Legendre-polynomit | |
---|---|
yleistä tietoa | |
Kaava | |
Skalaarituote | |
Verkkotunnus | |
lisäominaisuuksia | |
Differentiaaliyhtälö | |
Normi | |
Nimetty | Legendre, Adrien Marie |
Legendren polynomi on polynomi , joka poikkeaa vähiten nollasta keskineliön merkityksessä . Muodostaa ortogonaalisen polynomijärjestelmän avaruuden segmentille . _ Legendre-polynomit voidaan saada polynomeista Gram–Schmidt-ortogonalisoinnilla .
Nimetty ranskalaisen matemaatikon Adrien Marie Legendren mukaan .
Tarkastellaan muodon differentiaaliyhtälöä
(yksi) |
missä on kompleksinen muuttuja . Tämän yhtälön ratkaisut kokonaislukuille ovat polynomien muodossa , joita kutsutaan Legendren polynomeiksi . Legendren astepolynomi voidaan esittää Rodriguesin kaavan avulla muodossa [1]
Kirjoita usein sen sijaan kosinin napakulma :
Yhtälö ( 1 ) voidaan saada hypergeometrisen yhtälön erikoistapauksesta , jota kutsutaan Legendre - yhtälöksi
(2) |
missä , ovat mielivaltaisia kompleksisia vakioita. Mielenkiintoisia ovat sen ratkaisut, jotka ovat yksiarvoisia ja säännöllisiä (erityisesti realille ) tai kun luvun reaaliosa on suurempi kuin yksi. Hänen ratkaisujaan kutsutaan assosioituneiksi Legendre-funktioiksi tai pallofunktioiksi (harmonics) . ( 2 ) : n muodon korvaaminen antaa Gaussin yhtälön , jonka ratkaisu alueella saa muodon
missä on hypergeometrinen funktio . Korvaus kohdassa ( 2 ) johtaa muodon mukaiseen ratkaisuun
määritelty . Toimintoja ja kutsutaan ensimmäisen ja toisen tyypin Legendre-funktioiksi . [2]
Seuraavat suhteet ovat voimassa [3]
ja
Legendre-polynomit määritellään myös seuraavalla kaavalla:
Ne voidaan myös laskea rekursiivisella kaavalla (for ) [4] :
(3) |
ja kahdella ensimmäisellä funktiolla on muoto
Laskettu kaavalla [5]
(neljä) |
Laskettu iteratiivisesti Newtonin menetelmällä [5] :
ja alkuproksimaatio -:nnelle juurelle ( ) otetaan kaavan [5] mukaisesti
Polynomin arvo voidaan laskea käyttämällä rekursiivista kaavaa tietylle x -arvolle . Derivaata voidaan myös laskea tietylle x :n arvolle käyttämällä derivaattakaavaa .
Legendre-polynomit määritellään myös seuraavilla laajennuksilla:
varten vartenNäin ollen
Liittyvät Legendre-polynomit määritellään kaavalla
joka voidaan esittää myös nimellä
Sillä toiminto on sama kuin .
Normalisointi Schmidtin säännön mukaanSchmidtin säännön mukaan normalisoidut Legendren polynomit näyttävät tältä [6] :
Siirretyt Legendre-polynomit määritellään seuraavasti: , jossa siirtofunktio (tämä on affiinimuunnos ) valitaan kartoittamaan polynomien ortogonaalisuusväli yksiselitteisesti väliin , jossa siirretyt polynomit ovat jo ortogonaalisia :
Eksplisiittinen lauseke siirtyneille Legendre-polynomeille annetaan muodossa
Rodriguesin kaavan analogi siirtyneille Legendren polynomeille on
Lausekkeet joillekin ensimmäisille siirtyneille Legendre-polynomeille:
n | |
---|---|
0 | |
yksi | |
2 | |
3 | |
neljä |
Tämä matriisi on ylempi kolmion muotoinen . Sen determinantti on nolla, ja ominaisarvot ovat , jossa .
Ensimmäiset Legendre-polynomit eksplisiittisessä muodossa:
Siitä lähtien
Lipschitz-funktio on ominaisuuden funktio
, missä .Tämä funktio laajenee sarjaksi Legendre-polynomeja.
Antaa olla avaruus jatkuvan kuvaukset segmentillä , , ja .
Päästää
sitten täyttää seuraavan ehdon:
Anna ja täytä seuraavat ehdot:
Lipschitz-funktio voidaan kirjoittaa seuraavasti:
Mikä tahansa ellipsin sisällä oleva holomorfinen funktio , jonka polttopisteet −1 ja +1, voidaan esittää sarjana:
Ehtoja täyttäville suureille , , , on reaaliluku , voidaan kirjoittaa ensimmäisen tyyppisten Legendren polynomien yhteenlaskulause: [7]
tai vaihtoehtoisesti gamma-funktion kautta :
Toisen tyypin Legendren polynomeille summauslause näyttää tältä [8]
olosuhteissa , , , .
Legendre-polynomit (yhdessä niihin liittyvien Legendre-funktioiden kanssa ) syntyvät luonnollisesti potentiaaliteoriassa .
Pallofunktiot ovat funktioita ( pallokoordinaateissa ), joiden muoto on (vakioon asti)
jamissä ovat liittyvät Legendre-polynomit. Ne voidaan esittää myös muodossa , missä ovat pallofunktiot .
Pallofunktiot täyttävät Laplacen yhtälön kaikkialla .