ガウスの微分方程式

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数学解析学分野に於けるガウスの微分方程式(またはガウスの超幾何微分方程式)とは以下の形で与えられる2階線形微分方程式である。;

  • x(1x)y+{γ(α+β+1)x}yαβy=0

概要[編集]

上記微分方程式の冪級数解をy=m=0cmxm と置いて項別微分したら

y=m=1mcmxm1,y=m=2m(m1)cmxm2

となるが、これらをガウスの超幾何微分方程式に代入してxmの項の係数を零とおけば

(m+1)mcm+1m(m1)cm+γ(m+1)cm+1(α+β+1)mcmαβy=0

が成り立ち、cm+1に関して解けば漸化式

  • cm+1=(m+α)(m+β)(m+1)(m+γ)cm

が得られる。

この漸化式の番号にm=0,1,2…と値を代入していって逐次係数を求めてゆけば

  • cm=1m!(α)m(β)m(γ)mc0

となる。ここで

(x)m=x(x+1)(x+2)(x+m1)

である。

最初の係数をc0=1と置いて上記漸化式を上述の冪級数解に代入したら

  • y=F(α,β,γ;x)=m=0(α)m(β)m(γ)mxmm!

なる解が導かれる。この右辺の冪級数はガウスの超幾何級数と呼ばれている。

斯くの如き級数で表される関数をガウスの超幾何関数という。

ルジャンドルの微分方程式との関係★[編集]

ルジャンドルの微分方程式

(1x2)y2xy+n(n+1)y=0

に対して変数変換t=(1x)/2を施すと

dtdx=12,y=dydtdtdx=12y˙
y=dydtdtdx=ddt(12y˙)(12)=14y¨

及びx=12tより

1x2=4t(1t),2x=2(12t)

が得られるが、これらをルジャンドルの方程式に代入すれば

t(1t)y¨+(12t)y˙+n(n+1)y=0

が成り立つ。(※ドット「•」は変数tに関する微分を表わす。オイラーの微分方程式と同じ要領ね☆)これとガウスの微分方程式の係数を比較すると

γ=1,α+β=1,αβ=n(n+1)

が言える。これより

αβ=α(1α)=α2α=n2+n

となり

α2n2αn=(α+n)(αn)(α+n)=(α+n)(αn1)=0

が求まる。従ってα=n+1,nが得られる。

ゆえにルジャンドル多項式はガウスの超幾何関数を用いて

  • Pn(x)=F(n+1,n,1;1x2)

と表わせる事が分かった。//

関連項目[編集]