Función hipergeométrica

En matemáticas , la función hipergeométrica gaussiana u ordinaria ₂F ₁ ( a , b ; c ; z ) es una función especial representada por la serie hipergeométrica , que incluye muchas otras funciones especiales como casos específicos o límites . Es una solución de una ecuación diferencial ordinaria (EDO) lineal de segundo orden . Toda EDO lineal de segundo orden con tres puntos singulares regulares se puede transformar en esta ecuación.

Para obtener listas sistemáticas de algunas de las miles de identidades publicadas que involucran la función hipergeométrica, consulte las obras de referencia de Erdélyi et al. (1953) y Olde Daalhuis (2010). No se conoce ningún sistema para organizar todas las identidades; de hecho, no se conoce ningún algoritmo que pueda generar todas las identidades; se conocen varios algoritmos diferentes que generan diferentes series de identidades. La teoría del descubrimiento algorítmico de identidades sigue siendo un tema de investigación activo.

Historia

El término "serie hipergeométrica" fue utilizado por primera vez por John Wallis en su libro de 1655 Arithmetica Infinitorum .

Las series hipergeométricas fueron estudiadas por Leonhard Euler , pero el primer tratamiento sistemático completo lo dio Carl Friedrich Gauss (1813).

Los estudios del siglo XIX incluyen los de Ernst Kummer (1836) y la caracterización fundamental de Bernhard Riemann (1857) de la función hipergeométrica mediante la ecuación diferencial que satisface.

Riemann demostró que la ecuación diferencial de segundo orden para ₂F ₁ ( z ), examinada en el plano complejo, podía caracterizarse (en la esfera de Riemann ) por sus tres singularidades regulares .

Los casos donde las soluciones son funciones algebraicas fueron encontrados por Hermann Schwarz ( lista de Schwarz ).

La serie hipergeométrica

La función hipergeométrica está definida para $| z | < 1$ por la serie de potencias

${}_{2}F_{1}(a,b;c;z)=\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {(a)_{n}(b)_{n}}{(c)_{n}}}{\frac {z^{n}}{n!}}=1+{\frac {ab}{c}}{\frac {z}{1!}}+{\frac {a(a+1)b(b+1)}{c(c+1)}}{\frac {z^{2}}{2!}}+\cdots .$

No está definido (o es infinito) si $c es igual a un$ entero no positivo . Aquí $(q) n$ es el símbolo de Pochhammer (ascendente) , ^{[nota 1]} que se define por:

$(q)_{n}={\begin{cases}1&n=0\\q(q+1)\cdots (q+n-1)&n>0\end{cases}}$

La serie termina si $a$ o $b$ es un entero no positivo, en cuyo caso la función se reduce a un polinomio:

${}_{2}F_{1}(-m,b;c;z)=\sum _{n=0}^{m}(-1)^{n}{\binom {m}{n}}{\frac {(b)_{n}}{(c)_{n}}}z^{n}.$

Para argumentos complejos $z$ con $| z | \geq 1,$ se puede continuar analíticamente a lo largo de cualquier camino en el plano complejo que evite los puntos de ramificación 1 e infinito. En la práctica, la mayoría de las implementaciones informáticas de la función hipergeométrica adoptan un corte de ramificación a lo largo de la línea $z \geq 1$ .

Como $c \to - m$ , donde $m$ es un entero no negativo, se tiene $2 F 1 (z) \to \infty$ . Dividiendo por el valor $Γ(c)$ de la función gamma , tenemos el límite:

$\lim _{c\to -m}{\frac {{}_{2}F_{1}(a,b;c;z)}{\Gamma (c)}}={\frac {(a)_{m+1}(b)_{m+1}}{(m+1)!}}z^{m+1}{}_{2}F_{1}(a+m+1,b+m+1;m+2;z)$

$2 F 1 (z)$ es el tipo más común de serie hipergeométrica generalizada $p F q$ , y a menudo se designa simplemente $F (z)$ .

Fórmulas de diferenciación

Utilizando la identidad , se demuestra que $(a)_{n+1}=a(a+1)_{n}$

${\frac {d}{dz}}\ {}_{2}F_{1}(a,b;c;z)={\frac {ab}{c}}\ {}_{2}F_{1}(a+1,b+1;c+1;z)$

y de manera más general,

${\frac {d^{n}}{dz^{n}}}\ {}_{2}F_{1}(a,b;c;z)={\frac {(a)_{n}(b)_{n}}{(c)_{n}}}\ {}_{2}F_{1}(a+n,b+n;c+n;z)$

Casos especiales

Muchas de las funciones matemáticas comunes pueden expresarse en términos de la función hipergeométrica o como casos límite de la misma. Algunos ejemplos típicos son:

${\begin{aligned}_{2}F_{1}\left(1,1;2;-z\right)&={\frac {\ln(1+z)}{z}}\\_{2}F_{1}(a,b;b;z)&=(1-z)^{-a}\quad (b{\text{ arbitrary}})\\_{2}F_{1}\left({\frac {1}{2}},{\frac {1}{2}};{\frac {3}{2}};z^{2}\right)&={\frac {\arcsin(z)}{z}}\\\,_{2}F_{1}\left({\frac {1}{3}},{\frac {2}{3}};{\frac {3}{2}};-{\frac {27x^{2}}{4}}\right)&={\frac {{\sqrt[{3}]{\frac {3x{\sqrt {3}}+{\sqrt {27x^{2}+4}}}{2}}}-{\sqrt[{3}]{\frac {2}{3x{\sqrt {3}}+{\sqrt {27x^{2}+4}}}}}}{x{\sqrt {3}}}}\\\end{aligned}}$

Cuando a = 1 y b = c , la serie se reduce a una serie geométrica simple , es decir

${\begin{aligned}_{2}F_{1}\left(1,b;b;z\right)&={}_{1}F_{0}\left(1;;z\right)=1+z+z^{2}+z^{3}+z^{4}+\cdots \end{aligned}}$

De ahí el nombre de hipergeométrica . Esta función puede considerarse como una generalización de la serie geométrica .

La función hipergeométrica confluente (o función de Kummer) se puede dar como un límite de la función hipergeométrica

$M(a,c,z)=\lim _{b\to \infty }{}_{2}F_{1}(a,b;c;b^{-1}z)$

De modo que todas las funciones que son esencialmente casos especiales de la misma, como las funciones de Bessel , pueden expresarse como límites de funciones hipergeométricas. Entre ellas se incluyen la mayoría de las funciones de uso común en física matemática.

Las funciones de Legendre son soluciones de una ecuación diferencial de segundo orden con 3 puntos singulares regulares, por lo que se pueden expresar en términos de la función hipergeométrica de muchas maneras, por ejemplo

${}_{2}F_{1}(a,1-a;c;z)=\Gamma (c)z^{\tfrac {1-c}{2}}(1-z)^{\tfrac {c-1}{2}}P_{-a}^{1-c}(1-2z)$

Varios polinomios ortogonales, incluidos los polinomios de Jacobi P^(α,β)
_ny sus casos especiales , los polinomios de Legendre , los polinomios de Chebyshev , los polinomios de Gegenbauer y los polinomios de Zernike se pueden escribir en términos de funciones hipergeométricas utilizando

${}_{2}F_{1}(-n,\alpha +1+\beta +n;\alpha +1;x)={\frac {n!}{(\alpha +1)_{n}}}P_{n}^{(\alpha ,\beta )}(1-2x)$

Otros polinomios que son casos especiales incluyen los polinomios de Krawtchouk , los polinomios de Meixner y los polinomios de Meixner-Pollaczek .

Dado , sea $z\in \mathbb {C} \setminus \{0,1\}$

$\tau ={\rm {i}}{\frac {{}_{2}F_{1}{\bigl (}{\frac {1}{2}},{\frac {1}{2}};1;1-z{\bigr )}}{{}_{2}F_{1}{\bigl (}{\frac {1}{2}},{\frac {1}{2}};1;z{\bigr )}}}.$

Entonces

$\lambda (\tau )={\frac {\theta _{2}(\tau )^{4}}{\theta _{3}(\tau )^{4}}}=z$

es la función lambda modular , donde

$\theta _{2}(\tau )=\sum _{n\in \mathbb {Z} }e^{\pi i\tau (n+1/2)^{2}},\quad \theta _{3}(\tau )=\sum _{n\in \mathbb {Z} }e^{\pi i\tau n^{2}}.$

La j-invariante , una función modular , es una función racional en . $\lambda (\tau )$

Las funciones beta incompletas B _x ( p , q ) están relacionadas por

$B_{x}(p,q)={\tfrac {x^{p}}{p}}{}_{2}F_{1}(p,1-q;p+1;x).$

Las integrales elípticas completas K y E están dadas por ^[1]

${\begin{aligned}K(k)&={\tfrac {\pi }{2}}\,_{2}F_{1}\left({\tfrac {1}{2}},{\tfrac {1}{2}};1;k^{2}\right),\\E(k)&={\tfrac {\pi }{2}}\,_{2}F_{1}\left(-{\tfrac {1}{2}},{\tfrac {1}{2}};1;k^{2}\right).\end{aligned}}$

La ecuación diferencial hipergeométrica

La función hipergeométrica es una solución de la ecuación diferencial hipergeométrica de Euler.

$z(1-z){\frac {d^{2}w}{dz^{2}}}+\left[c-(a+b+1)z\right]{\frac {dw}{dz}}-ab\,w=0.$

que tiene tres puntos singulares regulares : 0,1 e ∞. La generalización de esta ecuación a tres puntos singulares regulares arbitrarios se da mediante la ecuación diferencial de Riemann . Cualquier ecuación diferencial lineal de segundo orden con tres puntos singulares regulares se puede convertir en la ecuación diferencial hipergeométrica mediante un cambio de variables.

Soluciones en los puntos singulares

Las soluciones de la ecuación diferencial hipergeométrica se construyen a partir de la serie hipergeométrica ₂F ₁ ( a , b ; c ; z ). La ecuación tiene dos soluciones linealmente independientes . En cada uno de los tres puntos singulares 0, 1, ∞, normalmente hay dos soluciones especiales de la forma x ^s por una función holomorfa de x , donde s es una de las dos raíces de la ecuación indicial y x es una variable local que se desvanece en un punto singular regular. Esto da 3 × 2 = 6 soluciones especiales, como sigue.

Alrededor del punto z = 0, dos soluciones independientes son, si c no es un entero no positivo,

$\,_{2}F_{1}(a,b;c;z)$

y, con la condición de que c no sea un entero,

$z^{1-c}\,_{2}F_{1}(1+a-c,1+b-c;2-c;z)$

Si c es un entero no positivo 1− m , entonces la primera de estas soluciones no existe y debe ser reemplazada por La segunda solución no existe cuando c es un entero mayor que 1, y es igual a la primera solución, o su reemplazo, cuando c es cualquier otro entero. Entonces, cuando c es un entero, se debe usar una expresión más complicada para una segunda solución, igual a la primera solución multiplicada por ln( z ), más otra serie en potencias de z , que involucra la función digamma . Ver Olde Daalhuis (2010) para más detalles. $z^{m}F(a+m,b+m;1+m;z).$

Alrededor de z = 1, si c − a − b no es un entero, uno tiene dos soluciones independientes

$\,_{2}F_{1}(a,b;1+a+b-c;1-z)$

$(1-z)^{c-a-b}\;_{2}F_{1}(c-a,c-b;1+c-a-b;1-z)$

Alrededor de z = ∞, si a − b no es un entero, uno tiene dos soluciones independientes

$z^{-a}\,_{2}F_{1}\left(a,1+a-c;1+a-b;z^{-1}\right)$

$z^{-b}\,_{2}F_{1}\left(b,1+b-c;1+b-a;z^{-1}\right).$

Nuevamente, cuando no se cumplen las condiciones de no integralidad, existen otras soluciones más complicadas.

Cualquiera de las 3 soluciones anteriores satisface una relación lineal ya que el espacio de soluciones es bidimensional, dando (⁶
₃) = 20 relaciones lineales entre ellas llamadas fórmulas de conexión .

Las 24 soluciones de Kummer

Una ecuación fuchsiana de segundo orden con n puntos singulares tiene un grupo de simetrías que actúan (proyectivamente) sobre sus soluciones, isomorfo al grupo de Coxeter W( D _n ) de orden 2 ^{n −1}n !. La ecuación hipergeométrica es el caso n = 3, con grupo de orden 24 isomorfo al grupo simétrico en 4 puntos, como lo describió por primera vez Kummer . La aparición del grupo simétrico es accidental y no tiene análogo para más de 3 puntos singulares, y a veces es mejor pensar en el grupo como una extensión del grupo simétrico en 3 puntos (actuando como permutaciones de los 3 puntos singulares) por un 4-grupo de Klein (cuyos elementos cambian los signos de las diferencias de los exponentes en un número par de puntos singulares). El grupo de 24 transformaciones de Kummer se genera por las tres transformaciones que toman una solución F ( a , b ; c ; z ) a una de

${\begin{aligned}(1-z)^{-a}F\left(a,c-b;c;{\tfrac {z}{z-1}}\right)\\F(a,b;1+a+b-c;1-z)\\(1-z)^{-b}F\left(c-a,b;c;{\tfrac {z}{z-1}}\right)\end{aligned}}$

que corresponden a las transposiciones (12), (23) y (34) bajo un isomorfismo con el grupo simétrico en 4 puntos 1, 2, 3, 4. (La primera y la tercera de estas son en realidad iguales a F ( a , b ; c ; z ) mientras que la segunda es una solución independiente de la ecuación diferencial).

La aplicación de las transformaciones 24 = 6×4 de Kummer a la función hipergeométrica da las soluciones 6 = 2×3 anteriores correspondientes a cada uno de los 2 exponentes posibles en cada uno de los 3 puntos singulares, cada uno de los cuales aparece 4 veces debido a las identidades.

${\begin{aligned}{}_{2}F_{1}(a,b;c;z)&=(1-z)^{c-a-b}\,{}_{2}F_{1}(c-a,c-b;c;z)&&{\text{Euler transformation}}\\{}_{2}F_{1}(a,b;c;z)&=(1-z)^{-a}\,{}_{2}F_{1}(a,c-b;c;{\tfrac {z}{z-1}})&&{\text{Pfaff transformation}}\\{}_{2}F_{1}(a,b;c;z)&=(1-z)^{-b}\,{}_{2}F_{1}(c-a,b;c;{\tfrac {z}{z-1}})&&{\text{Pfaff transformation}}\end{aligned}}$

Forma Q

La ecuación diferencial hipergeométrica puede llevarse a la forma Q

${\frac {d^{2}u}{dz^{2}}}+Q(z)u(z)=0$

haciendo la sustitución u = wv y eliminando el término de la primera derivada, se obtiene que

$Q={\frac {z^{2}[1-(a-b)^{2}]+z[2c(a+b-1)-4ab]+c(2-c)}{4z^{2}(1-z)^{2}}}$

y v viene dada por la solución de

${\frac {d}{dz}}\log v(z)=-{\frac {c-z(a+b+1)}{2z(1-z)}}=-{\frac {c}{2z}}-{\frac {1+a+b-c}{2(z-1)}}$

cual es

$v(z)=z^{-c/2}(1-z)^{(c-a-b-1)/2}.$

La forma Q es significativa en su relación con la derivada schwarziana (Hille 1976, pp. 307-401).

Mapas de triángulos de Schwarz

Los mapas de triángulos de Schwarz o funciones s de Schwarz son relaciones de pares de soluciones.

$s_{k}(z)={\frac {\phi _{k}^{(1)}(z)}{\phi _{k}^{(0)}(z)}}$

donde k es uno de los puntos 0, 1, ∞. La notación

$D_{k}(\lambda ,\mu ,\nu ;z)=s_{k}(z)$

También se utiliza a veces. Nótese que los coeficientes de conexión se convierten en transformaciones de Möbius en los mapas de triángulos.

Nótese que cada mapa de triángulo es regular en z ∈ {0, 1, ∞} respectivamente, con

${\begin{aligned}s_{0}(z)&=z^{\lambda }(1+{\mathcal {O}}(z))\\s_{1}(z)&=(1-z)^{\mu }(1+{\mathcal {O}}(1-z))\end{aligned}}$ y $s_{\infty }(z)=z^{\nu }(1+{\mathcal {O}}({\tfrac {1}{z}})).$

En el caso especial de λ, μ y ν reales, con 0 ≤ λ,μ,ν < 1, entonces las aplicaciones s son aplicaciones conformes del semiplano superior H a triángulos en la esfera de Riemann , delimitadas por arcos circulares. Esta aplicación es una generalización de la aplicación de Schwarz-Christoffel a triángulos con arcos circulares. Los puntos singulares 0,1 y ∞ se envían a los vértices del triángulo. Los ángulos del triángulo son πλ, πμ y πν respectivamente.

Además, en el caso de λ=1/ p , μ=1/ q y ν=1/ r para los números enteros p , q , r , entonces el triángulo recubre la esfera, el plano complejo o el semiplano superior según que λ + μ + ν – 1 sea positivo, cero o negativo; y los s-mapas son funciones inversas de funciones automórficas para el grupo de triángulos〈p , q , r〉 = Δ( p , q , r ).

Grupo de monodromía

La monodromía de una ecuación hipergeométrica describe cómo cambian las soluciones fundamentales cuando se las continúa analíticamente alrededor de trayectorias en el plano z que regresan al mismo punto. Es decir, cuando la trayectoria gira alrededor de una singularidad de ₂F ₁ , el valor de las soluciones en el punto final será diferente del punto inicial.

Dos soluciones fundamentales de la ecuación hipergeométrica están relacionadas entre sí mediante una transformación lineal; por lo tanto, la monodromía es una aplicación (homomorfismo de grupo):

$\pi _{1}(\mathbf {C} \setminus \{0,1\},z_{0})\to {\text{GL}}(2,\mathbf {C} )$

donde π ₁ es el grupo fundamental . En otras palabras, la monodromía es una representación lineal bidimensional del grupo fundamental. El grupo de monodromía de la ecuación es la imagen de este mapa, es decir, el grupo generado por las matrices de monodromía. La representación de monodromía del grupo fundamental se puede calcular explícitamente en términos de los exponentes en los puntos singulares. ^[2] Si (α, α'), (β, β') y (γ, γ') son los exponentes en 0, 1 e ∞, entonces, tomando z ₀ cerca de 0, los bucles alrededor de 0 y 1 tienen matrices de monodromía

${\begin{aligned}g_{0}&={\begin{pmatrix}e^{2\pi i\alpha }&0\\0&e^{2\pi i\alpha ^{\prime }}\end{pmatrix}}\\g_{1}&={\begin{pmatrix}{\mu e^{2\pi i\beta }-e^{2\pi i\beta ^{\prime }} \over \mu -1}&{\mu (e^{2\pi i\beta }-e^{2\pi i\beta ^{\prime }}) \over (\mu -1)^{2}}\\e^{2\pi i\beta ^{\prime }}-e^{2\pi i\beta }&{\mu e^{2\pi i\beta ^{\prime }}-e^{2\pi i\beta } \over \mu -1}\end{pmatrix}},\end{aligned}}$

dónde

$\mu ={\sin \pi (\alpha +\beta ^{\prime }+\gamma ^{\prime })\sin \pi (\alpha ^{\prime }+\beta +\gamma ^{\prime }) \over \sin \pi (\alpha ^{\prime }+\beta ^{\prime }+\gamma ^{\prime })\sin \pi (\alpha +\beta +\gamma ^{\prime })}.$

Si 1− a , c − a − b , a − b son números racionales no enteros con denominadores k , l , m entonces el grupo de monodromía es finito si y solo si , véase la lista de Schwarz o el algoritmo de Kovacic . $1/k+1/l+1/m>1$

Fórmulas integrales

Tipo de Euler

Si B es la función beta entonces

$\mathrm {B} (b,c-b)\,_{2}F_{1}(a,b;c;z)=\int _{0}^{1}x^{b-1}(1-x)^{c-b-1}(1-zx)^{-a}\,dx\qquad \Re (c)>\Re (b)>0,$

siempre que z no sea un número real tal que sea mayor o igual a 1. Esto se puede demostrar desarrollando (1 − zx ) ^{− a} usando el teorema del binomio y luego integrando término por término para z con valor absoluto menor que 1, y por continuación analítica en cualquier otro lugar. Cuando z es un número real mayor o igual a 1, se debe usar la continuación analítica, porque (1 − zx ) es cero en algún punto en el soporte de la integral, por lo que el valor de la integral puede estar mal definido. Esto fue dado por Euler en 1748 e implica las transformaciones hipergeométricas de Euler y Pfaff.

Otras representaciones, correspondientes a otras ramas , se dan tomando el mismo integrando, pero tomando como camino de integración un ciclo de Pochhammer cerrado que encierra las singularidades en varios órdenes. Tales caminos corresponden a la acción de monodromía .

Integral de Barnes

Barnes utilizó la teoría de residuos para evaluar la integral de Barnes.

${\frac {1}{2\pi i}}\int _{-i\infty }^{i\infty }{\frac {\Gamma (a+s)\Gamma (b+s)\Gamma (-s)}{\Gamma (c+s)}}(-z)^{s}\,ds$

como

${\frac {\Gamma (a)\Gamma (b)}{\Gamma (c)}}\,_{2}F_{1}(a,b;c;z),$

donde se dibuja el contorno para separar los polos 0, 1, 2... de los polos − a , − a − 1, ..., − b , − b − 1, ... . Esto es válido siempre que z no sea un número real no negativo.

Juan transforma

La función hipergeométrica de Gauss se puede escribir como una transformada de John (Gelfand, Gindikin y Graev 2003, 2.1.2).

Relaciones contiguas de Gauss

Las seis funciones

${}_{2}F_{1}(a\pm 1,b;c;z),\quad {}_{2}F_{1}(a,b\pm 1;c;z),\quad {}_{2}F_{1}(a,b;c\pm 1;z)$

se llaman contiguas a $2 F 1 (a, b; c; z)$ . Gauss demostró que $2 F 1 (a, b; c; z)$ se puede escribir como una combinación lineal de cualquiera de sus dos funciones contiguas, con coeficientes racionales en términos de $a, b, c$ y $z$ . Esto da

${\begin{pmatrix}6\\2\end{pmatrix}}=15$

relaciones, dadas al identificar dos líneas cualesquiera en el lado derecho de

${\begin{aligned}z{\frac {dF}{dz}}&=z{\frac {ab}{c}}F(a+,b+,c+)\\&=a(F(a+)-F)\\&=b(F(b+)-F)\\&=(c-1)(F(c-)-F)\\&={\frac {(c-a)F(a-)+(a-c+bz)F}{1-z}}\\&={\frac {(c-b)F(b-)+(b-c+az)F}{1-z}}\\&=z{\frac {(c-a)(c-b)F(c+)+c(a+b-c)F}{c(1-z)}}\end{aligned}}$

donde $F = 2 F 1 (a, b; c; z), F (a +) = 2 F 1 (a + 1, b; c; z)$ , y así sucesivamente. La aplicación repetida de estas relaciones da una relación lineal sobre $C (z)$ entre tres funciones cualesquiera de la forma

${}_{2}F_{1}(a+m,b+n;c+l;z),$

donde m , n y l son números enteros. ^[3]

Fracción continua de Gauss

Gauss utilizó las relaciones contiguas para dar varias formas de escribir un cociente de dos funciones hipergeométricas como una fracción continua, por ejemplo:

${\frac {{}_{2}F_{1}(a+1,b;c+1;z)}{{}_{2}F_{1}(a,b;c;z)}}={\cfrac {1}{1+{\cfrac {{\frac {(a-c)b}{c(c+1)}}z}{1+{\cfrac {{\frac {(b-c-1)(a+1)}{(c+1)(c+2)}}z}{1+{\cfrac {{\frac {(a-c-1)(b+1)}{(c+2)(c+3)}}z}{1+{\cfrac {{\frac {(b-c-2)(a+2)}{(c+3)(c+4)}}z}{1+{}\ddots }}}}}}}}}}$

Fórmulas de transformación

Las fórmulas de transformación relacionan dos funciones hipergeométricas en diferentes valores del argumento z .

Transformaciones lineales fraccionarias

La transformación de Euler es Se obtiene combinando las dos transformaciones de Pfaff que a su vez se derivan de la representación integral de Euler. Para la extensión de la primera y segunda transformaciones de Euler, véase Rathie y Paris (2007) y Rakha y Rathie (2011). También se puede escribir como combinación lineal ${}_{2}F_{1}(a,b;c;z)=(1-z)^{c-a-b}{}_{2}F_{1}(c-a,c-b;c;z).$ ${\begin{aligned}{}_{2}F_{1}(a,b;c;z)&=(1-z)^{-b}{}_{2}F_{1}\left(b,c-a;c;{\tfrac {z}{z-1}}\right)\\{}_{2}F_{1}(a,b;c;z)&=(1-z)^{-a}{}_{2}F_{1}\left(a,c-b;c;{\tfrac {z}{z-1}}\right)\\\end{aligned}}$ ${\begin{aligned}{}_{2}F_{1}(a,b;c,z)={}&{\frac {\Gamma (c)\Gamma (c-a-b)}{\Gamma (c-a)\Gamma (c-b)}}{}_{2}F_{1}(a,b;a+b+1-c;1-z)\\[6pt]&{}+{\frac {\Gamma (c)\Gamma (a+b-c)}{\Gamma (a)\Gamma (b)}}(1-z)^{c-a-b}{}_{2}F_{1}(c-a,c-b;1+c-a-b;1-z).\end{aligned}}$

Transformaciones cuadráticas

Si dos de los números 1 − c , c − 1, a − b , b − a , a + b − c , c − a − b son iguales o uno de ellos es 1/2 entonces existe una transformación cuadrática de la función hipergeométrica, relacionándola con un valor diferente de z relacionado por una ecuación cuadrática. Los primeros ejemplos fueron dados por Kummer (1836), y una lista completa fue dada por Goursat (1881). Un ejemplo típico es

${}_{2}F_{1}(a,b;2b;z)=(1-z)^{-{\frac {a}{2}}}{}_{2}F_{1}\left({\tfrac {1}{2}}a,b-{\tfrac {1}{2}}a;b+{\tfrac {1}{2}};{\frac {z^{2}}{4z-4}}\right)$

Transformaciones de orden superior

Si 1− c , a − b , a + b − c difieren en signos o dos de ellos son 1/3 o −1/3 entonces existe una transformación cúbica de la función hipergeométrica, relacionándola con un valor diferente de z relacionado por una ecuación cúbica. Los primeros ejemplos fueron dados por Goursat (1881). Un ejemplo típico es

${}_{2}F_{1}\left({\tfrac {3}{2}}a,{\tfrac {1}{2}}(3a-1);a+{\tfrac {1}{2}};-{\tfrac {z^{2}}{3}}\right)=(1+z)^{1-3a}\,{}_{2}F_{1}\left(a-{\tfrac {1}{3}},a;2a;2z(3+z^{2})(1+z)^{-3}\right)$

También existen algunas transformaciones de grado 4 y 6. Las transformaciones de otros grados solo existen si a , b y c son ciertos números racionales (Vidunas 2005). Por ejemplo, ${}_{2}F_{1}\left({\tfrac {1}{4}},{\tfrac {3}{8}};{\tfrac {7}{8}};z\right)(z^{4}-60z^{3}+134z^{2}-60z+1)^{1/16}={}_{2}F_{1}\left({\tfrac {1}{48}},{\tfrac {17}{48}};{\tfrac {7}{8}};{\tfrac {-432z(z-1)^{2}(z+1)^{8}}{(z^{4}-60z^{3}+134z^{2}-60z+1)^{3}}}\right).$

Valores en puntos especialesel

Véase Slater (1966, Apéndice III) para obtener una lista de fórmulas de suma en puntos especiales, la mayoría de las cuales también aparecen en Bailey (1935). Gessel y Stanton (1982) ofrecen evaluaciones adicionales en más puntos. Koepf (1995) muestra cómo la mayoría de estas identidades pueden verificarse mediante algoritmos informáticos.

Valores especiales enel = 1

El teorema de suma de Gauss, llamado así por Carl Friedrich Gauss , es la identidad

${}_{2}F_{1}(a,b;c;1)={\frac {\Gamma (c)\Gamma (c-a-b)}{\Gamma (c-a)\Gamma (c-b)}},\qquad \Re (c)>\Re (a+b)$

que se deduce de la fórmula integral de Euler al poner z = 1. Incluye la identidad de Vandermonde como un caso especial.

Para el caso especial donde , $a=-m$ ${}_{2}F_{1}(-m,b;c;1)={\frac {(c-b)_{m}}{(c)_{m}}}$

La fórmula de Dougall generaliza esto a la serie hipergeométrica bilateral en z = 1.

Teorema de Kummer (el = −1)

Existen muchos casos en los que las funciones hipergeométricas se pueden evaluar en z = −1 utilizando una transformación cuadrática para cambiar z = −1 a z = 1 y luego utilizando el teorema de Gauss para evaluar el resultado. Un ejemplo típico es el teorema de Kummer, llamado así por Ernst Kummer :

${}_{2}F_{1}(a,b;1+a-b;-1)={\frac {\Gamma (1+a-b)\Gamma (1+{\tfrac {1}{2}}a)}{\Gamma (1+a)\Gamma (1+{\tfrac {1}{2}}a-b)}}$

que se desprende de las transformaciones cuadráticas de Kummer

${\begin{aligned}_{2}F_{1}(a,b;1+a-b;z)&=(1-z)^{-a}\;_{2}F_{1}\left({\frac {a}{2}},{\frac {1+a}{2}}-b;1+a-b;-{\frac {4z}{(1-z)^{2}}}\right)\\&=(1+z)^{-a}\,_{2}F_{1}\left({\frac {a}{2}},{\frac {a+1}{2}};1+a-b;{\frac {4z}{(1+z)^{2}}}\right)\end{aligned}}$

y el teorema de Gauss, poniendo z = −1 en la primera identidad. Para una generalización de la suma de Kummer, véase Lavoie, Grondin y Rathie (1996).

Valores enel = 1/2

El segundo teorema de suma de Gauss es

$_{2}F_{1}\left(a,b;{\tfrac {1}{2}}\left(1+a+b\right);{\tfrac {1}{2}}\right)={\frac {\Gamma ({\tfrac {1}{2}})\Gamma ({\tfrac {1}{2}}\left(1+a+b\right))}{\Gamma ({\tfrac {1}{2}}\left(1+a)\right)\Gamma ({\tfrac {1}{2}}\left(1+b\right))}}.$

El teorema de Bailey es

$_{2}F_{1}\left(a,1-a;c;{\tfrac {1}{2}}\right)={\frac {\Gamma ({\tfrac {1}{2}}c)\Gamma ({\tfrac {1}{2}}\left(1+c\right))}{\Gamma ({\tfrac {1}{2}}\left(c+a\right))\Gamma ({\tfrac {1}{2}}\left(1+c-a\right))}}.$

Para generalizaciones del segundo teorema de suma de Gauss y del teorema de suma de Bailey, véase Lavoie, Grondin y Rathie (1996).

Otros puntos

Existen muchas otras fórmulas que dan la función hipergeométrica como un número algebraico en valores racionales especiales de los parámetros, algunas de las cuales se enumeran en Gessel y Stanton (1982) y Koepf (1995). Algunos ejemplos típicos se dan en

${}_{2}F_{1}\left(a,-a;{\tfrac {1}{2}};{\tfrac {x^{2}}{4(x-1)}}\right)={\frac {(1-x)^{a}+(1-x)^{-a}}{2}},$

que puede reformularse como

$T_{a}(\cos x)={}_{2}F_{1}\left(a,-a;{\tfrac {1}{2}};{\tfrac {1}{2}}(1-\cos x)\right)=\cos(ax)$

siempre que −π < x < π y T es el polinomio de Chebyshev (generalizado) .

Véase también

Serie de Appell , una generalización de dos variables de la serie hipergeométrica
Serie hipergeométrica básica donde la relación de términos es una función periódica del índice
Las series hipergeométricas bilaterales _p H _p son similares a las series hipergeométricas generalizadas, pero se suman sobre todos los números enteros.
Serie binomial ₁ F ₀
Serie hipergeométrica confluente ₁ F ₁ ( a ; c ; z )
Serie hipergeométrica elíptica donde la relación de términos es una función elíptica del índice
Integral hipergeométrica de Euler , una representación integral de ₂F ₁
Función H de Fox , una extensión de la función G de Meijer
Función de Fox-Wright , una generalización de la función hipergeométrica generalizada
Solución de Frobenius a la ecuación hipergeométrica
Función hipergeométrica general introducida por IM Gelfand .
Serie hipergeométrica generalizada _p F _q donde la relación de términos es una función racional del índice
Serie geométrica , donde la relación de términos es una constante
Función de Heun , soluciones de EDO de segundo orden con cuatro puntos singulares regulares
Función de Horn , 34 series hipergeométricas convergentes distintas en dos variables
Serie de Humbert 7 funciones hipergeométricas de 2 variables
Distribución hipergeométrica , una distribución de probabilidad discreta
Función hipergeométrica de un argumento matricial , generalización multivariada de la serie hipergeométrica
Función de Kampé de Fériet , serie hipergeométrica de dos variables
Serie hipergeométrica de Lauricella , serie hipergeométrica de tres variables
Función E de MacRobert , una extensión de la serie hipergeométrica generalizada _p F _q al caso p > q +1.
Función G de Meijer , una extensión de la serie hipergeométrica generalizada _p F _q al caso p > q +1.
Serie hipergeométrica modular , una forma terminal de la serie hipergeométrica elíptica
Ecuación diferencial de Riemann , una generalización de la ecuación diferencial hipergeométrica.
Serie hipergeométrica theta , un tipo especial de serie hipergeométrica elíptica.
Bloques conformes de Virasoro , funciones especiales en la teoría de campos conformes bidimensionales que se reducen a funciones hipergeométricas en algunos casos.

Referencias

^ Morita, Tohru (1996). "Uso de las relaciones contiguas de Gauss en el cálculo de las funciones hipergeométricas F(n+1/2,n+1/2;m;z)". Interd. Inf. Sci . 2 (1): 63–74. doi :10.4036/iis.1996.63. MR 1398101.
^ Desde 1944, págs. 393-393
^ Rakha, Medhat A.; Rathie, Arjun K.; Chopra, Purnima (2011). "Sobre algunas nuevas relaciones contiguas para la función hipergeométrica de Gauss con aplicaciones". Comput. Math. Appl . 61 (3): 620–629. doi :10.1016/j.camwa.2010.12.008. MR 2764057.

^ Esta convención es común en la teoría de funciones hipergeométricas, pero es la convención opuesta a la utilizada en Factoriales descendentes y ascendentes .

Andrews, George E .; Askey, Richard y Roy, Ranjan (1999). Funciones especiales . Enciclopedia de matemáticas y sus aplicaciones. Vol. 71. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-62321-6.Señor 1688958 .
Bailey, WN (1935). Serie hipergeométrica generalizada (PDF) . Cambridge University Press. Archivado desde el original (PDF) el 24 de junio de 2017. Consultado el 23 de julio de 2016 .
Beukers, Frits (2002), Función hipergeométrica de Gauss . (apuntes de clase que repasan los conceptos básicos, así como los mapas de triángulos y la monodromía)
Olde Daalhuis, Adri B. (2010), "Función hipergeométrica", en Olver, Frank WJ ; Lozier, Daniel M.; Boisvert, Ronald F.; Clark, Charles W. (eds.), Manual del NIST de funciones matemáticas , Cambridge University Press, ISBN 978-0-521-19225-5, Sr. 2723248.
Erdélyi, Arthur ; Magnus, Wilhelm ; Oberhettinger, Fritz & Tricomi, Francesco G. (1953). Funciones trascendentales superiores (PDF) . Vol. I. Nueva York – Toronto – Londres: McGraw–Hill Book Company, Inc. ISBN 978-0-89874-206-0. MR 0058756. Archivado desde el original (PDF) el 11 de agosto de 2011. Consultado el 30 de julio de 2011 .
Gasper, George y Rahman, Mizan (2004). Series hipergeométricas básicas, 2.ª edición, Enciclopedia de matemáticas y sus aplicaciones, 96, Cambridge University Press, Cambridge. ISBN 0-521-83357-4 .
Gauss, Carl Friedrich (1813). "Disquisiciones generales circa seriem infinitam 1 + α β 1 ⋅ γ x + α ( α + 1 ) β ( β + 1 ) 1 ⋅ 2 ⋅ γ ( γ + 1 ) x x + etc. {\displaystyle 1+{\tfrac { \alpha \beta }{1\cdot \gamma }}~x+{\tfrac {\alpha (\alpha +1)\beta (\beta +1)}{1\cdot 2\cdot \gamma (\gamma +1 )}}~x~x+{\mbox{etc.}}} ". Commentationes Societatis Regiae Scientarum Gottingensis Recentiores (en latín). 2 . Gotinga.
Gelfand, IM; Gindikin, SG y Graev, MI (2003) [2000]. Temas selectos en geometría integral. Traducciones de monografías matemáticas. Vol. 220. Providence, RI: American Mathematical Society . ISBN 978-0-8218-2932-5.Señor 2000133 .
Gessel, Ira y Stanton, Dennis (1982). "Evaluaciones extrañas de series hipergeométricas". Revista SIAM de Análisis Matemático . 13 (2): 295–308. doi :10.1137/0513021. ISSN 0036-1410. MR 0647127.
Goursat, Édouard (1881). "Sur l'équation différentielle linéaire, qui admet pour intégrale la série hypergéométrique". Annales Scientifiques de l'École Normale Supérieure (en francés). 10 : 3–142. doi : 10.24033/asens.207 . Consultado el 16 de octubre de 2008 .
Heckman, Gerrit y Schlichtkrull, Henrik (1994). Análisis armónico y funciones especiales en espacios simétricos . San Diego: Academic Press. ISBN 0-12-336170-2.(La parte 1 trata de las funciones hipergeométricas en los grupos de Lie)
Hille, Einar (1976). Ecuaciones diferenciales ordinarias en el dominio complejo . Dover. ISBN 0-486-69620-0.
Ince, EL (1944). Ecuaciones diferenciales ordinarias. Publicaciones de Dover.
Klein, Félix (1981). Vorlesungen über die hypergeometrische Function. Grundlehren der Mathematischen Wissenschaften (en alemán). vol. 39. Berlín, Nueva York: Springer-Verlag. ISBN 978-3-540-10455-1.Sr. 0668700 .
Koepf, Wolfram (1995). "Algoritmos para la suma hipergeométrica de pliegues m". Journal of Symbolic Computation . 20 (4): 399–417. doi : 10.1006/jsco.1995.1056 . ISSN 0747-7171. MR 1384455.
Eduard Kummer, Ernst (1836). "Über die hypergeometrische Reihe 1 + α ⋅ β 1 ⋅ γ x + α ( α + 1 ) β ( β + 1 ) 1 ⋅ 2 ⋅ γ ( γ + 1 ) x 2 + α ( α + 1 ) ( α + 2 ) β ( β + 1 ) ( β + 2 ) 1 ⋅ 2 ⋅ 3 ⋅ γ ( γ + 1 ) ( γ + 2 ) x 3 + ⋯ {\displaystyle 1+{\tfrac {\alpha \cdot \beta }{1\cdot \gamma }}~x+{\tfrac {\alpha (\alpha +1)\beta (\beta +1)}{1\cdot 2\cdot \gamma (\gamma +1)}}x^{2}+{\tfrac {\alpha (\alpha +1)(\alpha +2)\beta (\beta +1)(\beta +2)}{1\cdot 2\cdot 3\cdot \gamma (\gamma +1)(\gamma +2)}}x^{3}+\cdots } ". die reine und angewandte Mathematik (en alemán 15 : 39–83, 127–172) .
Lavoie, JL; Grondin, F.; Rathie, AK (1996). "Generalizaciones del teorema de Whipple sobre la suma de un 3F2". J. Comput. Appl. Math . 72 (2): 293–300. doi : 10.1016/0377-0427(95)00279-0 .
Press, WH; Teukolsky, SA; Vetterling, WT y Flannery, BP (2007). "Sección 6.13. Funciones hipergeométricas". Recetas numéricas: el arte de la computación científica (3.ª ed.). Nueva York: Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-88068-8.
Rakha, MA; Rathie, Arjun K. (2011). "Extensiones de la transformación tipo II de Euler y el teorema de Saalschutz". Bull. Korean Math. Soc . 48 (1): 151–156. doi : 10.4134/BKMS.2011.48.1.151 .
Rathie, Arjun K.; Paris, RB (2007). "Una extensión de la transformación de tipo Euler para la serie 3F2". Far East J. Math. Sci . 27 (1): 43–48.
Riemann, Bernhard (1857). "Beiträge zur Theorie der durch die Gauss'sche Reihe F (α, β, γ, x) darstellbaren Functionen". Abhandlungen der Mathematischen Classe der Königlichen Gesellschaft der Wissenschaften zu Göttingen (en alemán). 7 . Gotinga: Verlag der Dieterichschen Buchhandlung: 3–22.(Una reimpresión de este artículo se puede encontrar en "Todas las publicaciones de Riemann" (PDF) .)
Slater, Lucy Joan (1960). Funciones hipergeométricas confluentes . Cambridge, Reino Unido: Cambridge University Press. MR 0107026.
Slater, Lucy Joan (1966). Funciones hipergeométricas generalizadas . Cambridge, Reino Unido: Cambridge University Press. ISBN 0-521-06483-X.Sr. 0201688 .(Existe una edición de bolsillo de 2008 con ISBN 978-0-521-09061-2 )
Vidunas, Raimundas (2005). "Transformaciones de algunas funciones hipergeométricas de Gauss". Journal of Symbolic Computation . 178 (1–2): 473–487. arXiv : math/0310436 . Código Bibliográfico :2005JCoAM.178..473V. doi :10.1016/j.cam.2004.09.053. S2CID 119596800.
Wall, HS (1948). Teoría analítica de fracciones continuas . D. Van Nostrand Company, Inc.
Whittaker, ET y Watson, GN (1927). Un curso de análisis moderno . Cambridge, Reino Unido: Cambridge University Press.
Yoshida, Masaaki (1997). Funciones hipergeométricas, mi amor: interpretaciones modulares de espacios de configuración . Braunschweig – Wiesbaden: Friedr. Vieweg y Sohn. ISBN 3-528-06925-2.Señor 1453580 .

Enlaces externos

"Función hipergeométrica", Enciclopedia de Matemáticas , EMS Press , 2001 [1994]
John Pearson, Cálculo de funciones hipergeométricas ( Universidad de Oxford , tesis de maestría)
Marko Petkovsek, Herbert Wilf y Doron Zeilberger, El libro "A = B" (descargable gratuitamente)
Weisstein, Eric W. "Función hipergeométrica". MathWorld .