对于给定的复数 $a, b, c$ , 其中 $c\neq 0, -1, -2, \cdots$ , 高斯超几何分布函数定义如下
其中当 $a\neq 0$ 时, $(a, 0)=1$ , 对 $n\in \bf{N}$ , $(a, n)$ 称为移位阶乘或Appell符号, 其定义为 $(a, n)=a(a+1)\cdots(a+n-1).$ 关于高斯超几何分布函数更多的背景、性质和应用可参看文献[1-12], 值得注意的是,许多重要的特殊函数都可以通过超几何分布函数表示出来.例如:第一型和第二型的完全椭圆积分 $K(r)$ 和 $E(r)$ (参见文献[13-14])分别可以表示为
和
接下来, 简单介绍一下Takeuchi给出的广义椭圆积分[15]定义, Lindqvist[16]于1995年提出的针对参数 $p>1$ 时的广义三角函数和广义双曲函数, 当 $p=2$ 时, 这些函数即为通常的三角函数(参阅文献[17-18]).一维 $p$ -拉普拉斯问题[19]
的特征函数 $\sin_p$ 称为函数 $F:(0, 1)\to \left(0, \frac{\pi_p}{2}\right)$ 的反函数, 其定义如下
并且
其中 $B(\cdot, \cdot)$ 表示经典的贝塔函数.对任意 $p\in (1, \infty), $ $r\in [0, 1)$ , 第一型和第二型广义椭圆积分分别定义为
其中 $p>1, r\in(0, 1)$ 并且 $ r' = \left( {1 - r^p } \right)^{1/p}. $ 依据 $K_p(r)$ 和 $E_p(r)$ 的定义, 它们的超几何函数表示为
关于 $K_p(r)$ 和 $E_p(r)$ 的这些公式和相关性质可参看文献[20-25].
本文主要思想受Alzer和Richards研究[14]的启发, 他们的主要结果如下.
性质1.1 函数
是从 $(0, 1)$ 映射到 $(\pi/4-1, 1-\pi/4)$ 的严格单增的凸函数, 且对任意 $r\in(0, 1)$ , 有
其中 $\alpha=0, $ $\beta=2-\frac{\pi}{2}=0.42920\cdots.$
为了将性质1.1推广到广义椭圆积分, 首先, 给出以下定义
对此,我们有如下结论.
定理1.1 当 $p$ 满足条件
(ⅰ) $2 + \frac{1}{p} + \frac{1}{{p^2 }} \le \frac{6}{p} < 3 + \frac{1}{{p^2 }};$
(ⅱ) $\varepsilon(p)>0$ 时, 函数 $\Delta_p$ 为从 $(0, 1)$ 映射到 $ \Big( {\frac{{\big( {1 - \frac{1}{p}} \big)\pi _p }}{2} - 1, 1 - \frac{{\big( {1 - \frac{1}{p}} \big)\pi _p }}{2}} \Big) $ 的严格单调递增的凸函数, 其中
此外, 对任意 $r\in(0, 1)$ , 有
其中 $\alpha=0, $ $\beta= {2 - \big( {1 - \frac{1}{p}} \big)\pi _p }.$
定理1.2 对任意 $r, s\in(0, 1)$ , 当 $p$ 满足条件(ⅰ)和(ⅱ)时, 有
引理2.1 记
当 $p>1, $ $r\in(0, 1)$ 时, 有
证 由超几何函数的定义可得
证毕.
引理2.2 当 $p>1, $ $r\in(0, 1)$ 时, 有
证 在文献[14]中的恒等式
取 $a=1+\frac{1}{p}, b=2-\frac{1}{p}, z=1-r^p$ , 可得公式(2.1).
引理2.3 当 $p>1, $ $r\in(0, 1)$ 时, 有
证 考虑文献[26, 方程26]
令 $ \sigma = 3, \alpha = 1 + \frac{1}{p}, \rho = 2 - \frac{1}{p}, z = 1 - r^p $ 可得(2.2)式成立.
引理2.4 以下两式恒成立
证 显然
利用恒等式(详见文献[27, 第153页])
可得
定理1.1的证明 由公式(1.1), (1.2)和引理2.1可得
由
容易得到
再由引理2.2可得
再应用条件(ⅰ)和(ⅱ)及引理2.3, 得
由 $ \Delta ''_p (r) > 0$ , 可知 $\Delta '_p (r)$ 是 $(0, 1)$ 上的严格单调递增函数.从而, 有 $\Delta '_p (r)> \Delta '_p (0).$ 利用洛必达法则, 得
其中
从而 $\Delta_p (r)$ 是 $(0, 1)$ 上的严格单调递增函数.
定义
由 $\Delta_p (r)$ 是 $(0, 1)$ 上的严格凸函数可知 $M_p (r)$ 是 $(0, 1)$ 上的严格单调递增函数, 从而有
由引理2.4可知 $M_p (0)=0$ ,
从而公式(1.3)成立.
定理1.2的证明 记
经简单计算, 得
由定理1.1的结论可知 $\frac{{\partial ^2 }}{{\partial r\partial s}}\lambda _p (r, s)>0$ .从而函数 $\frac{\partial }{{\partial r}}\lambda _p (r, s)$ 是关于变量 $s$ 的严格单调递增函数.由
得 $ r \mapsto \lambda _p (r, s) $ 是严格单调递减的函数, 从而