- Dadanie jednostajnej zbieżności szeregu (1) sprowadza się do badania jednostajnej zbieżności szeregu PODWÓJNE SZEREGI CZEBYSZEWA (2) oo , oo k=0 1=0 a 201 cos(kt)cos(lu), łŁJ- -JC < t,u C ji , który jest podwójnym szeregiem Fouriera funkcji f (cos t,oosu) zmiennych t, u . Hobson (zob. [4], str. 710) podaje proste kryterium zbieżności szeregu (2) dla funkcji rzeczywistych. TWIERDZENIE 1. Jeśli funkcja g(t,u) ma wahanie skończone w kwadracie - jtct < TU , -TC < u < 3T i jedna z jej pochodnych cząstkowych jest ograniczona w tym kwadracie, to podwójny szereg Fouriera jest zbieżny jednostajnie do funkcji g (t,u) w punktach zbioru domkniętego zawartego w zbiorze punktów ciągłości funkcji g(t,u). W przypadku, gdy ten zbiór domknięty ma punkty na brzegu kwadratu, to w tych punktach funkcja okresowa otrzymana przez przedłużenie funkcji g (t,u) poza kwadrat musi być ciągła. W naszym przypadku funkcja f(cos t, cos u) wa i jej pochodne cząstkowe są równe (3 ) ^ ' (V . 1 / (c ° 3..,.t,l 0 0 8 u ? = _ a i n dt a.f (003 t, cos u) _ _ sin ou t a f ( x -y) O X _Sf (X,y) dy jest okreso- = cos t y = cos u t X x = cos t y = cos u Jeśli więc pochodna f_(x,y) (lub f (x,y)) jest ograniczox y &a w kwadracie K , to ińwnież pochodna cząstkowa (3) (lub (4)) jest ograniczona w kwadracie — JU < t, u < jc . Łatwo sprawdzić, że funkcje f (x,y) i f (cos t, cos u) mają (lub nie maÓą) jednocześnie wahanie skończone w odpowiednich kwadratach. Stąd otrzymujemy prosty wniosek z Twierdzenia 1. WNIOSEK 1. Dla każdej funkcji f(x,y) ciągłej, o wahaniu skończonym i mającej jedną pochodną cząstkową ograniczoną w kwadracie K , jej podwójny szereg Czebyszewa (1) jest do niej zbieżny jednostajnie. 202 K.ZięTAK Podwójne szeregi Czebyszewa mają własności analogiczne do własności pojedynczych szeregów Czebyszewa. I tak, na przy kład: . (x,y)f O.y)] = = W +ak-i,i+j W +afc+i,i-j W +aic+i,i+j ^ • Własności tej dowodzi się analogicznie jak odpowiednich własności pojedynczych szeregów Czebyszewa (zob. Paszkowski [5], str. 1 2 3 , 128). 2. FUNKCJE HIPERGEOMETRYCZNE DWÓCH ZMIENNYCH Funkcje hipergeometryczne dwóch zmiennych są określone jako podwójne szeregi potęgowe (zob. np. Bateman, Erdelyi [3 ]» str. 218) (5) Z(x,y) = 2 2 m=0 n=0 o współczynnikach (6) gdzie a “ ““ postaci AP (w .+u .m+v.n) _ i “T J - j " JJi ^ n*j) A j fw ") = T T JJ, ( J w - dowolne liczby zespolone, u , v. - dowolne liczj j J by całkowite, i - funkcja gamma , Ca(a+1)...(a+n-1) , (a)n = J 1, l(-1)n/(1-a)_n . n > 0 , n = 0 , n < 0 . Niech (7) vdf f (m,n) = m+1 1xi Amn „ / \ df m tn+1 (m,n) = -£■*-— . S Wiadomo, że (zob. Bateman, Erdelyi [3] » str. 221) szereg (5) jest zbieżny w obszarze ograniczonym krzywą o równaniach parametrycznych PODWÓJNE SZEREGI CZEBYSZEWA (8) gdzie (9) * = 203 • s lira f(a,v) / t— ► oo lyl = ~ n ^ ) i f (u,t, yt), - /**w > f ( u 9v) = lim ' t — ►<» 0 • g(at, v t) . Niech. R = *** ■ ■ Wówczas (zob. Bateman, Erdelyi [3]» str. 221) ^ R = lt(l‘.0)| ’ S = If(0,1)| • Łatwo sprawdzić, że pochodne cząstkowe pierwszego rzędu funkcji (5 ) są określone w takim samym obszarze, w jakim jest określona sama funkcja. Ważną grupę funkcji hipergeometrycznych dwóch zmiennych stanowią funkcje wyrażające się funkcją hipergeometryczną jednej zmiennej z argumentem x + y . Mianowicie (zob. Appell, Kampe de Feriet [i] , str, 151) t i&two wykazać, że s (11) ,Ft ( « Ł , fi, ^ ^ ” ^ 5 Jegl = n cV s J Tl (“i>ra+n x m y n t mini* Wiele znanych, często spotykanych w zastosowaniach funkcji należy właśnie do tej klasy funkcji. Przykłady funkcji hipergeometrycznych dwóch zmiennych są podane m,in, w książkach Appella, Kampe de Ferieta [i], Batemana, Erdelyiego [2] oraz w pracy Srivastavy [ó] , 204 K.ZięTAK 3 . PODWÓJNE SZEREGI CZEBYSZEWA FUNKCJI HIPERGEOMETRYCZNYCH DWÓCH ZMIENNYCH Rozważmy funkcję Z (px,qy) (12) w (zob. (5)) dla < - | ^ . '^ T ’ lql< iT()*,v)i yu,v > • o . Jest ona w tym obszarze zbieżna (zob. (7) - (9)) • Jej współozynnikl Czebyszewa określa następujące twierdzenie. TWIERDZENIE 2. Jeśli parametry równości (1 2 ) , to (13) [Z(p*,qy)] =^(1) (f) p 2 i 2 q spełniają nie- “* P 2' ł l!“ . gdzie , .X { ¥ ) (¥) (¥) (¥)n n A x 'm x m x n 'n mu - 2m+k,2n+l (Jc+1) „C1 +1J n (1 )m (l)n Dowód tego twierdzenia jest podany w § 4. W szczególnym przypadku, dla funkcji (11) jej współczynniki Czebyszewa wyrażają się przez wartości odpowiedniej funk* cji hipergeometrycznej jednej zmiennej. Mianowicie, TWIERDZENIE 3 , Współczynniki Czebyszewa funkcji sFt 6 *1 * Aj* p(x+y)) /V 2s+2 2 t+3 \ p tx + y ))] « +k+l 2 .+k+l gdzie są równe 9 . s / ,k+1 J_J = e r r ll) « 1+k+l+1 2 A.+k+l+1 * k+1 -------------- k+l+1 2 1 k+1+2 2 s-t,2 , lc+l+1 ,k+1,1+1 j(p2S~*)‘ i — 1,2,...,s| j — 1,2,..«,t . Dowód tego twierdzenia jest podany w § 4. PODWÓJNE SZEREGI CZEBYSZEWA 205 W następnym twierdzeniu podamy wzory dla współczynników Czebyszewa funkcji sFt (<*± • fi } p(x+y)2 ) . TWIERDZENIE 4. Współczynniki Czebyszewa funkcji sFt (16) (Ki ) A j ! p (x + y) a2k,2ifsFt 6*1 * P y ‘•“ “ f e L (i) 0V (i; 01 ^ 21 równe ) p Cx+y) r “X ~ " n <!>j^k+l <)■ j = , s+3 t+3 ( < v ,k+1»2 i x = i P+k+1, 1+k+l;^5j+k+l,2k+2l+1 ,2k+1,21+1 ;4p), (17) a2k+1,2lH-l[sFt (“i i Aj' P(*+y>2)] = 'łpk+1+1fi') TT («•), , , Wfa-1+1 A l lktlł1 ” W21C+1 <1)21+1 A I I f A j A +l+1 p S+3 t+3 , , , , i 1’ j “ I +k+l, | +k+l, 2+k+l; /3^+k+l+l , 21c+21+3, 2k+2,21+2; 4p) , a 2 k ,21+1 = a 2 k + 1 ,2 1 0 * / Zaś dla funkcji (18) = (x+y) fiFt (oc± ; O ; p (x+y) J są równe a2k,2i + i l > +y)sFt («i ; Aj* p(x+y)2 )] = 4px +1(i ) k+1+1 (21c) I (21+1) ! 1+k+l, ^ +k+l; f| (cc±)k+;l n < « k+1 i= 1 t / 5 s+31't+3 (0Ci+lŁ+1» 2 +lc+1i ^+k+l,2k+2l+2,2lt+1 ,21+2; 4p), K.ZięTAK 206 (19) a2k+1 ,21 l > +y) sFt 6*1 , t fr = (2^ 1) , (m )T W h' £ +k+l,1+k+l; 2 )1 = w T ' T 7T— j D; P^ s+/ t ł3 K ^ 1’ f +k+1- ^ j )k + i /3^+k+l, 2k+21+2,2k+2,21+1 ; 4p) , a2k,21 = a2k+1,21+1 “ 0 * Dowody powyższych trzech twierdzeń są podobne do sposobu otrzymania współczynników pojedynczego szeregu Czebyszewa dla funkcji hipergeometrycznej jednej zmiennej (zob. Paszkowski [5] , str. 204). W następnym paragrafie wyprowadzimy wzory (13)1 (15) . Wiadomo, że wielomiany Czebyszewa są funkcjami hipergeometrycznymi. Mianowicie (zob. Paszkowski [5 ]* str. 19) T 2 h (x) = (_1)h 2F l(łl> _h; \ Tgh+i (x ) = (“ 1)h x2F 1 (h+1, -h; 2 ; x2). Wobec tego z twierdzenia *ł jako prosty wniosek otrzymuje się wzory dla współczynników Czebyszewa wielomianu Tn (p(x+y)) • Niech aw ° 2 akl[Tn(p ( x 'y))5 * Wówczas WNIOSEK 2. Dla dowolnego = 0 , (2 h ) 1 , . . . ile,21 = a 2 k p oraz dla każdego są prawdziwe wzory / ,x h p 2k+21 Wytlc*+!1 '(_h)'k + 1 (21eVlT2iri--- k, 1 = ^ ^ 3 (łl+k+1,-h+k+ , A +k+l,1+k+l; 2k+2l+1,2k+1,21+1; 4p ) , PODWÓJNE SZEREGI CZEBYSZEWA (2h) _ , 2k+1 ,21+1 “ h p 207 2k+21+2 ^ k + 1 + 1 (~h)k + l+ 1 F u . (2k+1) l (21+1) l 4 3 (h+k+ +1+1, -h+k+1+1, ~ +k+l,2+k+l; 2k+21+3>2k+2, (2h) _ 2k,21+1 " a +21+2; 4p2) , (2h) 2k+1,21 Analogiczne wzory otrzymujemy dla współczynników ^ (zob. [8]). Ze względu na czynnik "*■ (-h)jt+^+^ występujący w tych wzorach mamy a 2 k ^ 2 1 a ^ i , = ° 2 i + i ^ = ° k + 1 > h » ^ Funkcje hipergeoraetryczne, przez które wyrażają się współczynniki a ^ ^ , są w istocie skończonymi sumami. Łatwo sprawdzić, że na przykład dla h > 0 , (2h) , / .>.h+k+l 2k+21 h-k-1 2n al' 2oV k , 22 11 ”= h^ p * 2 n = 0 (-D p x y _______ (h+k+l+n-1) 1 (2k+21+2ń) ! (h-k-l-n) ! (’2k+21+n) I (Źk+ń) ! (21+ń) ! n! * 4. DOWODY TWIERDZEŃ 2 1 3 Wiadomo, że (zob. Paszkowski [5] , str. 29) (20) x2J = 2-2J+1 (21) ^ ks=0 __ = 2-^j ± ' (2£ j ) t 21+1 w Udowodnimy teraz twierdzenie 2• Z (5) mamy j > 0 , , j > o . 208 K.ZięTAK Niech oo oo „ s 2m , . 2n p(PX) fqy) ' H . W z2 = 2 2 A oo Z3 = S m=0 oo S A 2mt1i2nł1(px)— n=0 1 Z1 = g A 1 m =0 H - n = 0 S ra=0 (px) 2m+1 (qy) 211 , ’ (qy)2- ’ , 2 A2m,2n+1 <px)2“ (qy)2n+1 • n=0 7 Korzystając ze związków (20) , (21) , możemy zapisać Z^ staci = is r ^ — 2m-2n+2 2m 2n[ ^^'/2ra \ ~ p q L g § W T * (x)Jx A2“ - 2” 2 X [ 2 Ł ) T 21(y)l = Ll=0' ' J k=0 1=0 ^ / 2m "\ / 2n ^\0-2 m -2 n + 2 * U - k ) (,n-lj2 A więc (A oo ^ ^ = § r p 2m (X)T ( y ) S ^ A m=k n=l A 2 ^ 2n q , ^ 0 - 2 r a - 2 n + 0 - A , A DteO 11=0 2 / 2 m \ W 2 m - 2 n / 2 n W - 2 k \ 1 - 2 1 + 2 m + 2 k f 2 n + 2 1 2 m +2 k,2 n +2 1 oo = 4 (t) k(l) 1 S S A2ci+2Ic ,2n+21 X (2m+2k) ! (2 n + 2 l) ! ^ -2 m -2 n _2m 2n X ml (m +2k) I n T ( n + 2 l ) T 2 p q ą f £ V k ^ 2 1 ^ ^ Ś k ^Tn A 2 ra 2 x 2 m + 2 k ,2 n + 2 1 X q 2 n / 2 m l ^( ^2n+21 ( 22n+2l)_2m+2k n: 2 l) UJ 1 co -1 ^ r ~ i _ ■ w po- = + 2 k '\ . 2 v » PODWÓJNE SZEREGI CZEBYSZEWA X Ml (2k+l) (21+1) 209 0-2ra-2n p 2m g.2n (2 k + ' 0 m (2 1 + 1 )n “ !“ ! W podobny sposób przekształcamy v | m = O| v n= 0 ■ [ § & ^ , * Z^ . Otóż 2' 2m' 2n+1 p 2” ^ 1- > * « ] w 2ra 2n+1 „-2m-2n+1 X p q 2 Stąd (23) oo a2kf21+1 = ^ ^ A2m+2k,2n+21+1 (2m+2k) (2n+*l+1) x ^ _1-2m-2n-2k-21 X2 p 2ra+2k = i J E W a ')21* 1 ^ w UJ ; ^ ^ q 2n+21+1 A 2m+2lŁ. 211+21+1 0-2m-2n 2m 2ra v~-_r*v 2xi (2k+l)m (21+2)nm!n! Wreszcie, przekształcając (220 a2k+1,2l = 4 ( f ) Z^ (f) i Z^ ^ — x 2n * otrzymamy wzory A2m+2lc+1 ,2n+21X ,n „-2m-2n 2m 2n (2k+2) 2m (21+1) 2n P q * (2k^2)m (21+1) nm!n! 210 (25) K.ZięrAK t \2k+1 / \21+1 oo t oo t a2k+1,2l+1 = 4 (fj * A2m+2k+1 ,2n+2l+1 X (2 ) (2k+2)2 m (21+2)2n2-2”-2np 2V (2k+2)ra(21+2)^m!nl n * Zatem ze wzorów (22) - (25) wynika, że / vk 1 00 ,k , , ^v1 akl = 4 (f) (2 ) 00 A2m+k,2n+l* /, .v 0-2m-2n 2m 2n (k+D 2m v Cl+1)J 2n Orx2 P (k+1)m (1+1) nmln! Stąd natychmiast wynikają wzory (13) , (14) , gdyż (26 ) (k+D 2m2 -2“ = ( j ^ i) f e a ) . Należy jeszcze sprawdzić czy szereg (13) jest zbieżny. Otóż pokażemy, że podwójny szereg, przez który wyrażają się współczynniki a1<.1 , jest wartością odpowiedniej funkcji hipergeometrycznej dwóch zmiennych w punkcie (p2,q^)» Mianowicie, łatwo sprawdzić, że (porównaj (7) - (9)) '• ,„ D f (m,n) = HtliH = f (2m+k+1,2n+l) f (2m+k, 2n+l) X ran (m + 1 + | )(a + 1 + |) (m V 1 + k)(m V 1 ) $2 Y =f lim f2 Q*'t» Vt) = t 1 » 00 (jLŁ,v) =f lim t — ► 00 e 2 tytt, v t) = Y2 fy* » 9 » p.,u > Oi PODWÓJNE SZEREGI CZEBYSZEWA k 211 A więc, jeśli funkcja Z(px,qy) jest określona w obszarze wyznaczonym przez funkcje , T(/a ,v) , zaś y, Pi q spełniają nierówności (12) , to szereg (1 3 ) jest zbieżny w obszarze zdefiniowanym przez funkcje ^ ^f2 ( yu»v ) * ®dyż lp2|< , l $ 2 lq2| < | f z ( /-S ^ ) 1 (/* ,» )| co kończy dowód twierdzenia 2 . D o w ó d t w i e r d z e n i a 3* Łatwo udowodnić tożsamość Ś ™ C ) ( '“ * ) ■ • korzystając ze wzoru dla dwumianu Newtona. Z twierdzenia 2 wynika, że współczynniki Czebyszewa funkcji s(Ft ( * i ; P(x+y^ równe V l [3Ft («i> W / n,k+1 k+ 1 00 P (x+y^] = 4 (2) S 00 _ E_n m *p 2m+2i s ]T 2ra+2n+k+l Emn = t ] T (#j) 2m+2n+k+l ]T ^ k+1 2-2m-2n * (k + i ) m M 1 / i m (k+1) 2m (1+1) 2n2~2m~2n (k+1) m (1 + 1 ) nm!n! (2m+k) !(2n+l)l' T T (oći+k+1) 2m+2n * Zatem po zamianie wskaźnika sumowania m na r = m + n mamy 212 . (2S) K.ZięTAK _ u _ /E f +i U “ki - kiII U / n ("i W ^ ^ ^ k łl - f l (*i+k+1) 2r 2-2r 2r * n! (k+1 )r__n (1 +?; n (r-n) ! r L~ kil! v TT / xk+l JS | foj? k+ 1 oo (cyi+k+1^ 2r v i5J----------- 2“2rP 2r> (e \ *=J_______ ^ ■ V2 ) _t śzA * ] j ( / * j W " ] T [ % +k+1 )2r ki II (k+r-n) I (l+n)! (r-n) Inl * Stoma wewnętrzna po n klll ^ 7 r! (k+l+r) I ~ q jest rówma (zob. (27)) (k+l+r\ (v\ _ kil! (2r+k+l) I ^ \ 1 +n \nj ~ r I (k+l+r) I (r+l) I (r+kj I * J Stąd oraz z (28) otrzymujemy (porównaj s k (26)) s [Yoc.+k+lA /o(,+k+l+1 ( s f * 1 L ] (“ i ) k + i ^kl “ kil! [2 ) t a \ * ~ i r j ^ ) k+i l+k+2^ 2 (-t+s) 2r^2r P (k+1 +1)r (k+1) ' '_ r (l+l) ' ' rr 1 co należało wykazać. Dowód wzorów podanych w twierdzeniu k jest oparty na przekształceniach analogicznych do przekształceń zastosowanych w dwóch powyższych dowodach, dlatego go pomijamy. P o d z i ę k o w a n i e . Bardzo dziękuję Profesorowi S.Paszkowskiemu za zaproponowanie mi tematu powyższej pracy i cenne uwagi. PODWÓJNE SZEREGI CZEBYSZEWA 213 PRACE CYTOWANE 1 | P.APPELL, J.KAMPE DE FERIET, Functlons hypergeometrigues et hyperspherigues, Paris 1926. N.K.BASU, On double Ch.ebysh.ev series approxiiaation, SIAM J. Numer. Anal. 10, 3 (1973) » 496-505. H.BATEMAN, A.ERDELYI, Wy s szyje transoendientnyje f uniccyi , I, Moskwa 1973* E.W.HOBSON, The theory of functlons of a real yariable on the theory Fouriera series, II. Cambridge 1926. S.PASZKOWSKI, Zastosowania numeryczne wielomianów i szeregów Czebyszewa, Warszawa 1975. H.M.SRIVASTAVA, Some formulas of Hermite and Carlitz, Rev. Roumaine Math. Pure Appl. 17 (i972), 1257-1263. K.ZięTAK, Double Chebyshey series for hypergeometric functions of two yąriables, Buli. Acad. Polon. Soi. 23 (1975)> 1107-1111. ------- , Współczynniki podwójnego szeregu Czebyszewa fun— kej i T^[p (x+y)] , Raport N-15» Instytut Informatyki Uniwersytetu Wrocławskiego, Wrocław, grudzień 1976. Instytut Informatyki Uniwersytet Wrocławski ł