오일러-가우스 초기하함수2F1

이 항목의 스프링노트 원문주소

• 오일러-가우스 초기하함수
  

 

 

개요

• 초기하급수
  \(\,_2F_1(a,b;c;z)=\sum_{n=0}^{\infty} \frac{(a)_n(b)_n}{(c)_nn!}z^n, |z|<1\)
  여기서 \((a)_n=a(a+1)(a+2)...(a+n-1)\)에 대해서는 Pochhammer 기호와 캐츠(Kac) 기호 항목 참조
  
• 적분표현
  \(\,_2F_1(a,b;c;z)=\frac{\Gamma(c)}{\Gamma(c-a)\Gamma(a)}\int_0^1t^{a-1}(1-t)^{c-a-1}(1-zt)^{-b}\,dt\)
  
• 초기하급수의 해석적확장을 통해 얻어진 함수를 초기하함수라 함
  
• 오일러, 가우스, 쿰머, 리만, 등의 연구
  

 

 

초기하급수로 표현되는 함수의 예

• 많은 special function 은 초기하함수의 파라미터를 변화시켜 얻어짐
  타원적분
  \(K(k) =\frac{\pi}{2}\,_2F_1(\frac{1}{2},\frac{1}{2};1;k^2)\)
  \(E(k) =\frac{\pi}{2}\,_2F_1(\frac{1}{2},-\frac{1}{2};1;k^2)\)
  

 

 

피카드-Fuchs 미분방정식

• \(\,_2F_1(a,b;c;z)\) 는 다음 미분방정식의 해가 된다
  \(z(1-z)\frac{d^2w}{dz^2}+(c-(a+b+1)z)\frac{dw}{dz}-abw = 0\)
  
• 초기하 미분방정식(Hypergeometric differential equations) 참조
  

 

 

오일러의 항등식

\(_2F_1 (a,b;c;z) = (1-z)^{-a} {}_2F_1 (a, c-b;c ; \frac{z}{z-1})\)

\(_2F_1 (a,b;c;z) = (1-z)^{-b}{}_2F_1(c-a,b;c;\frac{z}{z-1})\)

\(_2F_1 (a,b;c;z) = (1-z)^{c-a-b}{}_2F_1 (c-a, c-b;c ; z)\)

 

(증명)

다음 적분표현을 활용

\(\,_2F_1(a,b;c;z)=\frac{\Gamma(c)}{\Gamma(c-a)\Gamma(a)}\int_0^1t^{a-1}(1-t)^{c-a-1}(1-zt)^{-b}\,dt\)

위의 우변에서 \(t\to 1-t\), \(t\to \frac{t}{1-z-tz}\), \(t\to \frac{1-t}{1-tz}\)의 변환을 이용하면 항등식이 얻어진다. ■

 

• 쿰머의 초기하 미분방정식(Hypergeometric differential equations)에 대한 24개의 해를 표현하는데 사용됨
  

 

 

contiguous 관계

• 두 초기하급수가 있을 때, 세 파라미터가 정수만큼 다른 경우 contiguous라 함
  
• 예
  \(_2F_1(a,b;c;z)\)와 \(_2F_1(a\pm1,b;c;z)\)
  \(_2F_1(a,b;c;z)\)와 \(_2F_1(a1,b;c\pm1;z)\)
  
• \(_2F_1(a,b;c;z)\)와 contiguous 관계를 갖는 두 초기하급수가 있을 때, 이 세 초기하급수 사이에는 a,b,c,z를 계수로 갖는 선형종속 관계가 성립
  \(a(z-1)F (a + 1, b; c; z) + (2a-c-az + bz)F(a, b; c; z) + (c - a)F(a - 1, b; c; z) = 0\)
  \(aF(a + 1, b; c; z) - (c - 1)F (a, b; c - 1; z) + (c - a - 1)F (a, b; c; z) = 0\)
  \(aF(a + 1, b; c; z) - bF(a, b + 1; c; z) + (b - a)F(a, b; c; z) = 0\)
  

 

 

타원적분과 초기하급수

• 제1종타원적분 K (complete elliptic integral of the first kind)
  \(K(k) = \frac{\pi}{2}\sum_{n=0}^{\infty}\frac{(\frac{1}{2})_n(\frac{1}{2})_n}{n!(1)_n}k^{2n} = \frac{\pi}{2}\,_2F_1(\frac{1}{2},\frac{1}{2};1;k^2)\) [[제1종타원적분 K (complete elliptic integral of the first kind)|]]
  

(증명)

\(K(k) = \int_0^{\frac{\pi}{2}} \frac{d\theta}{\sqrt{1-k^2 \sin^2\theta}} = \int_0^{\frac{\pi}{2}}\sum_{n=0}^{\infty}\frac{(\frac{1}{2})_n}{n!} k^{2n}\sin^{2n}\theta{d\theta} \)

\(\int_0^{\frac{\pi}{2}}\sin^{2n}\theta{d\theta}=\frac{\pi}{2}\frac{(\frac{1}{2})_n}{(1)_n}\) (감마함수) 이므로

\(K(k) = \frac{\pi}{2}\sum_{n=0}^{\infty}\frac{(\frac{1}{2})_n(\frac{1}{2})_n}{n!(1)_n}k^{2n} = \frac{\pi}{2}\,_2F_1(\frac{1}{2},\frac{1}{2};1;k^2)\)■

 

 

모듈라 함수와의 관계

• 라마누잔과 파이
  

 

[BB1998]Pi and the AGM

• Jonathan M. Borwein, Peter B. Borwein, Wiley-Interscience (July 13, 1998)

179,180p

 

[Nes2002] 159p

 

 

슈워츠 s-함수

• 세 파라메터 a,b,c에 대한 초기하 미분방정식의 일차독립인 두 해의 비율로 얻어지는 함수
• \(\alpha=1-c,\beta=b-a,\gamma=c-a-b\) 로 두면, 상반평면을 \(\alpha\pi,\beta\pi,\gamma\pi\) 를 세 각으로 갖는 삼각형로 보낸다
  
• 역함수를 슈워츠 s-함수라 한다
  

 

 

special values

• Chu-Vandermonde 공식
  \(\,_2F_1(-n,b;c;1)=\dfrac{(c-b)_{n}}{(c)_{n}}\)
  아래 가우스 공식에서 \(a=-n\)인 경우에 얻어진다
  

• 가우스 공식
  \(\,_2F_1(a,b;c;1)=\dfrac{\Gamma(c)\,\Gamma(c-a-b)}{\Gamma(c-a)\Gamma(c-b)}\)
  
• 위의 두 식에 대해서는 초기하 급수의 합공식
  
• 렘니스케이트(lemniscate) 곡선과 타원적분
  \(\frac{\pi}{2}\,_2F_1(\frac{1}{2},\frac{1}{2};1;\frac{1}{2})=K(\frac{1}{\sqrt{2}})=\frac{1}{4}B(1/4,1/4)=\frac{\Gamma(\frac{1}{4})^2}{4\sqrt{\pi}}=1.8540746773\cdots\)
  
• http://mathworld.wolfram.com/HypergeometricFunction.html
  \(_2F_1(\frac{1}{3},\frac{2}{3};\frac{5}{6};\frac{27}{32})=\frac{8}{5}\)
  \(_2F_1(\frac{1}{4},\frac{1}{2};\frac{3}{4};\frac{80}{81})=\frac{9}{5}\)
  \(_2F_1(\frac{1}{8},\frac{3}{8};\frac{1}{2};\frac{2400}{2401})=\frac{2}{3}\sqrt{7}\)
  \(_2F_1(\frac{1}{6},\frac{1}{3};\frac{1}{2};\frac{25}{27})=\frac{3}{4}\sqrt{3}\)
  \(_2F_1(\frac{1}{6},\frac{1}{2};\frac{2}{3};\frac{125}{128})=\frac{4}{3}\sqrt[6]2\)
  \(_2F_1(\frac{1}{12},\frac{5}{12};\frac{1}{2};\frac{1323}{1331})=\frac{3}{4}\sqrt[4]{11}\)
  \(_2F_1(\frac{1}{12},\frac{5}{12};\frac{1}{2};\frac{121}{125})=\frac{\sqrt[6]{2}\sqrt[4]{15}}{4\sqrt{\pi}}\frac{\Gamma(\frac{1}{3})^3}{\Gamma(\frac{1}{4})^2}(1+\sqrt{3})\)
  

 

 

재미있는 사실

 

• 네이버 지식인 http://kin.search.naver.com/search.naver?where=kin_qna&query=

 

 

역사

• 수학사연표

 

 

 

 

관련된 항목들

• periods
  
• 무리수와 초월수
  
• 오일러 베타적분
  
• Special functions
  
• 맴돌이군과 미분방정식
  

 

 

수학용어번역

• http://www.google.com/dictionary?langpair=en%7Cko&q=
• 대한수학회 수학 학술 용어집
  
  • http://mathnet.kaist.ac.kr/mathnet/math_list.php?mode=list&ftype=eng_term&fstr=
• 대한수학회 수학용어한글화 게시판

 

 

사전 형태의 자료

• http://ko.wikipedia.org/wiki/초기하함수
• http://en.wikipedia.org/wiki/hypergeometric_functions
• http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_hypergeometric_identities
• http://en.wikipedia.org/wiki/hypergeometric_differential_equation
• http://en.wikipedia.org/wiki/Frobenius_solution_to_the_hypergeometric_equation
• http://en.wikipedia.org/wiki/
• http://www.wolframalpha.com/input/?i=
• NIST Digital Library of Mathematical Functions
• The On-Line Encyclopedia of Integer Sequences
  
  • http://www.research.att.com/~njas/sequences/?q=

 

 

expository articles

• On the Kummer Solutions of the Hypergeometric Equation
  
  • Reese T. Prosser, The American Mathematical Monthly, Vol. 101, No. 6 (Jun. - Jul., 1994), pp. 535-543   

• Ramanujan and hypergeometric and basic hypergeometric series
  
  • R Askey 1990 Russ. Math. Surv. 45 37-86

 

 

관련논문

• On the contiguous relations of hypergeometric series
  
  • Medhat A. Rakha, Adel K. Ibrahim, Journal of Computational and Applied Mathematics, Volume 192, Issue 2, 1 August 2006, Pages 396-410
• Transcendence of periods: the state of the art.
  
  • M. Waldschmidt., Pure Appl. Math. Q. 2 (2006), 435-463.
    
• Exceptional sets of hypergeometric series
  
  • Natália Archinard, Journal of Number Theory Volume 101, Issue 2, August 2003, Pages 244-269
    
• [Nes2002]On the Algebraic Independence of Numbers
  
  • Yu.V. Nesterenko, in A panorama in number theory, or, The view from Baker's garden (by Alan Baker,Gisbert Wüstholz), 2002
    

• Special values of the hypergeometric series III
  
  • Joyce, G. S.; Zucker, I. J., Mathematical Proceedings of the Cambridge Philosophical Society (2002), 133 : 213-222

• Special values of the hypergeometric series II
  
  • Joyce, G. S.; Zucker, I. J., Mathematical Proceedings of the Cambridge Philosophical Society (2001), 131 : 309-319
• Special values of the hypergeometric series
  
  • Joyce, G. S.; Zucker, I. J., Mathematical Proceedings of the Cambridge Philosophical Society (1991)  volume: 109  issue: 2  page: 257

• Werte hypergeometrischer funktionen
  
  • Jürgen Wolfart, Inventiones Mathematicae Volume 92, Number 1 / 1988년 2월

• http://www.jstor.org/action/doBasicSearch?Query=
• http://dx.doi.org/10.1007/978-3-7643-8284-1_2

 

 

관련도서

• 도서내검색
  
  • http://books.google.com/books?q=
  • http://book.daum.net/search/contentSearch.do?query=
• 도서검색
  
  • http://books.google.com/books?q=
  • http://book.daum.net/search/mainSearch.do?query=
  • http://book.daum.net/search/mainSearch.do?query=

 

 

관련기사

• 네이버 뉴스 검색 (키워드 수정)
  
  • http://news.search.naver.com/search.naver?where=news&x=0&y=0&sm=tab_hty&query=
  • http://news.search.naver.com/search.naver?where=news&x=0&y=0&sm=tab_hty&query=
  • http://news.search.naver.com/search.naver?where=news&x=0&y=0&sm=tab_hty&query=

 

 

블로그

• 구글 블로그 검색
  
  • http://blogsearch.google.com/blogsearch?q=
• 네이버 오늘의과학
• 수학동아
• Mathematical Moments from the AMS
• BetterExplained