超几何函数

更新时间:2023-12-24 19:48

在数学中,高斯超几何函数或普通超几何函数2F1(a,b;c;z)是一个用超几何级数定义的函数,很多特殊函数都是它的特例或极限。

超几何级数

当 c不是0,-1,-2...时,对于|z|<1,超几何函数可用如下幂级数定义

其中 是Pochhammer符号,定义为:

当a或b是0或负整数时级数只有有限项。

对于满足|z|≥1 的复数z,超几何函数可以通过将上述在单位圆内定义的函数沿着避开支点0和1的任意路径做解析延拓来得到。

特殊情形

很多普通的数学函数可以用超几何函数或它的极限表示出来,一些典型的例子如下:

合流超几何函数(Kummer函数)可以用超几何函数的极限表示如下

因此,所有合流超几何函数的特例,例如贝塞尔函数都可以表示成超几何函数的极限。

勒让德函数是有3个正则奇点的二阶线性常微分方程的解,可以用以不同的形式用超几何函数表示,例如

很多多项式,例如贾可比多项式P(α,β)

n及其特殊情形勒让德多项式,车比雪夫多项式,Gegenbauer多项式都能用超几何函数表示

其它特殊情形还包括Krawtchouk多项式,Meixner多项式,Meixner–Pollaczek多项式。

椭圆模函数有时能表示成参数a,b,c是1, 1/2, 1/3, ... 或 0 的超几何函数之比的反函数。例如,若

是τ的椭圆模函数.

不完整的beta函数Bx(p,q) 表示成

完整的椭圆积分K和E如下给出

超几何方程

超几何函数满足的微分方程称为超几何方程,其形式为(参见广义超几何函数

展开后,得

它有三个正则奇点:0, 1, ∞.

变换公式

分式线性变换

Pfaff 变换

Pfaff 变换将正则奇点 1 和 ∞ 交换(也就是将李代数参数中的β与μ对换):

由a,b的对称性自然有:

Euler 变换

Pfaff 变换可以导出 Euler 变换,它将李代数参数β变成 -β:

Pfaff 变换和 Euler 变换都是分式线性变换的例子,这得名于等式两边的超几何函数的宗量的联系,参见莫比乌斯变换

将上面提到的四个连接关系与 Pfaff 变换及 Euler 变换组合起来,就得到完整的 Kummer 表。

给定一组李代数参数(α,β,μ),(±α,±β,±μ) 及其轮换对应着 24 个不同但彼此关联的超几何函数(Fα,β,μ恒等于Fα,β,-μ),利用前面提到的四个连接关系和 Pfaff 变换,它们中的任意一个可以通过任意另外两个表出。

例如 Euler 变换可以表示为:

二次变换

下面是一个二次变换的例子:

二次变换得名于等号两边超几何函数宗量的联系(一个二次函数和一个莫比乌斯变换的组合)。

三次高次变换

若一组李代数参数满足下列条件:有两个是 ±1/3,或者三个参数的绝对值相等,则有一个三次变换的公式将它与另一个超几何函数联系起来。

另外有一些 4 次和 6 次变换的公式。其它次数的变换公式只有当参数取特定有理数值时存在。

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