廣義超幾何函數generalized hypergeometric function),有時也稱超幾何函數,是一個用冪級數定義的函數,其中冪級數的系數由若干個升階乘的積和商給出。下文中用「超幾何函數」一詞代指廣義超幾何函數,而用「高斯超幾何函數」一詞代指 p=2q=1 時的廣義超幾何函數。

定義與記號

超幾何函數是用冪級數定義的:

其中相鄰兩項的系數之比 βn+1/βn 是關於 n有理函數,分子和分母都可以表示成若干個一次函數的乘積。一般要求分子和分母的多項式的最高次系數均為 1,並取 β0=1,於是

於是用階乘冪可以將 βn 表示為

一般用下面的記號來表示超幾何函數:

ai 都不是非正整數(即負整數和 0)時,要求所有的 bi 都不是非正整數。當有至少一個 ai 是非正整數,且其中最大(絕對值最小)者為 k 時,超幾何函數將截斷為 -k 次多項式,這時允許 bi 中存在非正整數,但要求這些非正整數都小於 k。這都是為了保證在所有的 βn中,分母不為零。

斂散性

下面討論用來定義超幾何函數的冪級數以零為中心的收斂半徑。

當超幾何函數截斷為多項式時,顯然收斂半徑無窮大

除去這種特殊情況之外,用比值審斂法可知,當 p<q+1 時,收斂半徑為無窮大,當 p=q+1 時,收斂半徑為 1,剩下的情況收斂半徑為 0(這時一般把超幾何函數中對應的冪級數視作漸近級數,而函數本身則採用其它方式定義,如積分表達式)。

當級數的收斂半徑為 1 時,級數在單位圓外不收斂,但仍然可以通過解析延拓來定義超幾何函數的值。另外,此時在單位圓上的斂散性較為複雜,不能使用比值審斂法,必須使用高斯審斂法來判斷,結果如下,令

  • r>0 時,級數在單位圓上絕對收斂
  • 當 0≥r>-1 時,級數在單位圓上除 z=1 外收斂,但不絕對收斂;
  • 當 -1≥r 時,級數在單位圓上發散。

積分表達式

複數平面上的路徑積分可以用來定義所有 ak 都不是非正整數時的廣義超幾何函數,包括上面說到的 pq+1 的情形。

下面只介紹 p+1>q 且級數不截斷為多項式的情形(其它情形下,上面的冪級數定義已經是良好的定義,而下面的積分不收斂),這時超幾何函數可以定義為:

p=q 且級數不截斷為多項式時,超幾何函數既可以用上面的積分來定義,也可以用超幾何級數定義。可以證明,兩種定義是等價的,且定義出來的超幾何函數都是整函數

p=q+1 且級數不截斷為多項式時,超幾何函數既可以用上面的積分來定義,也可以用超幾何級數定義,但級數定義只在 |z|<1 時有效,在這個區域內,兩種定義是等價的,上式提供了級數定義的一個解析延拓;

p>q+1 且級數不截斷為多項式時,超幾何函數只能通過積分表達式定義,對應的超幾何級數只在 z =0 處收斂,其它情況均發散,它是積分定義的超幾何函數在 z=0 處的漸近級數,即

超幾何函數的性質

特殊值

歐拉積分轉換

導函數

由上面三個關係式可以得到超幾何函數滿足的微分方程:

.

特例

0F0

就是指數函數

1F0

0F1

稱為合流超幾何極限函數(confluent hypergeometric limit functions),與貝索函數有密切關聯。

1F1 和 2F0

1F1 就是(第一類)合流超幾何函數,也稱 Kummer 函數。

另一方面,2F0 (此函數的級數表達式不收斂,因此必須通過積分表達式定義)與第二類合流超幾何函數(又稱Tricomi 函數)有如下關係:

事實上,它們都可以表示為高斯超幾何函數的極限,

類似地,pFq 都可以表示成 p+1FqpFq+1 的極限。

不完全伽瑪函數與這兩個函數有關聯:

2F1

就是高斯超幾何函數,一般又簡稱超幾何函數。

多重對數函數

s 為非負整數時,多重對數函數 Lis 可以用超幾何函數表示:

參考

Wikiwand in your browser!

Seamless Wikipedia browsing. On steroids.

Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.

Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.