]> www.ginac.de Git - cln.git/blob - doc/polynomial/legendre.lyx
Work around g++ 4.0 "duplicated labels" problem.
[cln.git] / doc / polynomial / legendre.lyx
1 #This file was created by <bruno> Sun Feb 16 14:24:48 1997
2 #LyX 0.10 (C) 1995 1996 Matthias Ettrich and the LyX Team
3 \lyxformat 2.10
4 \textclass article
5 \begin_preamble
6 \catcode`@=11 % @ ist ab jetzt ein gewoehnlicher Buchstabe
7 \def\mod#1{\allowbreak \mkern8mu \mathop{\operator@font mod}\,\,{#1}}
8 \def\pmod#1{\allowbreak \mkern8mu \left({\mathop{\operator@font mod}\,\,{#1}}\right)}
9 \catcode`@=12 % @ ist ab jetzt wieder ein Sonderzeichen
10
11 \end_preamble
12 \language default
13 \inputencoding latin1
14 \fontscheme default
15 \epsfig dvips
16 \papersize a4paper 
17 \paperfontsize 12 
18 \baselinestretch 1.00 
19 \secnumdepth 3 
20 \tocdepth 3 
21 \paragraph_separation indent 
22 \quotes_language english 
23 \quotes_times 2 
24 \paperorientation portrait 
25 \papercolumns 0 
26 \papersides 1 
27 \paperpagestyle plain 
28
29 \layout Standard
30 \cursor 47 
31 The Legendre polynomials 
32 \begin_inset Formula  \( P_{n}(x) \)
33 \end_inset 
34
35  are defined through 
36 \begin_inset Formula 
37 \[
38 P_{n}(x)=\frac{1}{2^{n}n!}\cdot \left( \frac{d}{dx}\right) ^{n}(x^{2}-1)^{n}\]
39
40 \end_inset 
41
42 (For a motivation of the 
43 \begin_inset Formula  \( 2^{n} \)
44 \end_inset 
45
46  in the denominator, look at 
47 \begin_inset Formula  \( P_{n}(x) \)
48 \end_inset 
49
50  modulo an odd prime 
51 \begin_inset Formula  \( p \)
52 \end_inset 
53
54 , and observe that 
55 \begin_inset Formula  \( P_{n}(x)\equiv P_{p-1-n}(x)\mod p \)
56 \end_inset 
57
58  for 
59 \begin_inset Formula  \( 0\leq n\leq p-1 \)
60 \end_inset 
61
62 .
63  This wouldn't hold if the 
64 \begin_inset Formula  \( 2^{n} \)
65 \end_inset 
66
67  factor in the denominator weren't present.
68 )
69 \layout Description
70
71 Theorem:
72 \layout Standard
73
74
75 \begin_inset Formula  \( P_{n}(x) \)
76 \end_inset 
77
78  satisfies the recurrence relation
79 \layout Standard
80
81
82 \begin_inset Formula 
83 \[
84 P_{0}(x)=1\]
85
86 \end_inset 
87
88
89 \layout Standard
90
91
92 \begin_inset Formula 
93 \[
94 (n+1)\cdot P_{n+1}(x)=(2n+1)x\cdot P_{n}(x)-n\cdot P_{n-1}(x)\]
95
96 \end_inset 
97
98 for 
99 \begin_inset Formula  \( n\geq 0 \)
100 \end_inset 
101
102  and the differential equation 
103 \begin_inset Formula  \( (1-x^{2})\cdot P_{n}^{''}(x)-2x\cdot P_{n}^{'}(x)+(n^{2}+n)\cdot P_{n}(x)=0 \)
104 \end_inset 
105
106  for all 
107 \begin_inset Formula  \( n\geq 0 \)
108 \end_inset 
109
110 .
111
112 \layout Description
113
114 Proof:
115 \layout Standard
116
117 Let 
118 \begin_inset Formula  \( F:=\sum ^{\infty }_{n=0}P_{n}(x)\cdot z^{n} \)
119 \end_inset 
120
121  be the generating function of the sequence of polynomials.
122  It is the diagonal series of the power series
123 \begin_inset Formula 
124 \[
125 G:=\sum _{m,n=0}^{\infty }\frac{1}{2^{n}m!}\cdot \left( \frac{d}{dx}\right) ^{m}(x^{2}-1)^{n}\cdot y^{m}\cdot z^{n}\]
126
127 \end_inset 
128
129 Because the Taylor series development theorem holds in formal power series
130  rings (see [1], section 2.
131 16), we can simplify
132 \begin_inset Formula 
133 \begin{eqnarray*}
134 G & = & \sum _{n=0}^{\infty }\frac{1}{2^{n}}\cdot \left( \sum _{m=0}^{\infty }\frac{1}{m!}\cdot \left( \frac{d}{dx}\right) ^{m}(x^{2}-1)^{n}\cdot y^{m}\right) \cdot z^{n}\\
135  & = & \sum _{n=0}^{\infty }\frac{1}{2^{n}}\cdot \left( (x+y)^{2}-1\right) ^{n}\cdot z^{n}\\
136  & = & \frac{1}{1-\frac{1}{2}\left( (x+y)^{2}-1\right) z}
137 \end{eqnarray*}
138
139 \end_inset 
140
141 We take over the terminology from the 
142 \begin_inset Quotes eld
143 \end_inset 
144
145 diag_rational
146 \begin_inset Quotes erd
147 \end_inset 
148
149  paper; here 
150 \begin_inset Formula  \( R=Q[x] \)
151 \end_inset 
152
153  and 
154 \begin_inset Formula  \( M=Q[[x]] \)
155 \end_inset 
156
157  (or, if you like it better, 
158 \begin_inset Formula  \( M=H(C) \)
159 \end_inset 
160
161 , the algebra of functions holomorphic in the entire complex plane).
162  
163 \begin_inset Formula  \( G\in M[[y,z]] \)
164 \end_inset 
165
166  is rational; hence 
167 \begin_inset Formula  \( F \)
168 \end_inset 
169
170  is algebraic over 
171 \begin_inset Formula  \( R[z] \)
172 \end_inset 
173
174 .
175  Let's proceed exactly as in the 
176 \begin_inset Quotes eld
177 \end_inset 
178
179 diag_series
180 \begin_inset Quotes erd
181 \end_inset 
182
183  paper.
184  
185 \begin_inset Formula  \( F(z^{2}) \)
186 \end_inset 
187
188  is the coefficient of 
189 \begin_inset Formula  \( t^{0} \)
190 \end_inset 
191
192  in
193 \begin_inset Formula 
194 \[
195 G(zt,\frac{z}{t})=\frac{2t}{2t-\left( (x+zt)^{2}-1\right) z}=\frac{2t}{-z^{3}\cdot t^{2}+2(1-xz^{2})\cdot t+(z-x^{2}z)}\]
196
197 \end_inset 
198
199 The splitting field of the denominator is 
200 \begin_inset Formula  \( L=Q(x)(z)(\alpha ) \)
201 \end_inset 
202
203  where 
204 \begin_inset Formula 
205 \[
206 \alpha _{1/2}=\frac{1-xz^{2}\pm \sqrt{1-2xz^{2}+z^{4}}}{z^{3}}\]
207
208 \end_inset 
209
210
211 \begin_inset Formula 
212 \[
213 \alpha =\alpha _{1}=\frac{2}{z^{3}}-\frac{2x}{z}+\frac{1-x^{2}}{2}z+\cdots \in Q(x)[[z]][\frac{1}{z}]\]
214
215 \end_inset 
216
217
218 \begin_inset Formula 
219 \[
220 \alpha _{2}=\frac{x^{2}-1}{2}z+\cdots \in Q(x)[[z]][\frac{1}{z}]\]
221
222 \end_inset 
223
224 The partial fraction decomposition of 
225 \begin_inset Formula  \( G(zt,\frac{z}{t}) \)
226 \end_inset 
227
228  reads
229 \begin_inset Formula 
230 \[
231 G(zt,\frac{z}{t})=-\frac{2}{z^{3}}\cdot \frac{1}{\alpha _{1}-\alpha _{2}}\cdot \left( \frac{\alpha _{1}}{t-\alpha _{1}}-\frac{\alpha _{2}}{t-\alpha _{2}}\right) \]
232
233 \end_inset 
234
235 It follows that
236 \begin_inset Formula 
237 \[
238 F(z^{2})=-\frac{2}{z^{3}}\cdot \frac{1}{\alpha _{1}-\alpha _{2}}\cdot \left( \frac{\alpha _{1}}{0-\alpha _{1}}-0\right) =\frac{1}{\sqrt{1-2xz^{2}+z^{4}}}\]
239
240 \end_inset 
241
242 hence
243 \begin_inset Formula 
244 \[
245 F(z)=\frac{1}{\sqrt{1-2xz+z^{2}}}\]
246
247 \end_inset 
248
249
250 \layout Standard
251
252 It follows that 
253 \begin_inset Formula  \( (1-2xz+z^{2})\cdot \frac{d}{dz}F+(z-x)\cdot F=0 \)
254 \end_inset 
255
256 .
257  This is equivalent to the claimed recurrence.
258
259 \layout Standard
260
261 Starting from the closed form for 
262 \begin_inset Formula  \( F \)
263 \end_inset 
264
265 , we compute a linear relation for the partial derivatives of 
266 \begin_inset Formula  \( F \)
267 \end_inset 
268
269 .
270  Write 
271 \begin_inset Formula  \( \partial _{x}=\frac{d}{dx} \)
272 \end_inset 
273
274  and 
275 \begin_inset Formula  \( \Delta _{z}=z\frac{d}{dz} \)
276 \end_inset 
277
278 .
279  One computes
280 \begin_inset Formula 
281 \[
282 F=1\cdot F\]
283
284 \end_inset 
285
286
287 \begin_inset Formula 
288 \[
289 \left( 1-2xz+z^{2}\right) \cdot \partial _{x}F=z\cdot F\]
290
291 \end_inset 
292
293
294 \begin_inset Formula 
295 \[
296 \left( 1-2xz+z^{2}\right) ^{2}\cdot \partial _{x}^{2}F=3z^{2}\cdot F\]
297
298 \end_inset 
299
300
301 \begin_inset Formula 
302 \[
303 \left( 1-2xz+z^{2}\right) \cdot \Delta _{z}F=(xz-z^{2})\cdot F\]
304
305 \end_inset 
306
307
308 \begin_inset Formula 
309 \[
310 \left( 1-2xz+z^{2}\right) ^{2}\cdot \partial _{x}\Delta _{z}F=(z+xz^{2}-2z^{3})\cdot F\]
311
312 \end_inset 
313
314
315 \begin_inset Formula 
316 \[
317 \left( 1-2xz+z^{2}\right) ^{2}\cdot \Delta _{z}^{2}F=\left( xz+(x^{2}-2)z^{2}-xz^{3}+z^{4}\right) \cdot F\]
318
319 \end_inset 
320
321 Solve a homogeneous 
322 \begin_inset Formula  \( 5\times 6 \)
323 \end_inset 
324
325  system of linear equations over 
326 \begin_inset Formula  \( Q(x) \)
327 \end_inset 
328
329  to get 
330 \begin_inset Formula 
331 \[
332 \left( 1-2xz+z^{2}\right) ^{2}\cdot \left( (-2x)\cdot \partial _{x}F+(1-x^{2})\cdot \partial _{x}^{2}F+\Delta _{z}F+\Delta _{z}^{2}F\right) =0\]
333
334 \end_inset 
335
336 Divide by the first factor to get
337 \begin_inset Formula 
338 \[
339 (-2x)\cdot \partial _{x}F+(1-x^{2})\cdot \partial _{x}^{2}F+\Delta _{z}F+\Delta _{z}^{2}F=0\]
340
341 \end_inset 
342
343 This is equivalent to the claimed equation 
344 \begin_inset Formula  \( (1-x^{2})\cdot P_{n}^{''}(x)-2x\cdot P_{n}^{'}(x)+(n^{2}+n)\cdot P_{n}(x)=0 \)
345 \end_inset 
346
347 .
348
349 \layout Bibliography
350
351 [1] Bruno Haible: D-finite power series in several variables.
352  
353 \shape italic 
354 Diploma thesis, University of Karlsruhe, June 1989
355 \shape default 
356 .
357  Sections 2.
358 14, 2.
359 15 and 2.
360 22.
361