超幾何関数(ちょうきかかんすう、英: hypergeometric function)は以下の超幾何級数で定義される特殊関数である。
![{\displaystyle F(a,b;c;z):={_{2}F_{1}}\left[{\begin{matrix}a,b\\c\end{matrix}};z\right]=\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {(a)_{n}(b)_{n}}{(c)_{n}\;n!}}z^{n}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/ac3073dfb4db57eadcde3f0b63b6672acec383bf)
ただし、(x)n はポッホハマー記号で表した昇冪 (x)0 = 1、(x)n = x (x+1) (x+2)…(x+n−1) である。
概要
超幾何関数は多くの初等関数や特殊関数を包含する。
対数関数、逆三角関数
![{\displaystyle {\begin{aligned}\log(1+z)&=z\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {(-1)^{n}}{n+1}}z^{n}=z\cdot {_{2}F_{1}}\left[{\begin{matrix}1,1\\2\end{matrix}};-z\right]\\\log \left({\frac {1+z}{1-z}}\right)&=2z\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {1}{2n+1}}z^{2n}=2z\cdot {_{2}F_{1}}\left[{\begin{matrix}{\frac {1}{2}},1\\{\frac {3}{2}}\end{matrix}};z^{2}\right]\\\sin ^{-1}z&=z\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {(2n-1)!!}{(2n)!!(2n+1)}}z^{2n}=z\cdot {_{2}F_{1}}\left[{\begin{matrix}{\frac {1}{2}},{\frac {1}{2}}\\{\frac {3}{2}}\end{matrix}};z^{2}\right]\\\tan ^{-1}z&=z\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {(-1)^{n}}{2n+1}}z^{2n}=z\cdot {_{2}F_{1}}\left[{\begin{matrix}{\frac {1}{2}},1\\{\frac {3}{2}}\end{matrix}};-z^{2}\right]\\\end{aligned}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/f5bb2d7400f537d62dfd0d2a83d00c216238f130)
完全楕円積分
![{\displaystyle {\begin{aligned}K(k)&={\frac {\pi }{2}}\sum _{n=0}^{\infty }{\left({\frac {(2n-1)!!}{(2n)!!}}\right)^{2}k^{2n}}={\frac {\pi }{2}}\cdot {_{2}F_{1}}\left[{\begin{matrix}{\frac {1}{2}},{\frac {1}{2}}\\1\end{matrix}};k^{2}\right]\\E(k)&={\frac {\pi }{2}}\sum _{n=0}^{\infty }{\left({\frac {(2n-1)!!}{(2n)!!}}\right)^{2}{\frac {k^{2n}}{1-2n}}}={\frac {\pi }{2}}\cdot {_{2}F_{1}}\left[{\begin{matrix}{\frac {1}{2}},-{\frac {1}{2}}\\1\end{matrix}};k^{2}\right]\\\end{aligned}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/bb57df313e3e16672b60da2eb5a9f53eeec0337b)
オイラー積分表示
ガウスの超幾何関数はオイラー積分で表される[1][2]。
![{\displaystyle F(a,b;c;z)={\frac {\Gamma (c)}{\Gamma (a)\Gamma (c-a)}}\int _{0}^{1}t^{a-1}(1-t)^{c-a-1}(1-tz)^{-b}dt\qquad (0<\Re {a}<\Re {c},|z|<1)}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/fac1411c82b1b8c02682895294620e509af20ed9)
これは
![{\displaystyle {\begin{aligned}F(a,b;c;z)&={\frac {\Gamma (c)}{\Gamma (a)\Gamma (c-a)}}\cdot {\frac {\Gamma (a)\Gamma (c-a)}{\Gamma (c)}}\cdot \sum _{n=0}^{\infty }{\frac {(a)_{n}(b)_{n}}{(c)_{n}\;n!}}z^{n}\\&={\frac {\Gamma (c)}{\Gamma (a)\Gamma (c-a)}}\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {\Gamma (a+n)\Gamma (c-a)(b)_{n}}{\Gamma (c+n)\;n!}}z^{n}\\&={\frac {\Gamma (c)}{\Gamma (a)\Gamma (c-a)}}\sum _{n=0}^{\infty }\mathrm {B} (a+n,c-a){\frac {(b)_{n}}{n!}}z^{n}\\&={\frac {\Gamma (c)}{\Gamma (a)\Gamma (c-a)}}\sum _{n=0}^{\infty }\left(\int _{0}^{1}t^{a+n-1}(1-t)^{c-a-1}dt\right){\frac {(b)_{n}}{n!}}z^{n}\\&={\frac {\Gamma (c)}{\Gamma (a)\Gamma (c-a)}}\int _{0}^{1}t^{a-1}(1-t)^{c-a-1}\left(\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {(b)_{n}}{n!}}(tz)^{n}\right)dt\\&={\frac {\Gamma (c)}{\Gamma (a)\Gamma (c-a)}}\int _{0}^{1}t^{a-1}(1-t)^{c-a-1}(1-tz)^{-b}dt\\\end{aligned}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/bf008dd7b7bf51e44b1e554e4855d2546ecba151)
として導かれる。
超幾何定理
ガウスの超幾何関数のオイラー積分表示に
を代入するとガウスの超幾何定理を得る[2][3]。
![{\displaystyle {\begin{aligned}F(a,b;c;1)&={\frac {\Gamma (c)}{\Gamma (a)\Gamma (c-a)}}\int _{0}^{1}t^{a-1}(1-t)^{c-a-b-1}dt\\&={\frac {\Gamma (c)\mathrm {B} (a,c-a-b)}{\Gamma (a)\Gamma (c-a)}}\\&={\frac {\Gamma (c)\Gamma (c-a-b)}{\Gamma (c-a)\Gamma (c-b)}}\qquad (\Re {a}+\Re {b}<\Re {c},c\not \in \mathbb {Z} \setminus \mathbb {N} )\\\end{aligned}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/94eac91e0865514373e6f0f897cbb9303b81b7fc)
となる。更に
を代入するとヴァンデルモンドの恒等式(英語版)を得る[4]。
![{\displaystyle F(-n,b;c;1)={\frac {\Gamma (c)\Gamma (c-b+n)}{\Gamma (c+n)\Gamma (c-b)}}={\frac {(c-b)_{n}}{(c)_{n}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/8df1bc848fc5b1ce69b4ee6399075dcb7cccbb5f)
超幾何微分方程式
脚注
- ^ 原岡喜重. (2002). 超幾何関数. 朝倉書店.
- ^ a b 時弘哲治. (2006). 工学における特殊関数. 共立出版.
- ^ Weisstein, Eric W. "Gauss's Hypergeometric Theorem". mathworld.wolfram.com (英語).
- ^ Weisstein, Eric W. "Chu-Vandermonde Identity". mathworld.wolfram.com (英語).
参考文献
- 西本敏彦『超幾何・合流型超幾何微分方程式』共立出版、1998年11月。ISBN 978-4-320-01593-7。
- 福原満洲雄『常微分方程式』(第2版)岩波書店〈岩波全書 116〉、1980年5月23日。ISBN 978-4-00-021234-2。
関連項目
外部リンク
- 『超幾何級数の定義と例』 - 高校数学の美しい物語
- Weisstein, Eric W. "Hypergeometric Function". mathworld.wolfram.com (英語).
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等差数列 | | |
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等比数列 | 収束級数 | - 1/2 − 1/4 + 1/8 − 1/16 + ⋯
- 1/2 + 1/4 + 1/8 + 1/16 + ⋯
- 1/4 + 1/16 + 1/64 + 1/256 + ⋯
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発散級数 | |
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