Mesa de padé

Henri Padé

En el análisis complejo , una tabla de Padé es una matriz, posiblemente de extensión infinita, de las aproximaciones racionales de Padé.

R _{m , n}

a una serie de potencias formales complejas dada . A menudo se puede demostrar que ciertas secuencias de aproximantes que se encuentran dentro de una tabla de Padé corresponden a convergentes sucesivos de una representación de fracción continua de una función holomorfa o meromórfica .

Historia

Aunque matemáticos anteriores habían obtenido resultados esporádicos que involucraban secuencias de aproximaciones racionales a funciones trascendentales , Frobenius (en 1881) fue aparentemente el primero en organizar las aproximaciones en forma de tabla. Henri Padé amplió aún más esta noción en su tesis doctoral Sur la representation approchee d'une fonction par des fractures rationelles , en 1892. Durante los siguientes 16 años, Padé publicó 28 artículos adicionales que exploraban las propiedades de su tabla y relacionaban la tabla con fracciones analíticas continuas. ^[1]

El interés moderno en las tablas de Padé fue revivido por HS Wall y Oskar Perron , quienes estaban interesados ​​principalmente en las conexiones entre las tablas y ciertas clases de fracciones continuas. Daniel Shanks y Peter Wynn publicaron artículos influyentes alrededor de 1955, y WB Gragg obtuvo resultados de convergencia de gran alcance durante los años 70. Más recientemente, el uso generalizado de computadoras electrónicas ha estimulado un gran interés adicional en el tema. ^[2]

Notación

Una función f ( z ) se representa mediante una serie de potencias formal :

${\displaystyle f(z)=c_{0}+c_{1}z+c_{2}z^{2}+\cdots =\sum _{l=0}^{\infty }c_{l}z^{l},}$

donde c ₀ ≠ 0, por convención. La entrada ( m , n )ésima ^[3] R _{m, n} en la tabla de Padé para f ( z ) está dada entonces por

${\displaystyle R_{m,n}(z)={\frac {P_{m}(z)}{Q_{n}(z)}}={\frac {a_{0}+a_{1}z+a_{2}z^{2}+\cdots +a_{m}z^{m}}{b_{0}+b_{1}z+b_{2}z^{2}+\cdots +b_{n}z^{n}}}}$

donde P _m ( z ) y Q _n ( z ) son polinomios de grados no mayores que m y n , respectivamente. Los coeficientes { a _i } y { b _i } siempre se pueden hallar considerando la expresión

${\displaystyle f(z)\approx \sum _{l=0}^{m+n}c_{l}z^{l}=:f_{\mathrm {approx} }(z)}$

${\displaystyle Q_{n}(z)f_{\mathrm {approx} }(z)=P_{m}(z)}$

${\displaystyle Q_{n}(z)\left(c_{0}+c_{1}z+c_{2}z^{2}+\cdots +c_{m+n}z^{m+n}\right)=P_{m}(z)}$

y equiparando coeficientes de potencias iguales de z hasta m  +  n . Para los coeficientes de potencias m  + 1 a m  +  n , el lado derecho es 0 y el sistema resultante de ecuaciones lineales contiene un sistema homogéneo de n ecuaciones en las n  + 1 incógnitas b _i , y por lo tanto admite infinitas soluciones, cada una de las cuales determina un posible Q _n . P _m se encuentra entonces fácilmente igualando los primeros m coeficientes de la ecuación anterior. Sin embargo, se puede demostrar que, debido a la cancelación, las funciones racionales generadas R _{m, n} son todas iguales, de modo que la entrada ( m ,  n ) en la tabla de Padé es única. ^[2] Alternativamente, podemos requerir que b ₀  = 1, poniendo así la tabla en una forma estándar.

Aunque las entradas de la tabla de Padé siempre se pueden generar resolviendo este sistema de ecuaciones, ese enfoque es costoso en términos computacionales. El uso de la tabla de Padé se ha extendido a las funciones meromórficas mediante métodos más nuevos que ahorran tiempo, como el algoritmo épsilon. ^[4]

El teorema del bloque y las aproximaciones normales

Debido a la forma en que se construye el ( m , n )ésimo aproximador, la diferencia

Q _n ( z ) f ( z ) −  P _m ( z )

es una serie de potencias cuyo primer término es de grado no menor que

m  +  n  + 1.

Si el primer término de esa diferencia es de grado

m  +  n  +  r  + 1, r  > 0,

entonces la función racional R _{m, n} ocupa

( r + 1) ²

celdas en la tabla de Padé, desde la posición ( m ,  n ) hasta la posición ( m + r ,  n + r ), ambas inclusive. En otras palabras, si la misma función racional aparece más de una vez en la tabla, esa función racional ocupa un bloque cuadrado de celdas dentro de la tabla. Este resultado se conoce como teorema de bloques .

Si una función racional particular aparece exactamente una vez en la tabla de Padé, se denomina aproximación normal a f ( z ). Si cada entrada en la tabla de Padé completa es normal, se dice que la tabla en sí es normal. Las aproximaciones normales de Padé se pueden caracterizar utilizando determinantes de los coeficientes c _n en la expansión de la serie de Taylor de f ( z ), de la siguiente manera. Defina el determinante ( m ,  n ) por

${\displaystyle D_{m,n}=\left|{\begin{matrix}c_{m}&c_{m-1}&\ldots &c_{m-n+2}&c_{m-n+1}\\c_{m+1}&c_{m}&\ldots &c_{m-n+3}&c_{m-n+2}\\\vdots &\vdots &&\vdots &\vdots \\c_{m+n-2}&c_{m+n-3}&\ldots &c_{m}&c_{m-1}\\c_{m+n-1}&c_{m+n-2}&\ldots &c_{m+1}&c_{m}\\\end{matrix}}\right|}$

con D _{m ​​,0} = 1, D _{m ,1} = c _m , y c _k  = 0 para k  < 0. Entonces

• la ( m , n )ésima aproximación a f ( z ) es normal si y sólo si ninguno de los cuatro determinantes D _{m , n −1} , D _m,n , D _{m +1, n} y D _{m +1, n +1} se anulan; y
• La tabla de Padé es normal si y sólo si ninguno de los determinantes D _m,n es igual a cero (nótese en particular que esto significa que ninguno de los coeficientes c _k en la representación en serie de f ( z ) puede ser cero). ^[5]

Conexión con fracciones continuas

Una de las formas más importantes en las que puede aparecer una fracción continua analítica es como una fracción continua regular , que es una fracción continua de la forma

${\displaystyle f(z)=b_{0}+{\cfrac {a_{1}z}{1-{\cfrac {a_{2}z}{1-{\cfrac {a_{3}z}{1-{\cfrac {a_{4}z}{1-\ddots }}}}}}}}.}$

donde a _i ≠ 0 son constantes complejas, y z es una variable compleja.

Existe una conexión íntima entre las fracciones continuas regulares y las tablas de Padé con aproximantes normales a lo largo de la diagonal principal: la secuencia de aproximantes de Padé en "escalones" R _0,0 , R _1,0 , R _1,1 , R _2,1 , R _2,2 , ... es normal si y solo si esa secuencia coincide con los convergentes sucesivos de una fracción continua regular. En otras palabras, si la tabla de Padé es normal a lo largo de la diagonal principal, puede usarse para construir una fracción continua regular, y si existe una representación de fracción continua regular para la función f ( z ), entonces la diagonal principal de la tabla de Padé que representa f ( z ) es normal. ^[2]

Un ejemplo: la función exponencial

A continuación se muestra un ejemplo de una tabla de Padé, para la función exponencial .

Varias características son inmediatamente evidentes.

• La primera columna de la tabla consiste en los truncamientos sucesivos de la serie de Taylor para e ^z .
• De manera similar, la primera fila contiene los recíprocos de truncamientos sucesivos de la expansión en serie de e ^{− z} .
• Las aproximaciones R _m,n y R _n,m son bastante simétricas: los numeradores y denominadores están intercambiados y los patrones de signos más y menos son diferentes, pero los mismos coeficientes aparecen en ambas aproximaciones. Se pueden expresar en términos de funciones especiales como

${\displaystyle R_{m,n}={\frac {{}_{1}F_{1}(-m;-m-n;z)}{{}_{1}F_{1}(-n;-m-n;-z)}}={\frac {n!\,2^{m}\theta _{m}\left({\frac {z}{2}};n-m+2,2\right)}{m!\,2^{n}\theta _{n}\left(-{\frac {z}{2}};m-n+2,2\right)}}}$,

donde es una serie hipergeométrica generalizada y es un polinomio de Bessel inverso generalizado . ^[6] ${\displaystyle {}_{1}F_{1}(a;b;z)}$ ${\displaystyle \theta _{n}(x;\alpha ,\beta )}$

Las expresiones en la diagonal principal se reducen a , donde es un polinomio de Bessel inverso . ^[7] ${\displaystyle R_{n,n}=\theta _{n}(z/2)/\theta _{n}(-z/2)}$ ${\displaystyle \theta _{n}(x)}$

• Los cálculos que involucran R _{n , n} (en la diagonal principal) se pueden realizar de manera bastante eficiente. Por ejemplo, R _3,3 reproduce perfectamente la serie de potencias para la función exponencial hasta ¹ / ₇₂₀ z ⁶ , pero debido a la simetría de los dos polinomios cúbicos, se puede idear un algoritmo de evaluación muy rápido.

El procedimiento utilizado para derivar la fracción continua de Gauss se puede aplicar a una determinada serie hipergeométrica confluente para derivar la siguiente expansión de C-fracción para la función exponencial, válida en todo el plano complejo:

${\displaystyle e^{z}=1+{\cfrac {z}{1-{\cfrac {{\frac {1}{2}}z}{1+{\cfrac {{\frac {1}{6}}z}{1-{\cfrac {{\frac {1}{6}}z}{1+{\cfrac {{\frac {1}{10}}z}{1-{\cfrac {{\frac {1}{10}}z}{1+-\ddots }}}}}}}}}}}}.}$

Aplicando las fórmulas de recurrencia fundamental se puede verificar fácilmente que los convergentes sucesivos de esta C-fracción son la secuencia escalonada de aproximantes de Padé R _0,0 , R _1,0 , R _1,1 , ... En este caso particular se puede obtener una fracción continua estrechamente relacionada a partir de la identidad

${\displaystyle e^{z}={\frac {1}{e^{-z}}};}$

Esa fracción continua se ve así:

${\displaystyle e^{z}={\cfrac {1}{1-{\cfrac {z}{1+{\cfrac {{\frac {1}{2}}z}{1-{\cfrac {{\frac {1}{6}}z}{1+{\cfrac {{\frac {1}{6}}z}{1-{\cfrac {{\frac {1}{10}}z}{1+{\cfrac {{\frac {1}{10}}z}{1-+\ddots }}}}}}}}}}}}}}.}$

Los convergentes sucesivos de esta fracción también aparecen en la tabla de Padé, y forman la secuencia R _0,0 , R _0,1 , R _1,1 , R _1,2 , R _2,2 , ...

Generalizaciones

Una serie formal de Newton L tiene la forma

${\displaystyle L(z)=c_{0}+\sum _{n=1}^{\infty }c_{n}\prod _{k=1}^{n}(z-\beta _{k})}$

donde la secuencia {β _k } de puntos en el plano complejo se conoce como el conjunto de puntos de interpolación . Se puede formar una secuencia de aproximantes racionales R _m,n para una serie L de este tipo de una manera completamente análoga al procedimiento descrito anteriormente, y los aproximantes se pueden organizar en una tabla de Newton-Padé . Se ha demostrado ^[8] que algunas secuencias de "escalera" en la tabla de Newton-Padé corresponden con los convergentes sucesivos de una fracción continua de tipo Thiele, que tiene la forma

${\displaystyle a_{0}+{\cfrac {a_{1}(z-\beta _{1})}{1-{\cfrac {a_{2}(z-\beta _{2})}{1-{\cfrac {a_{3}(z-\beta _{3})}{1-\ddots }}}}}}.}$

Los matemáticos también han construido tablas de Padé de dos puntos considerando dos series, una en potencias de z , la otra en potencias de 1/ z , que representan alternativamente la función f ( z ) en un entorno de cero y en un entorno de infinito. ^[2]

Véase también

• Transformación de Shanks

Notas

1. O'Connor, John J.; Robertson, Edmund F. , "Mesa de Padé", Archivo de Historia de las Matemáticas de MacTutor , Universidad de St Andrews
2. Jones y Thron, 1980.
3. Se considera que la entrada ( m , n ) se encuentra en la fila m y la columna n , y la numeración de las filas y columnas comienza en (0, 0).
4. Wynn, Peter (abril de 1956). "Sobre un dispositivo para calcular la transformación e _m ( S _n )". Tablas matemáticas y otras ayudas para el cálculo . 10 (54). American Mathematical Society: 91–96. doi :10.2307/2002183. JSTOR  2002183.
5. Gragg, WB (enero de 1972). "La tabla de Padé y su relación con ciertos algoritmos de análisis numérico". SIAM Review . 14 (1): 1–62. doi : 10.1137/1014001 . ISSN  0036-1445. JSTOR  2028911.
6. * Underhill, C. (1986). "Algunas propiedades asintóticas de las aproximaciones de Padé a ". Matemáticas de la computación . 47 (175): 253–263. JSTOR  2008092. ${\displaystyle e^{-x}}$
7. * "La enciclopedia en línea de secuencias de números enteros (OEIS)". Fundada en 1964 por Sloane, NJA The OEIS Foundation Inc.{{cite web}}: CS1 maint: others (link)(Ver secuencia OEIS : A113025 .)
8. Thiele, TN (1909). Investigación de interpolaciones. Leipzig: Teubner. ISBN 1-4297-0249-4.

Referencias

• Jones, William B.; Thron, WJ (1980). Fracciones continuas: teoría y aplicaciones . Reading, Massachusetts: Addison-Wesley Publishing Company. págs. 185–197. ISBN. 0-201-13510-8.
• Wall, HS (1973). Teoría analítica de fracciones continuas . Chelsea Publishing Company . Págs. 377–415. ISBN. 0-8284-0207-8.
  (Esta es una reimpresión del volumen publicado originalmente por D. Van Nostrand Company, Inc. , en 1948.)