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数学物理学报, 2019, 39(4): 875-893 doi:

论文

非一致格子上的超几何型差分方程:第二类解的Rodrigues型表示公式

程金发,, 贾鲁昆

Hypergeometric Type Difference Equations on Nonuniform Lattices: Rodrigues Type Representation for the Second Kind Solution

Cheng Jinfa,, Jia Lukun

通讯作者: 程金发, E-mail:jfcehng@xmu.edu.cn

收稿日期: 2017-03-14  

基金资助: 福建省自然科学基金.  2016J01032
the Natural Science Foundation of Fujian Province.  2016J01032

Received: 2017-03-14  

Fund supported: 福建省自然科学基金.  2016J01032
the Natural Science Foundation of Fujian Province.  2016J01032

摘要

通过建立非一致格子上的二阶伴随方程,得到了非一致格子上超几何型差分方程第二类解的Rodrigues型表示公式,它们推广了经典Rodrigues公式.由此得到由经典Rodrigues公式和广义罗德里格斯公式线性组合而成的通解.

关键词: 特殊函数 ; 正交多项式 ; 伴随差分方程 ; 超几何型差分方程 ; 非一致格子

Abstract

By building a second order adjoint equation, the Rodrigues type representation for the second kind solution of a second order difference equation of hypergeometric type on nonuniform lattices is given. The general solution of the equation in the form of a combination of a standard Rodrigues formula and a "generalized" Rodrigues formula is also established.

Keywords: Special function ; Orthogonal polynomial ; Adjoint difference equation ; Hypergeometric difference equations ; Nonuniform lattice

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本文引用格式

程金发, 贾鲁昆. 非一致格子上的超几何型差分方程:第二类解的Rodrigues型表示公式. 数学物理学报[J], 2019, 39(4): 875-893 doi:

Cheng Jinfa, Jia Lukun. Hypergeometric Type Difference Equations on Nonuniform Lattices: Rodrigues Type Representation for the Second Kind Solution. Acta Mathematica Scientia[J], 2019, 39(4): 875-893 doi:

1 引言

数学物理的特殊函数,即经典正交多项式和超几何及圆柱函数,是超几何型差分方程的解.

σ(x)τ(x)分别为至多二次和一次多项式,且λ为常数.以下二阶微分方程

σ(x)y(x)+τ(x)y(x)+λy(x)=0,
(1.1)

称为超几何型微分方程.如果对于正整数n,有

λ=λn:=n(n1)σ2nτ,λmλnm=0,1,,n1,

方程(1.1)有一个次数为n阶的多项式解yn(x),它用Rodrigues公式表示[1-11]

yn(x)=1ρ(x)dndxn(ρ(x)σn(x)),

这里ρ(x)满足Pearson方程

(σ(x)ρ(x))=τ(x)ρ(x).

这些解在量子力学,群表示理论和计算数学上是非常有用的.基于此,经典超几何型方程理论被著名数学家如Andrews, Askey[12-13], Wilson, Ismail[14-17]; Nikiforov, Suslov, Uvarov, Atakishiyev[8-10, 18-20]; George, Rahman[21]; Koornwinder[22]等大大向前发展;以及其他许多研究者如Álvarez-Nodarse, Cardoso, Area, Godoy, Ronveaux, Zarzo, Robin, Dreyfus, Kac, Cheung, Jia, Cheng, Feng等[23-32].

如果已知方程(1.1)的一个多项式解,就可以用许多方式建立该方程线性独立的解:例如常数变易法[1],用Cauchy积分表示公式[4, 9].然而, Area等在文献[23]中首先给出了方程(1.1)第二类型解的推广的Rodrigues型表示公式,其表达式是

yn(x)=C1ρ(x)dndxn(ρ(x)σn(x))+C2ρ(x)dndxn(ρ(x)σn(x)dxρ(x)σn+1(x)),

这里C1,C2是任意常数.

最近,受文献[3]启发, Robin[24]给出了更一般的Rodrigues公式

yn(x)=1ρ(x)dndxn[ρ(x)σn(x)(Pn(x)+Dnρ(x)σn+1(x)dx+Cn)],

这里Pn(x)是一个任意的n阶多项式,且Cn,Dn是一个任意常数.

1983年以来,超几何型微分方程经典理论已经被Nikiforov, Suslov和Uvarov[8-10]等数学家极大地向前推进,他们是从以下推广开始的.他们用变步长的非一致格子x(s)=x(s)x(s1)上的差分方程替换方程(1.1)

˜σ[x(s)]ΔΔx(s1/2)[y(s)x(s)]+12˜τ[x(s)][Δy(s)Δx(s)+y(s)x(s)]+λy(s)=0,
(1.2)

这里˜σ(x)˜τ(x)分别是关于x(s)的至多二阶和一阶多项式, λ是一个常数,

Δy(s)=y(s+1)y(s),y(s)=y(s)y(s1),

x(s)满足

x(s+1)+x(s)2=αx(s+12)+β
(1.3)

(这里α,β是常数)且

 x2(s+1)+x2(s)是关于x(s+12)的至多二阶多项式.
(1.4)

在非一致格子上,通过逼近微分方程(1.1)得到的差分方程(1.2)具有独立的重要意义,并且引出其它许多重要的问题.它的解实质上拓广了原超几何微分方程的解,且其本身有重要独立意义.它的一些解在量子力学、群论和计算数学中已经被长期使用了.有关非一致格子上超几何型差分方程(1.2)的更多信息,读者可以查阅相关文献如Koekoek, Lesky, Swarttouw[7], Nikiforov, Suslov, Uvarov, Atakishiyev, Rahman[8-10, 18-20], Magnus[33], Foupouagnigni[34-35], Witte[36].

定义 1.1    两类格子函数x(s)被称为非一致格子如果它们满足条件(1.3)和(1.4)

x(s)=c1qs+c2qs+c3,
(1.5)

x(s)=˜c1s2+˜c2s+˜c3,
(1.6)

这里ci,˜ci是任意常数且c1c20, ˜c1˜c20.

对于方程(1.2)中λ的某些值,通过Rodrigues公式的差分模拟,也有一个关于x(s)的多项式解.自然地,人们可以问,在非一致格子差分方程中是否有Rodrigues公式的推广.据我们所知,在一致格子如x(s)=sx(s)=qs的情形,文献[28]已经做出有效的推广.然而,在非一致格子(1.5)或(1.6)的情况下,这将是十分复杂和困难的,因此在这种情况下,包括文献[28]在内,自2005年以来没有出现过任何该方面的相关进展和结果.

本文的目的,将在非一致格子(1.5)和(1.6)情形下,给出Rodrigues公式的两个推广.本论安排组织如下.第2节中介绍了非一致格子上的差分与和分基本概念、性质.在第3节和第4节,回顾非一致格子上的经典Rodrigues公式,并给出了一些必需的记号和一些引理.第5节,我们在非一致格子上,建立并化简一个二阶超几何超几何差分方程的伴随差分方程,这个新结果也有独立的重要意义.利用伴随差分方程,第6节,我们在定理6.2中给出了罗德里格斯公式的一种拓展.在第7节中,用不同于第6节的方法,建立另一个更一般的罗德里格斯公式定理7.1.

2 非一致格子上的差分及和分

x(s)是一个格子,这里sC.对任何整数k, xk(s)=x(s+k2)也是一个格子.给定函数f(s),定义关于xk(s)的两种差分算子如下

Δkf(s)=Δf(s)Δxk(s),kf(s)=f(s)xk(s).
(2.1)

进一步,对任何非负整数n,让

Δ(n)kf(s)={f(s), n=0ΔΔxk+n1(s)ΔΔxk+1(s)ΔΔxk(s)f(s), n1.

(n)kf(s)={f(s), n=0xkn+1xk1(s)xk(s)f(s), n1.

下面这些性质容易验证.

命题 2.1    给定具有复变量s的两个函数f(s),g(s),则有

Δk(f(s)g(s))=f(s+1)Δkg(s)+g(s)Δkf(s)=g(s+1)Δkf(s)+f(s)Δkg(s),

Δk(f(s)g(s))=g(s+1)Δkf(s)f(s+1)Δkg(s)g(s)g(s+1)=g(s)Δkf(s)f(s)Δkg(s)g(s)g(s+1),

k(f(s)g(s))=f(s1)kg(s)+g(s)kf(s)=g(s1)kf(s)+f(s)kg(s),

k(f(s)g(s))=g(s1)kf(s)f(s1)kg(s)g(s)g(s1)=g(s)kf(s)f(s)kg(s)g(s)g(s1).

为了处理逆算子k,它是一种和分,延续Bangerezako在文献[29]的记号,令kf(t)=g(t).那么

f(t)f(t1)=g(t)[xk(t)xk(t1)].

选取N,sC.t=Nt=s相加,有

f(s)f(N1)=t=st=Ng(t)xk(t).

因此,我们定义

sNg(t)dxk(t)=t=st=Ng(t)xk(t).
(2.2)

容易验证

命题 2.2    给定具有复变量N,s的两个函数f(s),g(s),则有

(1)k[sNg(t)dxk(t)]=g(s),(2)sNkf(t)dxk(t)=f(s)f(N).

3 Rodrigues公式

运用第二节中的记号,超几何型(1.2)的差分方程可以写成

˜σ[x(s)]Δ10y(s)+˜τ[x(s)]2[Δ0y(s)+0y(s)]+λy(s)=0.
(3.1)

在下文中,我们假设格子x(s)有(1.5)式和(1.6)式两种形式.

zk(s)=Δ(k)0y(s)=Δk1Δk2Δ0y(s).

那么对非负整数k, zk(s)满足与方程(3.1)同型的方程[10]

˜σk[xk(s)]Δk1kzk(s)+˜τk[xk(s)]2[Δkzk(s)+kzk(s)]+μkzk(s)=0,
(3.2)

这里˜σk(xk)˜τk(xk)分别是关于xk的至多二阶和一阶多项式, μk是一常数,且

˜σk[xk(s)]=˜σk1[xk1(s+1)]+˜σk1[xk1(s)]2+14Δk1˜τk1(s)Δxk(s)+xk(s)2Δxk1(s)[Δxk1(s)]2+˜τk1[xk1(s+1)]+˜τk1[xk1(s)]2Δxk(s)xk(s)4,˜σ0[x0(s)]=˜σ[x(s)];

˜τk[xk(s)]=Δk1˜σk1[xk1(s)]+Δk1˜τk1[xk1(s)]Δxk(s)xk(s)4+˜τk1[xk1(s+1)]+˜τk1[xk1(s)]2Δxk(s)+xk(s)2Δxk1(s),˜τ0[x0(s)]=˜τ[x(s)];

μk=μk1+Δk1˜τk1[xk1(s)],μ0=λ.

为了研究方程(3.2)解的更多性质,下面的方程是有用的

12[Δkzk(s)+kzk(s)]=Δkzk(s)12Δ[kzk(s)].

将方程(3.2)改写为等价形式

σk(s)Δk1kzk(s)+τk(s)Δkzk(s)+μkzk(s)=0,
(3.3)

这里

σk(s)=˜σk[xk(s)]12˜τk[xk(s)]xk+1(s),
(3.4)

τk(s)=˜τk[xk(s)].
(3.5)

我们发现

τk(s)=σ(s+k)σ(s)+τ(s+k)x1(s+k)xk+1(s),
(3.6)

μk=λ+k1j=0Δjτj(s).
(3.7)

注 3.1    当k是一负整数时,我们也记等式(3.6)右边为τk.

将方程(3.3)改写成自相伴形式

Δk1[σk(s)ρk(s)kzk(s)]+μkρk(s)zk(s)=0,

这里ρk(s)满足Pearson型差分方程

Δk1[σk(s)ρk(s)]=τk(s)ρk(s).

ρ(s)=ρ0(s),我们发现

ρk(s)=ρ(s+k)ki=1σ(s+i).

如果对正整数n,有

λ=λn:=n1j=0Δjτj(s),λmλnm=0,1,,n1,
(3.8)

那么方程(3.1)有一个关于x(s)n阶多项式解yn[x(s)],它可以表示成Rodriguez型公式的差分模拟[8-10]

yn[x(s)]=1ρ(s)(n)n[ρn(s)]=1ρ(s)Δ(n)n[ρn(sn)].

4 τk(s),μkλn的显示表示

现在,我们在非一致格子(1.5)和(1.6)下,分别给出τk(s),μkλn的显示表达式.

命题 4.1    给定任意整数k,如果x(s)=c1qs+c2qs+c3,那么

τk(s)=[qkqkq12q12˜σ2+(qk+qk)˜τ2]xk(s)+c(k)=[ν(2k)˜σ2+α(2k)˜τ]xk(s)+c(k)=κ2k+1xk(s)+c(k),

这里

ν(μ)={qμ2qμ2q12q12μ,α(μ)={qμ2+qμ221,

κμ=α(μ1)˜τ+ν(μ1)˜σ2.

如果x(s)=˜c1s2+˜c2s+˜c3,那么

τk(s)=[k˜σ+˜τ]xk(s)+˜c(k)=κ2k+1xk(s)+˜c(k),

这里c(k),˜c(k)是关于k的函数

c(k)=c3(1qk2)(qk2qk)+c3(2qk2qk2)(qk2qk2)q12q12+˜τ(0)(qk2+qk2)+˜σ(0)qk2qk2q12q12,

˜c(k)=˜σ4˜c1k3+3˜τ4˜c1k2+˜σ(0)k+2˜τ(0).

    我们仅仅证明x(s)=c1qs+c2qs+c3的情形.由(3.4), (3.5)和(3.6)式,我们有

τk(s)=˜σ[x(s+k)]˜σ[x(s)]+12˜τ[x(s+k)]Δx(s+k12)+12˜τ[x(s)]Δx(s12)Δxk1(s).
(4.1)

一些简单的计算后,我们得到

x(s+k)x(s)=(qk2qk2)(c1qs+k2c2qsk2),

x(s+k)+x(s)=(qk2+qk2)xk(s)+c3(2qk2qk2),

Δxk1(s)=(q12q12)(c1qs+k2c2qsk2).

进一步, ˜σ[x(s)]=˜σ2x2(s)+˜σ(0)x(s)+˜σ(0).那么

˜σ[x(s+k)]˜σ[x(s)]Δxk1(s)=˜σ2x2(s+k)x2(s)Δxk1(s)+˜σ(0)x(s+k)x(s)Δxk1(s)=˜σ2qkqkq12q12xk(s)+˜σ(0)qk2qk2q12q12+c3(2qk2qk2)(qk2qk2)qk2qk2.
(4.2)

进一步,有

x(s+k)Δx(s+k12)+x(s)Δx(s12)=(qk+qk)(q12q12)(c1qs+k2c2qsk2)xk(s)+c3(q12q12)(c1qs+k2c2qsk2)(1qk2)(qk2qk),
(4.3)

Δx(s+k12)+Δx(s12)=(q12q12)(qk2+qk2)(c1qs+k2c2qsk2),
(4.4)

τ[x(s)]=˜τx(s)+˜τ(0).因此

12˜τ[x(s+k)]Δx(s+k12)+˜τ[x(s)]Δx(s12)Δxk1(s)=˜τ2x(s+k)Δx(s+k12)+x(s)Δx(s12)Δxk1(s)+˜τ(0)2Δx(s+k12)+Δx(s12)Δxk1(s)=˜τ2(qk+qk)xk(s)+c3(1qk2)(qk2qk)+˜τ(0)(qk2+qk2).
(4.5)

将(4.2)和(4.5)式代入(3.5)式,就可得结论.

引理 4.1[18]    对α(μ),ν(μ),我们有

k1j=0α(2j)=α(k1)ν(k),k1j=0ν(2j)=ν(k1)ν(k).

从(3.7)式, (3.8)式和引理4.1,我们有

命题 4.2    若x(s)=c1qs+c2qs+c3x(s)=˜c1s2+˜c2s+˜c3,那么

μk=λ+κkν(k),
(4.6)

这里κk=α(k1)˜τ+12ν(k1)˜σ.

    如果x(s)=c1qs+c2qs+c3,那么

μk=λ+k1j=0[qjqjq12+q12˜σ2(qj+qj)˜τ2]=λ+k1j=0ν(2j)˜σ2+k1j=0α(2j)˜τ=λ+ν(k1)ν(k)˜σ2+α(k1)ν(k)˜τ=λ+κkν(k),

这里

κk=α(k1)˜τ+12ν(k1)˜σ.
(4.7)

如果x(s)=˜c1s2+˜c2s+˜c3,那么

μk=λ+k1j=0[j˜σ+˜τ]=λ+(k1)k2˜σ+k˜τ=λ+κkν(k).

证毕.

由命题4.2和(3.8)式,我们有

λn=nκn.
(4.8)

5 非一致格子上超几何差分方程的伴随方程

L[y]=σ(s)Δ10y(s)+τ(s)Δ0y(s)+λy(s)=0.
(5.1)

那么方程(5.1)有自相伴形式

Δ1[σ(s)ρ(s)0y(s)]+λρ(s)y(s)=0,
(5.2)

这里ρ(s)满足Pearson型方程

Δ1[σ(s)ρ(s)]=τ(s)ρ(s).
(5.3)

为了得到非一致格子上Rodriguez型公式的推广,如何定义和建立非一致格子上超几何差分方程的伴随方程至关重要.

w(s)=ρ(s)y(s).那么

0y(s)=0w(s)ρ(s)=ρ(s1)0w(s)w(s1)0ρ(s)ρ(s)ρ(s1).
(5.4)

将(5.4)式代入(5.2)式,我们得

Δ1[σ(s)(0w(s)w(s1)0ρ(s)ρ(s1))]+λw(s)=0.
(5.5)

由Pearson型方程(5.3),有

Δ[σ(s)ρ(s)]Δx1(s)=σ(s+1)Δρ(s)+Δσ(s)ρ(s)Δx1(s)=τ(s)ρ(s).

那么

ρ(s)ρ(s1)=τ(s1)1(s)σ(s)σ(s).
(5.6)

将(5.6)式代入(5.5)式,可得

L[w]:=σ(s)Δ10w(s)+τ(s)Δ0w(s)+λw(s)=0,
(5.7)

这里

σ(s)=σ(s1)+τ(s1)x1(s),
(5.8)

τ(s)=σ(s+1)σ(s1)Δx1(s)τ(s1)x1(s)Δx1(s),
(5.9)

λ=λΔ1(τ(s1)x1(s)x(s)σ(s)x(s)).
(5.10)

定义 5.1    方程(5.7)被称为对应于方程(5.1)的相伴方程.

由定义5.1,容易得到

命题 5.1    对y(s),我们有

L[ρy]=ρL[y].
(5.11)

引理 5.1[18]    让x=x(s)是一个满足(1.5)和(1.6)式的非一致格子,那么由下面等式所定义的函数˜σν(s)τν(s)

˜σν(s)=σ(s)+12τν(s)xν+1(s),
(5.12)

τν(s)xν+1(s)=σ(s+ν)σ(s)+τ(s+ν)x1(s+ν),
(5.13)

分别是关于变量xν=x(s+ν2),νR的至多二阶或一阶多项式.

利用命题4.1和引理5.1,不难得到

推论 5.1    对(5.9)和(5.10)式,我们有

τ(s)=τ2(s+1)=[γ(4)˜σ2α(4)˜τ]x0(s)+c(2),
(5.14)

λ=λΔ1τ1(s)=λγ(2)˜σ2α(2)˜τ=λκ1.
(5.15)

    由于

σ(s1)σ(s+1)+τ(s1)x1(s)=σ(s1)σ(s+1)+τ(s1)x1(s1).

s+1=z,则由(5.13)式,我们有

σ(s1)σ(s+1)+τ(s1)x1(s1)=σ(z2)σ(z)+τ(z2)x1(z2)=τ2(z)x1(z)=τ2(s+1)x1(s+1)=τ2(s+1)Δx1(s),

现在由(5.9)式和命题4.1,可得

τ(s)=τ2(s+1)=[γ(4)˜σ2+α(4)˜τ]x2(s+1)+c(2)=[γ(4)˜σ2α(4)˜τ]x0(s)+c(2).

同理,从(5.10)和(5.13)式,我们得到

λ=λΔ1τ1(s)=λΔ1{[γ(2)˜σ2+α(2)˜τ]x1(s)}=λ+γ(2)˜σ2α(2)˜τ=λκ1.

证毕.

关于伴随方程(5.7),我们发现它具有下面有趣的对偶性质.

命题 5.2    对于伴随方程(5.7),我们有

σ(s)=σ(s1)+τ(s1)x1(s),
(5.16)

τ(s)=σ(s+1)σ(s1)Δx1(s)τ(s1)x1(s)Δx1(s),
(5.17)

λ=λΔ1(τ(s1)x1(s)x(s)σ(s)x(s)).
(5.18)

    从(5.9)式我们有

τ(s)Δx1(s)=σ(s+1)σ(s1)τ(s1)x1(s),
(5.19)

从(5.8)和(5.19)式,我们有

σ(s+1)=σ(s)+τ(s)Δx1(s),

因此

σ(s)=σ(s1)+τ(s1)x1(s).

由(5.8)式,我们得

τ(s1)=σ(s)σ(s1)x1(s)=σ(s)σ(s2)τ(s2)x1(s1)x1(s),

因此

τ(s)=σ(s +1)σ(s1)τ(s1)x1(s)Δx1(s).

进一步

τ(s1)x1(s)σ(s)=σ(s)σ(s1)σ(s)=σ(s)σ(s)=σ(s)[σ(s1)+τ(s1)x1(s)]=σ(s)τ(s1)x1(s),
(5.20)

因此,由(5.10)和(5.20)式,可得

λ=λ+Δ1[τ(s1)x1(s)σ(s)x(s)]=λΔ1[τ(s1)x1(s)σ(s)x(s)].

证毕.

用与推论5.1相同的方法,我们得到

推论 5.2    对方程(5.17)和(5.18),我们有

τ(s)=τ2(s+1),
(5.21)

λ=λκ1.
(5.22)

命题 5.3    伴随方程(5.7)可以改写为

σ(s+1)Δ10w(s)τ2(s+1)0w(s)+(λκ1)w(s)=0.
(5.23)

    由于

Δ0w(s)0w(s)=Δ(w(s)x(s)),

我们有

τ(s)Δ0w(s)=τ(s)0w(s)+τ(s)Δ(w(s)x(s))=τ(s)0w(s)+τ(s)Δx1(s)ΔΔx1(s)(w(s)x(s)),
(5.24)

将(5.24)式代入(5.7)式,我们有

[σ(s)+τ(s)Δx1(s)]ΔΔx1(s)(w(s)x(s))+τ(s)0w(s)+λw(s)=0.
(5.25)

由(5.16)式,可得

σ(s)+τ(s)Δx1(s)=σ(s+1).
(5.26)

将(5.26)式代入(5.25)式,且由(5.14)式,我们得

σ(s+1)Δ10w(s)τ2(s+1)0w(s)+(λκ1)w(s)=0.

证毕.

接下来我们要证明伴随方程(5.7)或(5.23)也是非一致格子上的超几何型差分方程.这仅需证明

˜σ(s)=σ(s)+12τ(s)Δx1(s)=σ(s+1)+12τ2(s+1)Δx1(s)

是关于变量x0(s)的至多二阶多项式.

事实上,由引理5.1和(5.12)式,可得

˜σ(s)=σ(s+1)+12τ2(s+1)x1(s+1)=˜σ2(s+1)

是关于变量x2(s+1)=x0(s)的至多二阶多项式.

因此,我们得到

定理 5.1    伴随方程(5.23)或

˜σ2(s+1)Δ10w(s)12τ2(s+1)[Δ0w(s)+0w(s)]+(λκ1)w(s)=0
(5.27)

也是非一致格子上的超几何型差分方程.

6 Rodrigues公式的一个推广

Yn(s)=ρn(sn)=ρ(s)n1j=0σ(si).

现在构造一个形如(3.3)式的差分方程,它有解Yn(s).改写为Yn(s)=ρ(s)σ(s)n1j=1σ(si).那么利用命题2.1和Pearson方程(5.3),我们有

nYn(s)=Yn(s)xn(s)=1xn(s)[ρ(s)σ(s)n1j=1σ(si)ρ(s1)σ(s1)n1i=1σ(s1i)]=1xn(s){[τ(s1)ρ(s1)x1(s)+σ(s1)ρ(s1)]n1i=1σ(si)ρ(s1)σ(s1)n1i=1σ(s1i)}.

那么我们得到一个解Yn(s)的差分方程

σ(sn)nYn(s)=(σ(s1)σ(sn)xn(s)+τ(s1)x1(s)xn(s))Yn(s1).
(6.1)

命题 6.1    如果u1(s)是以下差分方程的一个非平凡解

p1(s)ku(s)=p0(s)u(s1),
(6.2)

这里p1(s)0,那么它满足差分方程

(p1(s)p0(s)xk(s))Δk1ku(s)+(Δk1p1(s)p0(s)xk(s)Δxk1(s))Δku(s)Δk1p0(s)u(s)=0.
(6.3)

进一步,差分方程(6.3)的其它解是

u2(s)=Cu1(s)sN1p1(t)u1(t)dxk(t),

这里C是常数.

    将算子Δk1作用到方程(6.2)两边,我们有

p1(s)Δk1ku(s)+Δk1p1(s)Δku(s)=u(s)Δk1p0(s)+p0(s)Δk1u(s1).
(6.4)

由于

Δk1ku(s)=1Δxk1(s)(Δku(s)u(s)xk(s)),

则有

Δk1u(s1)=xk(s)Δxk1(s)(Δku(s)Δk1ku(s)Δxk1(s)).
(6.5)

将(6.5)式代入(6.4)式,我们得到关于u(s)的方程(6.3).记方程(6.3)其它另一解为u2(s),那么

k(u2(s)u1(s))=u1(s1)ku2(s)u2(s1)ku1(s)u1(s)u1(s1).
(6.6)

由以上推导, u2(s)满足

Δk1[p1(s)ku(s)p0(s)u(s1)]=0.

因此对任意常数C,有

p1(s)ku2(s)p0(s)u2(s1)=C.

那么,将(6.2)式代入(6.6)式,可得

k(u2(s)u1(s))=Cp1(s)u1(s).

由命题2.2,有

u2(s)=Cu1(s)sN1p1(t)u1(t)dxk(t).

证毕.

由上面命题,可得

ˆσ(s)Δ(n+1)nYn(s)+ˆτ(s)ΔnYn(s)+ˆλYn(s)=0,
(6.7)

这里

ˆσ(s)=σ(s1)+τ(s1)x1(s)=σ(s),
(6.8)

ˆτ(s)=σ(sn+1)σ(s1)Δx(n+1)(s)τ(s1)x1(s)Δx(n+1)(s)=τ(n+2)(s+1),
(6.9)

ˆλ=Δ(n+1)(σ(s1)σ(sn)xn(s)+τ(s1)x1(s)xn(s))=Δ(n+1)τ(n+1)(s).
(6.10)

由与第五节类似的方法,方程(6.7)可被改写成

σ(s+1)Δ(n+1)nYn(s)τ(n+2)(s+1)nYn(s)+ˆλYn(s)=0.
(6.11)

记方程(6.7)另外的解为ˆYn(s).那么

ˆYn(s)=ρ(s)n1j=0σ(sj)sN1ρ(t)nj=0σ(tj)dxn(t).
(6.12)

现在,对方程(6.7),让Y(n)n(s)=Δ(n)nYn(s).那么Y(n)n(s)满足

ˆσ(s)Δ10Y(n)n(s)+ˆτn(s)Δ0Y(n)n(s)+ˆμnY(n)n(s)=0.
(6.13)

由递推关系式(3.6)和(3.7),对任何非负整数k,我们有

ˆτk(s)=ˆσ(s+k)ˆσ(s)+ˆτ(s+k)Δxn(s+k12)Δxn(s+k12)=σ(sn+k+1)σ(s1)τ(s1)x1(s)Δxn(s+k12)=τ(nk+2)(s+1),
(6.14)

ˆμn=ˆλ+n1k=0Δknˆτk(s).
(6.15)

k是一个负整数,我们也将(6.14)式的右边记为ˆτk(s).k=n,我们得到

ˆτn(s)=σ(s+1)σ(s1)Δx(s12)τ(s1)x1(s)Δx1(s)=τ2(s+1)=τ(s).

由与第5节相同的方法,方程(6.13)可被改写为

σ(s+1)Δ10Yn(s)τ2(s+1)0Yn(s)+ˆμnYn(s)=0.
(6.16)

为了计算ˆμn,我们需要一个引理,它的证明类似于命题4.1.

引理 6.1    给定一个整数k,如果x(s)=c1qs+c2qs+c3,那么

ˆτk(s)=[qkn+2qnk2q12q12˜σ2(qkn+2+qnk2)˜τ2]xkn(s)+ˆc1(k)={ν[2(nk2)]˜σ2α[2(nk2)]τ}xnk(s)+ˆc1(k)=κ2(nk2)+1xkn+ˆc1(k);

如果x(s)=˜c1s2+˜c2s+˜c3,那么

ˆτk(s)=[(kn+2)˜σ˜τ]xkn(s)+ˆc2(k)=κ2(nk2)+1xkn+ˆc2(k);

这里ˆc1(k),ˆc2(k)是关于k的函数

ˆc1(k)=qkn+22qnk22q12q12[˜σ(0)+c3(2qkn+22qnk22)]+˜τ(0)(qkn+22+qnk22)+c3˜τkn+22)(qkn+22qnk2),ˆc2(k)=˜σ(0)(kn+2)+˜σ

推论 6.1    如果 x(s) = c_1q^s+c_2q^{-s}+c_3 x(s) = \widetilde{c} _1s^2+\widetilde{c}_2s+\widetilde{c}_3 ,那么

\begin{eqnarray*} \widehat{\mu}_n = - \kappa _{ - 1} - \kappa _n \nu (n) = - \kappa _{n-1} \nu (n+1). \end{eqnarray*}

    由(6.10)式,我们看到 \hat \lambda \mathrm{\ = }\Delta _{ - (n + 1)} \tau _{ - (n + 1)} (s) = \Delta _{ - (n + 1)} \hat \tau _{ - 1} (s) .那么,我们将(6.15)式写成

\begin{eqnarray}\widehat{\mu}_n = {\hat \lambda }+\sum\limits_{k = 0}^{n-1}\Delta_{k-n}\widehat{\tau}_k(s) = \sum\limits_{k = -1}^{n-1}\Delta_{k-n}\widehat{\tau}_k(s). \end{eqnarray}
(6.17)

那么由引理6.1,如果 x(s) = c_1q^s+c_2q^{-s}+c_3 ,则

\begin{eqnarray*} \widehat{\mu}_n & = &\sum\limits_{k = -1}^{n-1}\left[\frac{q^{k-n+2}-q^{n-k-2}}{q^{\frac{1}{2}}-q^{\frac{1}{2}}}\frac{\sigma^{\prime \prime }}{2}-\left(q^{k-n+2}+q^{n-k-2}\right)\frac{\tau^{\prime }}{2}\right] \\ & = &\sum\limits_{k = -1}^{n-1}\left[\frac{q^{-k}-q^{k}}{q^{\frac{1}{2}}-q^{\frac{1}{2}}}\frac{\sigma^{\prime \prime }}{2}-\left(q^{-k}+q^{k}\right)\frac{\tau^{\prime }}{2}\right] \\ & = &- \kappa _{ - 1}+ \sum\limits_{k = 0}^{n-1}\left[\frac{q^{-k}-q^{k}}{q^{\frac{1}{2}}-q^{\frac{1}{2}}}\frac{\sigma^{\prime \prime }}{2}-\left(q^{-k}+q^{k}\right)\frac{\tau^{\prime }}{2}\right] \\ & = & - \kappa _{ - 1} - \kappa _n \nu (n) = - \kappa _{n-1} \nu (n+1). \end{eqnarray*}

如果 x(s) = \widetilde{c}_1s^2+\widetilde{c}_2s+\widetilde{c}_3 ,则

\begin{eqnarray*} \widehat{\mu}_n & = &\sum\limits_{k = -1}^{n-1}\left[(k-n+2)\sigma^{\prime \prime }-\tau^{\prime }\right] = \sum\limits_{k = -1}^{n-1}\left[-k\sigma^{\prime \prime }-\tau^{\prime }\right] \\ & = &- \kappa _{ - 1}+\sum\limits_{k = 0}^{n-1}\left[-k\sigma^{\prime \prime }-\tau^{\prime }\right] = - \kappa _{ - 1} - n\kappa _n = - (n+1)\kappa _{n-1}. \end{eqnarray*}

证毕.

定理 6.1    如果 \lambda = \lambda _n = - \kappa _n \nu (n) ,那么方程(6.13)是

\begin{eqnarray*} L^*[Y_n^{(n)}(s)] = 0. \end{eqnarray*}

    我们仅证明当 \lambda = \lambda_n 的情形,有 \widehat{\mu}_n = \lambda^* .由(5.10)式和命题4.1,有

\begin{eqnarray}\lambda^*& = &\lambda_n-\Delta_{-1}\left(\tau(s-1)\frac{\nabla x_{-1}(s)}{\nabla x(s)}-\frac{\nabla \sigma(s)}{\nabla x(s)}\right) \\ & = &\lambda_n-\Delta_{-1}\tau_{-1}(s) = - \kappa _n \nu (n) - \kappa _{ - 1} = - \kappa _{n-1} \nu (n+1) . \end{eqnarray}
(6.18)

因此,由推论6.1,我们得到 \widehat{\mu}_n = \lambda^* .

由等式(5.11),我们有 L[\frac{1}{\rho}Y_n^{(n)}] = L^*[Y_n^{(n)}] = 0 .那么我们得到Rodrigues型公式的一个推广:

定理 6.2    如果

\lambda = \lambda_n \; \mbox{且}\;\lambda_m\neq \lambda_n\; \mbox{对}\; m = 0, 1, \cdots, n-1,

那么方程(3.1)的通解是

\begin{eqnarray*} y_n(s)& = &\frac{C_1}{\rho(x)}\Delta_{-n}^{(n)}[\rho(s)\prod\limits_{j = 0}^{n-1}\sigma(s-j)] \\ &&+\frac{C_2}{\rho(x)}\Delta_{-n}^{(n)}\left[\rho(s)\prod\limits_{j = 0}^{n-1}\sigma(s-j)\int_N^s\frac{1}{\rho(t)\prod\limits_{j = 0}^{n}\sigma(t-j)}d_\nabla x_{-n}(t)\right]. \end{eqnarray*}

7 更一般的Rodrigues公式

命题 7.1[10, p62]     设格子函数 x(s)具有形式

x(s) = c_{1}q^{s}+c_{2}q^{-s}+c_{3}\; \mbox{或}\; x(s) = c_{1}s^{2}+c_{2}s+c_{3},

这里q, c_{1}, c_{2}, c_{3}为常数.如果P_{n}[x_{k}(s)]是关于x_{k}(s)(k是一任意整数)的n阶多项式,那么\Delta _{k}P_{n}[x_{k}(s)]是一个关于x_{k+1}(s) n-1 阶多项式.

我们把(5.7)式与同类型的差分方程联系起来

\begin{equation}\sigma^*(s)\Delta_{-(n+1)}\nabla_{-n} v(s)+\gamma(s, n)\Delta_{-n} v(s)+\eta(n) v(s) = P_{n-1}[x_{-n}(s)], \end{equation}
(7.1)

这里\gamma(s, n)\eta(n)待定,且P_{n-1}[x_{-n}(s)]是一个关于x_{-n}(s)n-1阶任意多项式.现假定

\begin{eqnarray*} &&\Delta_{-n}^{(n)}\left[\sigma^*(s)\Delta_{-(n+1)}\nabla_{-n} v(s)+\gamma(s, n)\Delta_{-n} v(s)+\eta(n) v(s)\right] \\ & = &\sigma^*(s)\Delta_{-1}\nabla_0 w(s)+\tau^*(s)\Delta_0 w(s)+\lambda^*w(s) = 0 \end{eqnarray*}

w(s) = \Delta_{-n}^{(n)}v(s).

进一步,我们假设

\begin{eqnarray}&&\sigma^*(s)\Delta_{-n-1}\nabla_{-n} v(s)+\gamma(s, n)\Delta_{-n} v(s)+\eta(n) v(s) \\ & = &\Delta_{-(n+1)}\left[\sigma^*(s)\nabla_{-n} v(s)+\ell(s, n)v(s)\right], \end{eqnarray}
(7.2)

这里\ell(s, n)待定.现在,由递推关系式(3.6)和(3.7),对任何非负整数k,我们有

\gamma_k(s, n) = \frac{\sigma^*(s+k)-\sigma^*(s)+\gamma(s+k, n)\Delta x_{-n}(s+k-\frac{1}{2})}{\Delta x_{-n+k-1}(s)}, \; \gamma_0(s, n) = \gamma(s, n),

\eta_k(n) = \eta(n)+\sum\limits_{j = 0}^{k-1}\Delta_{j-n}\gamma_j(s, n), \; \eta_0(n) = \eta(n).

k=n,则有

\begin{eqnarray}\tau^*(s)& = &\gamma_n(s, n) = \frac{\sigma^*(s+n)-\sigma^*(s)+\gamma(s+n, n)\Delta x_{-n}(s+n-\frac{1}{2})}{\Delta x_{-n}(s+\frac{n-1}{2})} \\ & = &\frac{\sigma(s+1)-\sigma(s-1)}{\Delta x_{-1}(s)}-\tau(s-1)\frac{\nabla x_{-1}(s)}{\Delta x_{-1}(s)}, \end{eqnarray}
(7.3)

\begin{equation}\lambda^* = \eta(n)+\sum\limits_{j = 0}^{n-1}\Delta_{j-n}\gamma_j(s, n) = \lambda-\nabla_{-1}\left(\tau(s-1)\frac{\nabla x_{-1}(s)}{\nabla x(s)}-\frac{\nabla\sigma(s)}{\nabla x(s)}\right). \end{equation}
(7.4)

由(7.3)式,我们得

\begin{eqnarray}\gamma(s, n) = \frac{\sigma(s-n+1)-\sigma(s-1)-\tau(s-1)\nabla x_{-1}(s)}{\Delta x_{-n}(s-\frac{1}{2})}. \end{eqnarray}
(7.5)

进一步,从(7.2)式和命题2.1,我们得

\begin{equation} \ell(s+1, n)\frac{\Delta x_{-n}(s)}{\Delta x_{-(n+1)}(s)}+\Delta_{-(n+1)}\sigma^*(s) = \gamma(s, n), \end{equation}
(7.6)

\begin{equation} \Delta_{-(n+1)}\ell(s, n) = \eta(n). \end{equation}
(7.7)

从(7.5)和(7.6)式,我们得

\begin{eqnarray}\ell(s, n) = \frac{\sigma(s-n)-\sigma(s-1)-\tau(s-1)\nabla x_{-1}(s)}{\nabla x_{-n}(s)}. \end{eqnarray}
(7.8)

那么, \eta(n)=\widehat{\lambda}.现在,我们计算\lambda.注意到,对任何非负整数k,有

\gamma_k(s, n) = \frac{\sigma(s+k-n+1)-\sigma(s-1)-\tau(s-1)\nabla x_{-1}(s)}{\Delta x_{k-n-1}(s)} = \widehat{\tau}_k(s).

由(6.17)和(6.18)式,可得

\lambda_n = \nabla_{-1}\tau_{-1}(s)+\widehat{\lambda}+\sum\limits_{j = 0}^{n-1}\Delta_{j-n}\widehat{\tau}_k(s).

那么由(7.4),我们得\lambda=\lambda_n.

由命题7.1,可得

\begin{equation}\sigma^*(s)\nabla_{-n} v(s)+\ell(s, n)v(s) = P_n[x_{-(n+1)}(s)]. \end{equation}
(7.9)

现在,我们解方程(7.9).首先,我们考虑下面方程的解

\begin{eqnarray}\sigma^*(s)\nabla_{-n} v(s)+\ell(s)v(s) = 0. \end{eqnarray}
(7.10)

方程(7.10)可被改写为

\begin{equation}\sigma(s-n)v(s) = \left(\sigma(s-1)+\tau(s-1)\nabla x_{-1}(s)\right)v(s-1). \end{equation}
(7.11)

进一步,由Pearson方程(5.3),可得

\rho(s)\sigma(s) = \left[\sigma(s-1)+\tau(s-1)\nabla x_{-1}(s)\right]\rho(s-1).

那么方程(7.11)变成

\frac{v(s)}{v(s-1)} = \frac{\rho(s)\sigma(s)}{\rho(s-1)\sigma(s-n)}.

容易证明以上方程的解是

v(s) = C\rho(s)\prod\limits_{i = 0}^{n-1}\sigma(s-i),

这里C是一个常数.

现在,让

\begin{equation}v(s) = C(s)\rho(s)\prod\limits_{i = 0}^{n-1}\sigma(s-i). \end{equation}
(7.12)

那么,将(7.12)式代入(7.9)式,则有

\nabla_{-n}C(s) = \frac{P_n[x_{-(n+1)}(s)]}{\rho(s)\prod\limits_{i = 0}^n\sigma(s-i)}.

然后,应用命题2.2,可得

C(s) = \int_N^s\frac{P_n[x_{-(n+1)}(t)]}{\rho(t)\prod\limits_{i = 0}^n\sigma(t-i)}{\rm d}_\nabla x_{-n}(t)+\widetilde{C},

这里\widetilde{C}是一个常数.由于

\rho(s)y(s) = w(s) = \Delta_{-n}^{(n)}v(s),

我们得如下定理.

定理 7.1    如果

\lambda = \lambda_n \; \mbox{和}\;\lambda_m\neq \lambda_n\; \mbox{对}\; m = 0, 1, \cdots, n-1,

那么方程(3.1)的通解是

\begin{eqnarray*} y_n(s)& = &\frac{C}{\rho(x)}\Delta_{-n}^{(n)}[\rho(s)\prod\limits_{j = 0}^{n-1}\sigma(s-j)] \\ &&+\frac{1}{\rho(x)}\Delta_{-n}^{(n)}\left[\rho(s)\prod\limits_{j = 0}^{n-1}\sigma(s-j)\int_N^s\frac{P_n[x_{-(n+1)}(t)]}{\rho(s)\prod\limits_{j = 0}^{n}\sigma(t-j)}{\rm d}_\nabla x_{-n}(t)\right], \end{eqnarray*}

这里C是任意常数且P_n(\cdot)是一个n-阶多项式.

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