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超幾何函數

鎖定
在數學中,高斯超幾何函數普通超幾何函數2F1(a,b;c;z)是一個用超幾何級數定義的函數,很多特殊函數都是它的特例或極限。 [1] 
所有具有三個正則奇點的二階線性常微分方程的解都可以用超幾何函數表示。
中文名
超幾何函數
外文名
hypergeometric functions
應用學科
數學
相關術語
超幾何級數
表達式
2F1(a,b;c;z)
所屬領域
數學
類    型
數學術語

超幾何函數超幾何級數

當 c不是0,-1,-2...時,對於|z|<1,超幾何函數可用如下冪級數定義 [2] 
其中
是Pochhammer符號,定義為:
ab0或負整數時級數只有有限項。
對於滿足|z|≥1 的複數z,超幾何函數可以通過將上述在單位圓內定義的函數沿着避開支點01的任意路徑做解析延拓來得到。

超幾何函數特殊情形

很多普通的數學函數可以用超幾何函數或它的極限表示出來,一些典型的例子如下:
合流超幾何函數(Kummer函數)可以用超幾何函數的極限表示如下
因此,所有合流超幾何函數的特例,例如貝塞爾函數都可以表示成超幾何函數的極限。
勒讓德函數是有3個正則奇點的二階線性常微分方程的解,可以用以不同的形式用超幾何函數表示,例如
很多多項式,例如賈可比多項式P(α,β)
n及其特殊情形勒讓德多項式,車比雪夫多項式,Gegenbauer多項式都能用超幾何函數表示
其它特殊情形還包括Krawtchouk多項式,Meixner多項式,Meixner–Pollaczek多項式。
橢圓模函數有時能表示成參數a,b,c是1, 1/2, 1/3, ... 或 0 的超幾何函數之比的反函數。例如,若
τ的橢圓模函數.
不完整的beta函數Bx(p,q) 表示成
完整的橢圓積分KE如下給出

超幾何函數超幾何方程

超幾何函數滿足的微分方程稱為超幾何方程,其形式為(參見廣義超幾何函數 [3] 
展開後,得
它有三個正則奇點:0, 1, ∞.

超幾何函數變換公式

超幾何函數分式線性變換

Pfaff 變換
Pfaff 變換將正則奇點 1 和 ∞ 交換(也就是將李代數參數中的β與μ對換):
由a,b的對稱性自然有:

超幾何函數Euler 變換

Pfaff 變換可以導出 Euler 變換,它將李代數參數β變成 -β:
Pfaff 變換和 Euler 變換都是分式線性變換的例子,這得名於等式兩邊的超幾何函數的宗量的聯繫,參見莫比烏斯變換
將上面提到的四個連接關係與 Pfaff 變換及 Euler 變換組合起來,就得到完整的 Kummer 表。
給定一組李代數參數(α,β,μ),(±α,±β,±μ) 及其輪換對應着 24 個不同但彼此關聯的超幾何函數(Fα,β,μ恆等於Fα,β,-μ),利用前面提到的四個連接關係和 Pfaff 變換,它們中的任意一個可以通過任意另外兩個表出。
例如 Euler 變換可以表示為:

超幾何函數二次變換

下面是一個二次變換的例子:
二次變換得名於等號兩邊超幾何函數宗量的聯繫(一個二次函數和一個莫比烏斯變換的組合)。

超幾何函數三次高次變換

若一組李代數參數滿足下列條件:有兩個是 ±1/3,或者三個參數的絕對值相等,則有一個三次變換的公式將它與另一個超幾何函數聯繫起來。
另外有一些 4 次和 6 次變換的公式。其它次數的變換公式只有當參數取特定有理數值時存在。
參考資料
  • 1.    王竹溪, 郭敦仁. 特殊函數槪論[M]. 北京大學出版社, 2000.
  • 2.    Hazewinkel, Michiel (編), Hypergeometric function, 數學百科全書, Springer, 2001, ISBN 978-1-55608-010-4
  • 3.    Olde Daalhuis, A. B., Hypergeometric Function, (編) Olver, Frank W. J.; Lozier, Daniel M.; Boisvert, Ronald F.; Clark, Charles W., NIST Handbook of Mathematical Functions, Cambridge University Press, 2010, ISBN 978-0521192255, MR2723248