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
Hypergeometric Type Difference Equations on Nonuniform Lattices: Rodrigues Type Representation for the Second Kind Solution
通讯作者:
收稿日期: 2017-03-14
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Received: 2017-03-14
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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:
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:
本文引用格式
程金发, 贾鲁昆.
Cheng Jinfa, Jia Lukun.
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.
设
称为超几何型微分方程.如果对于正整数
这里
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].
这里
这里
这里
(这里
定义 1.1 两类格子函数
这里
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
设
进一步,对任何非负整数
下面这些性质容易验证.
命题 2.1 给定具有复变量
为了处理逆算子
选取
因此,我们定义
容易验证
命题 2.2 给定具有复变量
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
在下文中,我们假设格子
让
那么对非负整数
这里
为了研究方程(3.2)解的更多性质,下面的方程是有用的
将方程(3.2)改写为等价形式
这里
我们发现
注 3.1 当
将方程(3.3)改写成自相伴形式
这里
让
如果对正整数
4 $ \tau _k (s), \mu _k $ 和$ \lambda_n $ 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
命题 4.1 给定任意整数
这里
且
如果
这里
证 我们仅仅证明
一些简单的计算后,我们得到
进一步,
进一步,有
且
将(4.2)和(4.5)式代入(3.5)式,就可得结论.
引理 4.1[18] 对
从(3.7)式, (3.8)式和引理4.1,我们有
命题 4.2 若
这里
证 如果
这里
如果
证毕.
由命题4.2和(3.8)式,我们有
5 非一致格子上超几何差分方程的伴随方程
让
那么方程(5.1)有自相伴形式
这里
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.
让
将(5.4)式代入(5.2)式,我们得
由Pearson型方程(5.3),有
那么
将(5.6)式代入(5.5)式,可得
这里
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
引理 5.1[18] 让
分别是关于变量
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
且
证 由于
置
现在由(5.9)式和命题4.1,可得
同理,从(5.10)和(5.13)式,我们得到
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
证 从(5.9)式我们有
从(5.8)和(5.19)式,我们有
因此
由(5.8)式,我们得
因此
进一步
因此,由(5.10)和(5.20)式,可得
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
且
命题 5.3 伴随方程(5.7)可以改写为
证 由于
我们有
将(5.24)式代入(5.7)式,我们有
由(5.16)式,可得
将(5.26)式代入(5.25)式,且由(5.14)式,我们得
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
是关于变量
事实上,由引理5.1和(5.12)式,可得
是关于变量
因此,我们得到
定理 5.1 伴随方程(5.23)或
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
让
现在构造一个形如(3.3)式的差分方程,它有解
那么我们得到一个解
命题 6.1 如果
这里
进一步,差分方程(6.3)的其它解是
这里
证 将算子
由于
则有
将(6.5)式代入(6.4)式,我们得到关于
由以上推导,
因此对任意常数
那么,将(6.2)式代入(6.6)式,可得
由命题2.2,有
证毕.
由上面命题,可得
这里
由与第五节类似的方法,方程(6.7)可被改写成
记方程(6.7)另外的解为
现在,对方程(6.7),让
由递推关系式(3.6)和(3.7),对任何非负整数
且
当
由与第5节相同的方法,方程(6.13)可被改写为
为了计算
引理 6.1 给定一个整数
如果
这里
推论 6.1 如果
证 由(6.10)式,我们看到
那么由引理6.1,如果
如果
证毕.
定理 6.1 如果
证 我们仅证明当
因此,由推论6.1,我们得到
由等式(5.11),我们有
定理 6.2 如果
那么方程(3.1)的通解是
7 更一般的Rodrigues公式
命题 7.1[10, p62] 设格子函数
这里
我们把(5.7)式与同类型的差分方程联系起来
这里
且
进一步,我们假设
这里
当
由(7.3)式,我们得
进一步,从(7.2)式和命题2.1,我们得
从(7.5)和(7.6)式,我们得
那么,
由(6.17)和(6.18)式,可得
那么由(7.4),我们得
由命题7.1,可得
现在,我们解方程(7.9).首先,我们考虑下面方程的解
方程(7.10)可被改写为
进一步,由Pearson方程(5.3),可得
那么方程(7.11)变成
容易证明以上方程的解是
这里
现在,让
那么,将(7.12)式代入(7.9)式,则有
然后,应用命题2.2,可得
这里
我们得如下定理.
定理 7.1 如果
那么方程(3.1)的通解是
这里
参考文献
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,DOI:10.2307/2312798
Generalizations of the formulas of Rodrigues and Schlafli
,
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Contiguous relations, basic hypergeometric functions, and orthogonal polynomials (I)
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