Polinom Legendre dan Fungsi Gamma

Batas sumber. Bagian ini mengikat special_functions.tex baris 1063-1431 pada sumber beku.

Polinom Legendre Pn(x)P_n(x) pada [−1,1][-1,1]

Rujukan yang baik mengenai topik ini dan topik-topik pada bagian berikutnya dalam bab ini adalah Rain; Simm. Secara khusus, pembaca akan menemukan dalam rujukan ini bukti-bukti untuk hasil yang kami berikan tanpa bukti.

Persamaan diferensial Legendre adalah

(1−x2)y″−2xy′+n(n+1)y=0.(1-x^2)y'' -2xy' + n(n+1) y = 0 \ . Dengan menggunakan metode Frobenius di titik reguler 00, kita mendapati bahwa solusi-solusi terbatas (pada interval ]−1,1[]-1,1[) dari persamaan diferensial ini merupakan kelipatan dari

Pn(x)=12n∑m=0⌊n/2⌋(−1)m(nm)(2n−2mn)xn−2m,P_n(x) = \frac{1}{2^n} \sum_{m=0}^{\lfloor{n/2}\rfloor} \, (-1)^m \binom{n}{m} \binom{2n-2m}{n} x^{n-2m} \ , di mana ⌊n/2⌋\lfloor{n/2}\rfloor adalah bilangan bulat terbesar yang kurang dari atau sama dengan n/2n/2. Polinom PnP_n disebut polinom Legendre ternormalisasi karena polinom-polinom tersebut memenuhi syarat normalisasi Pn(1)=1P_n(1) = 1. Selain itu, berlaku |Pn(x)|≤1|P_n(x)| \leq 1 untuk −1≤x≤1-1 \leq x \leq 1.

Polinom PnP_n dapat dibangkitkan oleh relasi rekurensi

(n+1)Pn+1(x)=(2n+1)xPn(x)−nPn−1(x)(n+1) P_{n+1}(x) = (2n+1) x P_n(x) - n P_{n-1}(x) atau oleh rumus Rodrigues yang diberikan dalam proposisi berikut.

Proposisi.

Pn(x)=(−1)n2nn!dndxn(1−x2)n.P_n(x) = \frac{(-1)^n}{2^n n!} \frac{\mathrm{d}^{n}}{\mathrm{d}{x}^{n}}{(1-x^2)^n} \ .

Bukti. Karena

(1−x2)n=∑k=0nn!(n−k)!k!(−x2)n−k,(1-x^2)^n = \sum_{k=0}^n \frac{n!}{(n-k)!k!} (-x^2)^{n-k} \ , kita memperoleh

(−1)n2nn!dndxn(1−x2)n=(−1)n2nn!dndxn(∑k=0nn!(n−k)!k!(−x2)n−k)=12n∑k=0⌊n/2⌋(−1)k(n−k)!k!(dndxnx2n−2k)\begin{aligned} \frac{(-1)^n}{2^n n!} \frac{\mathrm{d}^{n}}{\mathrm{d}{x}^{n}}{(1-x^2)^n} &= \frac{(-1)^n}{2^n n!} \frac{\mathrm{d}^{n}}{\mathrm{d}{x}^{n}}{ \left( \sum_{k=0}^n \frac{n!}{(n-k)!k!} (-x^2)^{n-k} \right)} \\ &= \frac{1}{2^n}\sum_{k=0}^{\lfloor{n/2}\rfloor} \frac{(-1)^k}{(n-k)!k!} \left( \frac{\mathrm{d}^{n}}{\mathrm{d}{x}^{n}}{x^{2n-2k}} \right) \end{aligned} karena turunan berorde nn dari x2n−2k\displaystyle x^{2n-2k} bernilai nol untuk 2n−2k<n2n-2k<n; yaitu, k>n/2k > n/2. Karena

dndxn(x2n−2k)=(2n−2k)(2n−2k−1)⋯(n−2k+1)xn−2k=(2n−2k)!(n−2k)!xn−2k,\frac{\mathrm{d}^{n}}{\mathrm{d}{x}^{n}}{\left(x^{2n-2k}\right)} = (2n-2k)(2n-2k-1) \cdots (n-2k+1) x^{n-2k} = \frac{(2n-2k)!}{(n-2k)!} x^{n-2k} \ , kita memperoleh

(−1)n2nn!dndxn(1−x2)n=12n∑k=0⌊n/2⌋(−1)k(2n−2k)!(n−k)!k!(n−2k)!xn−2k=12n∑k=0⌊n/2⌋(−1)k(n!(n−k)!k!)((2n−2k)!(n−2k)!n!)xn−2k=12n∑k=0⌊n/2⌋(−1)k(nk)(2n−2kn)xn−2k=Pn(x).▫\begin{aligned} \frac{(-1)^n}{2^n n!} \frac{\mathrm{d}^{n}}{\mathrm{d}{x}^{n}}{(1-x^2)^n} &= \frac{1}{2^n}\sum_{k=0}^{\lfloor{n/2}\rfloor} \frac{(-1)^k (2n-2k)!}{(n-k)!k!(n-2k)!} x^{n-2k} \\ &= \frac{1}{2^n}\sum_{k=0}^{\lfloor{n/2}\rfloor} (-1)^k \left(\frac{n!}{(n-k)!k!}\right) \left(\frac{(2n-2k)!}{(n-2k)!n!}\right) x^{n-2k} \\ &= \frac{1}{2^n} \sum_{k=0}^{\lfloor{n/2}\rfloor} \, (-1)^k \binom{n}{k} \binom{2n-2k}{n} x^{n-2k} = P_n(x) \ . \square \end{aligned}

Terdapat pula deret pembangkit untuk polinom Legendre; yaitu,

11−2xt+t2=∑n=0∞Pn(x)tn,−1<x,t<1.\frac{1}{\sqrt{1-2xt +t^2}} = \sum_{n=0}^{\infty} \, P_n(x) t^n \quad , \quad -1 < x,t < 1 \ . Enam polinom Legendre pertama adalah P0(x)=1\displaystyle P_0(x) = 1, P1(x)=x\displaystyle P_1(x) = x, P2(x)=12(3x2−1)\displaystyle P_2(x) = \frac{1}{2}(3x^2-1), P3(x)=12(5x3−3x)\displaystyle P_3(x) = \frac{1}{2} (5x^3 - 3 x), P4(x)=18(35x4−30x2+3)\displaystyle P_4(x) = \frac{1}{8}(35x^4 - 30x^2 + 3) dan P5(x)=18(63x5−70x3+15x)\displaystyle P_5(x) = \frac{1}{8} (63x^5 -70x^3 + 15x).

Persamaan Legendre (5.3.1) dapat ditulis sebagai masalah Sturm-Liouville singular reguler. Secara lebih tepat, (5.3.1) adalah

d((1−x2)dydx)dx+λy=0.\frac{\mathrm{d} \left( (1-x^2) \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}{x}}\right)}{\mathrm{d}{x}} + \lambda y = 0 \ . Ini adalah (5.2.1) dengan r(x)=1−x2\displaystyle r(x) = 1 -x^2, q(x)=0q(x)=0, p(x)=1p(x) =1, a=−1a=-1 dan b=1b=1. Jika kita mensyaratkan agar yy terbatas pada interval ]−1,1[]-1,1[, maka kita memperoleh masalah Sturm-Liouville singular reguler yang nilai eigennya adalah λn=n(n+1)\lambda_n = n(n+1) untuk n≥0n \geq 0, dan di mana polinom Legendre PnP_n merupakan fungsi eigen yang terkait dengan nilai eigen λn\lambda_n.

Dari teori masalah Sturm-Liouville diperoleh bahwa polinom Legendre ortogonal terhadap hasil kali skalar

⟨f,g⟩=∫−11f(x)g(x)dx\left\langle{f},{g}\right\rangle = \int_{-1}^1 f(x)g(x) \,\mathrm{d}{x} dan himpunan {Pn:n≥0}\left\{ P_n : n \geq 0\right\} lengkap dalam L2[−1,1]\displaystyle L^2[-1,1]. Secara lebih tepat, polinom Legendre memenuhi relasi ortogonalitas

∫−11Pn(x)Pm(x)dx={0 jika n≠m22n+1 jika n=m\int_{-1}^{1} \: P_n(x) P_m(x) \,\mathrm{d}{x} = \begin{cases} 0 & \mbox{ jika } n \neq m \\ \displaystyle\frac{2}{2n+1} & \mbox{ jika } n = m \end{cases} Kita juga memiliki hasil berikut.

Proposisi. Norma L2\displaystyle L^2 dari PnP_n adalah

∥Pn∥=(∫−11(Pn(x))2dx)1/2=(22n+1)1/2.\parallel P_n \parallel = \left( \int_{-1}^{1} (P_n(x))^2 \,\mathrm{d}{x} \right)^{1/2} = \left( \frac{2}{2n+1} \right)^{1/2} \ .

Bukti. Misalkan I=∥Pn∥2\displaystyle I = \| P_n\|^2. Dengan menggunakan rumus Rodrigues, kita memperoleh

I=(−1)n2nn!∫−11Pn(x)dndxn(1−x2)ndx.I = \frac{(-1)^n}{2^n n!} \int_{-1}^1 P_n(x) \frac{\mathrm{d}^{n}}{\mathrm{d}{x}^{n}}{(1-x^2)^n} \,\mathrm{d}{x} \ . Dengan menggunakan integrasi parsial dengan f(x)=Pn(x)f(x) = P_n(x) dan g′(x)=dndxn(1−x2)n\displaystyle g'(x) = \frac{\mathrm{d}^{n}}{\mathrm{d}{x}^{n}}{(1-x^2)^n}, sehingga f′(x)=Pn′(x)f'(x) = P_n'(x) dan g(x)=dn−1dxn−1(1−x2)n\displaystyle g(x) = \frac{\mathrm{d}^{n-1}}{\mathrm{d}{x}^{n-1}}{(1-x^2)^n}, kita memperoleh

I=(−1)n2nn!(Pn(x)dn−1dxn−1(1−x2)n|−11−∫−11Pn′(x)dn−1dxn−1(1−x2)ndx)=(−1)n+12nn!∫−11Pn′(x)dn−1dxn−1(1−x2)ndx\begin{aligned} I &= \frac{(-1)^n}{2^n n!} \left( P_n(x) \frac{\mathrm{d}^{n-1}}{\mathrm{d}{x}^{n-1}}{(1-x^2)^n}\bigg|_{-1}^1 - \int_{-1}^1 P_n'(x) \frac{\mathrm{d}^{n-1}}{\mathrm{d}{x}^{n-1}}{(1-x^2)^n} \,\mathrm{d}{x} \right) \\ &= \frac{(-1)^{n+1}}{2^n n!} \int_{-1}^1 P_n'(x) \frac{\mathrm{d}^{n-1}}{\mathrm{d}{x}^{n-1}}{(1-x^2)^n} \,\mathrm{d}{x} \end{aligned} karena dkdxk(1−x2)n=0\displaystyle\frac{\mathrm{d}^{k}}{\mathrm{d}{x}^{k}}{(1-x^2)^n} = 0 pada x=1x=1 dan x=−1x=-1 untuk k<nk<n. Dengan menggunakan integrasi parsial seperti di atas, pembaca dapat dengan mudah menunjukkan melalui induksi bahwa

I=12nn!∫−11Pn(n)(x)(1−x2)ndx.I = \frac{1}{2^n n!} \int_{-1}^1 P_n^{(n)}(x) (1-x^2)^n \,\mathrm{d}{x} \ . Karena

Pn(n)(x)=dndxn((−1)n2nn!dndxn(1−x2)n)=12nn!d2ndx2n(x2−1)n=(2n)!2nn!,P_n^{(n)}(x) = \frac{\mathrm{d}^{n}}{\mathrm{d}{x}^{n}}{ \left( \frac{(-1)^n}{2^n n!} \frac{\mathrm{d}^{n}}{\mathrm{d}{x}^{n}}{(1-x^2)^n}\right)} = \frac{1}{2^n n!} \frac{\mathrm{d}^{2n}}{\mathrm{d}{x}^{2n}}{(x^2-1)^n} = \frac{(2n)!}{2^n n!} \ , kita memperoleh

I=(2n)!(2nn!)2∫−11(1−x2)ndx=2(2n)!(2nn!)2∫01(1−x2)ndx.I = \frac{(2n)!}{(2^n n!)^2} \int_{-1}^1 (1-x^2)^n \,\mathrm{d}{x} = \frac{2(2n)!}{(2^n n!)^2} \int_0^1 (1-x^2)^n \,\mathrm{d}{x} \ . Untuk menghitung integral ∫01(1−x2)ndx\displaystyle\int_0^1 (1-x^2)^n \,\mathrm{d}{x}, kita menggunakan substitusi trigonometri x=sin⁡(t)x=\sin(t) untuk 0≤t≤π/20 \leq t \leq \pi/2.

∫01(1−x2)ndx=∫0π/2cos⁡2n+1(t)dt.\int_0^1 (1-x^2)^n \,\mathrm{d}{x} = \int_0^{\pi/2} \cos^{2n+1}(t) \,\mathrm{d}{t} \ . Dengan menggunakan integrasi parsial dengan f(t)=cos⁡2n(t)\displaystyle f(t) = \cos^{2n}(t) dan g′(t)=cos⁡(t)g'(t) = \cos(t), sehingga
f′(t)=−2ncos⁡2n−1(t)sin⁡(t)\displaystyle f'(t) = -2n \cos^{2n-1}(t)\sin(t) dan g(t)=sin⁡(t)g(t) = \sin(t), kita memperoleh

∫0π/2cos⁡2n+1(t)dt=cos⁡2n(t)sin⁡(t)|0π/2+2n∫0π/2cos⁡2n−1(t)sin⁡2(t)dt=2n∫0π/2cos⁡2n−1(t)dt−2n∫0π/2cos⁡2n+1(t)dt.\begin{aligned} \int_0^{\pi/2} \cos^{2n+1}(t) \,\mathrm{d}{t} &= \cos^{2n}(t)\sin(t)\bigg|_0^{\pi/2} + 2n \int_0^{\pi/2} \cos^{2n-1}(t)\sin^2(t)\,\mathrm{d}{t} \\ &= 2n \int_0^{\pi/2} \cos^{2n-1}(t) \,\mathrm{d}{t} - 2n \int_0^{\pi/2} \cos^{2n+1}(t) \,\mathrm{d}{t} \ . \end{aligned} Dengan demikian,

∫01(1−x2)ndx=∫0π/2cos⁡2n+1(t)dt=2n2n+1∫0π/2cos⁡2n−1(t)dt.\int_0^1 (1-x^2)^n \,\mathrm{d}{x} = \int_0^{\pi/2} \cos^{2n+1}(t) \,\mathrm{d}{t} = \frac{2n}{2n+1} \int_0^{\pi/2} \cos^{2n-1}(t)\,\mathrm{d}{t} \ . Mengulangi prosedur ini sebanyak n−1n-1 kali menghasilkan

∫01(1−x2)ndx=(2n)(2n−2)⋯2(2n+1)(2n−1)⋯3∫0π/2cos⁡(t)dt⏟=1=(2nn!)2(2n+1)!.\int_0^1 (1-x^2)^n \,\mathrm{d}{x} = \frac{(2n)(2n-2)\cdots 2}{(2n+1)(2n-1)\cdots 3} \underbrace{\int_0^{\pi/2} \cos(t)\,\mathrm{d}{t}}_{=1} = \frac{(2^n n!)^2}{(2n+1)!} \ . Akhirnya, kita memperoleh

I=2(2n)!(2nn!)2((2nn!)2(2n+1)!)=22n+1.▫I = \frac{2(2n)!}{(2^n n!)^2} \left( \frac{(2^n n!)^2}{(2n+1)!} \right) = \frac{2}{2n+1} \ . \square

Ekspansi Fourier-Legendre dari ff pada [−1,1][-1,1] adalah

f=∑n=0∞anPnf = \sum_{n=0}^{\infty} a_n P_n di mana an=2n+12∫−11f(x)Pn(x)dx\displaystyle a_n = \frac{2n+1}{2} \int_{-1}^{1} f(x) P_n(x)\,\mathrm{d}{x} untuk n≥0n \geq 0. Deret dalam (5.3.2) konvergen dalam L2[−1,1]\displaystyle L^2[-1,1].

Dengan substitusi x=cos⁡(ϕ)x=\cos(\phi) untuk 0≤ϕ≤π0\leq \phi \leq \pi, kita memperoleh himpunan fungsi ortogonal lengkap {Pn(cos(ϕ)):n≥0}\displaystyle\left\{P_n(\cos(\phi)) : n \geq 0 \right\} dalam ruang berbobot L2([0,π],sin⁡(ϕ)dϕ)\displaystyle L^2([0,\pi],\sin(\phi)\,\mathrm{d}{\phi}), dengan hasil kali skalar yang diberikan oleh

⟨f,g⟩=∫0πf(ϕ)g(ϕ)sin⁡(ϕ)dϕ.\left\langle{f},{g}\right\rangle = \int_0^\pi f(\phi) g(\phi) \sin(\phi) \,\mathrm{d}{\phi} \ . Ekspansi Fourier-Legendre dari ff pada [0,π][0,\pi] terhadap himpunan fungsi ortogonal lengkap ini adalah

f̃≡f∘cos⁡=∑n=0∞anPn∘cos\tilde{f} \equiv f \circ \cos = \sum_{n=0}^{\infty} a_n P_n \circ \cos di mana

an=2n+12∫0πf̃(ϕ)Pn(cos⁡(ϕ))sin⁡(ϕ)dϕ=2n+12∫−11f(x)Pn(x)dxa_n = \frac{2n+1}{2} \int_{0}^{\pi} \tilde{f}(\phi) P_n(\cos(\phi)) \sin(\phi) \,\mathrm{d}{\phi} = \frac{2n+1}{2} \int_{-1}^{1} f(x)\, P_n(x) \,\mathrm{d}{x} untuk n≥0n \geq 0. Deret dalam (5.3.3) konvergen dalam L2([0,π],sin⁡(ϕ)dϕ)\displaystyle L^2([0,\pi],\sin(\phi)\,\mathrm{d}{\phi}).

Contoh. Nyatakan fungsi f(x)=|x|f(x) = |x| untuk −1≤x≤1-1\leq x \leq 1 dalam polinom Legendre.

Koefisien diberikan oleh an=2n+12∫−11|x|Pn(x)dx\displaystyle a_n = \frac{2n+1}{2} \int_{-1}^{1} |x| P_n(x)\,\mathrm{d}{x} untuk n≥0n \geq 0. Karena Pn(x)P_n(x) merupakan fungsi ganjil ketika nn ganjil, maka |x|Pn(x)|x| P_n(x) ganjil ketika nn ganjil sehingga an=0a_n =0 untuk nn ganjil. Menemukan rumus umum untuk koefisien ana_n dengan nn genap sedikit lebih sulit. Kita memperoleh

a0=12∫−11|x|dx=∫01xdx=12,a2=52∫−11|x|3x2−12dx=52∫01(3x3−x)dx=58,a4=92∫−11|x|35x4−30x2+38dx=98∫01(35x5−30x3+3x)dx=−316,\begin{aligned} a_0 &= \frac{1}{2} \int_{-1}^1 |x| \,\mathrm{d}{x} = \int_0^1 x \,\mathrm{d}{x} = \frac{1}{2} \ ,\\ a_2 &= \frac{5}{2} \int_{-1}^1 |x| \frac{3x^2-1}{2} \,\mathrm{d}{x} = \frac{5}{2} \int_0^1 (3x^3-x) \,\mathrm{d}{x} = \frac{5}{8} \ , \\ a_4 &= \frac{9}{2} \int_{-1}^1 |x| \frac{35x^4-30x^2+3}{8} \,\mathrm{d}{x} = \frac{9}{8} \int_0^1 (35x^5-30x^3+3x) \,\mathrm{d}{x} = -\frac{3}{16} \ , \end{aligned} dan seterusnya. Jika kita menggunakan rumus Rodrigues, kita mendapati bahwa

a2m=(−1)2m(4m+1)22m+1(2m)!∫−11|x|d2mdx2m(1−x2)2mdx=(4m+1)22m(2m)!∫01xd2mdx2m(1−x2)2mdxa_{2m} = \frac{(-1)^{2m}(4m+1)}{2^{2m+1} (2m)!} \int_{-1}^{1} |x| \frac{\mathrm{d}^{2m}}{\mathrm{d}{x}^{2m}}{(1-x^2)^{2m}} \,\mathrm{d}{x} = \frac{(4m+1)}{2^{2m} (2m)!} \int_0^{1} x \frac{\mathrm{d}^{2m}}{\mathrm{d}{x}^{2m}}{(1-x^2)^{2m}} \,\mathrm{d}{x} untuk m≥0m \ge 0. Jika kita mengasumsikan bahwa m>0m>0, maka kita dapat menggunakan integrasi parsial dengan f(x)=xf(x) = x dan g′(x)=d2mdx2m(1−x2)2m\displaystyle g'(x) = \frac{\mathrm{d}^{2m}}{\mathrm{d}{x}^{2m}}{(1-x^2)^{2m}}, sehingga f′(x)=1f'(x) = 1 dan g(x)=d2m−1dx2m−1(1−x2)2m\displaystyle g(x) = \frac{\mathrm{d}^{2m-1}}{\mathrm{d}{x}^{2m-1}}{(1-x^2)^{2m}}, untuk memperoleh

a2m=(4m+1)22m(2m)!(xd2m−1dx2m−1(1−x2)2m|01−∫01d2m−1dx2m−1(1−x2)2mdx)=−(4m+1)22m(2m)!d2m−2dx2m−2(1−x2)2m|01=(4m+1)22m(2m)!d2m−2dx2m−2(1−x2)2m|x=0,\begin{aligned} a_{2m} &= \frac{(4m+1)}{2^{2m} (2m)!}\left( x \frac{\mathrm{d}^{2m-1}}{\mathrm{d}{x}^{2m-1}}{(1-x^2)^{2m}}\bigg|_0^1 - \int_0^{1} \frac{\mathrm{d}^{2m-1}}{\mathrm{d}{x}^{2m-1}}{(1-x^2)^{2m}} \,\mathrm{d}{x}\right)\\ &= - \frac{(4m+1)}{2^{2m} (2m)!} \frac{\mathrm{d}^{2m-2}}{\mathrm{d}{x}^{2m-2}}{(1-x^2)^{2m}}\bigg|_0^1 = \frac{(4m+1)}{2^{2m} (2m)!} \frac{\mathrm{d}^{2m-2}}{\mathrm{d}{x}^{2m-2}}{(1-x^2)^{2m}}\bigg|_{x=0} \ , \end{aligned} di mana kesamaan kedua dan ketiga diperoleh dari dkdxk(1−x2)2m|x=1=0\displaystyle\frac{\mathrm{d}^{k}}{\mathrm{d}{x}^{k}}{(1-x^2)^{2m}}\Big|_{x=1} = 0 untuk k<2mk<2m. Nilai d2m−2dx2m−2(1−x2)2m\displaystyle\frac{\mathrm{d}^{2m-2}}{\mathrm{d}{x}^{2m-2}}{(1-x^2)^{2m}} pada x=0x=0 diberikan oleh (2m−2)!(2m-2)! dikalikan koefisien x2m−2\displaystyle x^{2m-2} dalam

(1−x2)2m=∑k=02m(2m)!(2m−k)!k!(−x2)k.(1-x^2)^{2m} = \sum_{k=0}^{2m} \frac{(2m)!}{(2m-k)!k!} (-x^2)^k \ . Koefisien ini berkaitan dengan kk sedemikian sehingga 2k=2m−22k = 2m-2; yaitu, k=m−1k=m-1. Oleh karena itu

a2m=(4m+1)22m(2m)!((−1)m−1(2m)!(m+1)!(m−1)!)(2m−2)!=(−1)m−1(4m+1)(2m−2)!22m(m+1)!(m−1)!a_{2m} = \frac{(4m+1)}{2^{2m} (2m)!}\left( \frac{(-1)^{m-1} (2m)!}{(m+1)!(m-1)!} \right) (2m-2)! = \frac{(-1)^{m-1} (4m+1) (2m-2)!}{2^{2m}(m+1)!(m-1)!} untuk m>0m>0. Dengan demikian

|x|=12P0(x)+58P2(x)−316P4(x)+…=12P0(x)+∑m=1∞(−1)m−1(4m+1)(2m−2)!22m(m+1)!(m−1)!P2m(x).|x| = \frac{1}{2}P_0(x) + \frac{5}{8}P_2(x) - \frac{3}{16}P_4(x) + \ldots = \frac{1}{2}P_0(x) + \sum_{m=1}^\infty \frac{(-1)^{m-1} (4m+1) (2m-2)!}{2^{2m}(m+1)!(m-1)!} P_{2m}(x) \ .

Polinom Legendre Terasosiasi Pnm(x)\displaystyle P_n^m(x) pada ]−1,1[]-1,1[

Persamaan Legendre terasosiasi adalah persamaan diferensial biasa

(1−x2)d((1−x2)dydx)dx+((1−x2)λ−m2)y=0(1-x^2) \frac{\mathrm{d} \left( (1-x^2) \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}{x}} \right) }{\mathrm{d}{x}} + \left( (1-x^2)\lambda - m^2 \right) y = 0 untuk −1<x<1-1 < x < 1, dengan mm bilangan bulat taknegatif. Jika kita mendiferensialkan persamaan Legendre sebanyak mm kali terhadap xx, yang diberikan oleh

d((1−x2)dzdx)dx+λz=0\frac{\mathrm{d} \left( (1-x^2) \frac{\mathrm{d}z}{\mathrm{d}{x}}\right)}{\mathrm{d}{x}} + \lambda z = 0 untuk −1<x<1-1<x<1, maka kita memperoleh persamaan diferensial

(1−x2)dm+2zdxm+2−2(m+1)xdm+1zdxm+1+(λ−m(m+1))dmzdxm=0(1-x^2) \frac{\mathrm{d}^{m+2}{z}}{\mathrm{d}{x}^{m+2}} - 2(m+1)x \frac{\mathrm{d}^{m+1}{z}}{\mathrm{d}{x}^{m+1}} + \left( \lambda - m(m+1)\right) \frac{\mathrm{d}^{m}{z}}{\mathrm{d}{x}^{m}} = 0 untuk −1<x<1-1<x<1. Jika kita menyubstitusikan y=(1−x2)m/2dmzdxm\displaystyle y = (1-x^2)^{m/2}\frac{\mathrm{d}^{m}{z}}{\mathrm{d}{x}^{m}}, atau secara ekuivalen dmzdxm=(1−x2)−m/2y\displaystyle\frac{\mathrm{d}^{m}{z}}{\mathrm{d}{x}^{m}} = (1-x^2)^{-m/2} y, ke dalam persamaan sebelumnya dan mengalikannya dengan (1−x2)−m/2+1\displaystyle(1-x^2)^{-m/2 +1}, maka kita memperoleh (5.4.1). Oleh karena itu, solusi (5.4.1) berbentuk y=(1−x2)m/2dmzdxm\displaystyle y = (1-x^2)^{m/2}\frac{\mathrm{d}^{m}{z}}{\mathrm{d}{x}^{m}}, dengan zz merupakan solusi persamaan Legendre (5.4.2).

Dapat ditunjukkan bahwa, untuk setiap bilangan bulat tetap m≥0m\geq 0, (5.4.1) mempunyai solusi terbatas taktrivial jika dan hanya jika λ=n(n+1)\lambda = n(n+1) untuk suatu bilangan bulat n≥mn\geq m. Selain itu, apabila λ=n(n+1)\lambda = n(n+1) dan 0≤m≤n0\leq m\leq n, ruang solusi terbatas dari (5.4.1) direntang oleh polinom Legendre terasosiasi yang didefinisikan oleh

Pnm(x)=(1−x2)m/2dmPndxm(x)P_n^m(x) = (1-x^2)^{m/2}\, \frac{\mathrm{d}^{m}{P_n}}{\mathrm{d}{x}^{m}}(x) Perhatikan bahwa mm tidak dapat lebih besar daripada nn karena PnP_n merupakan polinom berderajat nn sehingga turunannya yang berorde lebih besar daripada nn bernilai nol.

Polinom Legendre terasosiasi akan berguna dalam mempelajari persamaan Laplace pada Bab 9 (rujukan ke bab mendatang).

Fungsi Gamma

Fungsi gamma diperlukan untuk mendefinisikan fungsi-fungsi Bessel pada bagian berikutnya. Penggunaan fungsi gamma dalam matematika tidak terbatas pada definisi fungsi-fungsi Bessel. Bahkan, fungsi gamma muncul di banyak bidang matematika. Fungsi gamma memainkan peranan penting dalam analisis matematika, dalam teori bilangan analitik, dan sebagainya.

Fungsi gamma Γ\Gamma didefinisikan oleh

Γ(ν)=∫0∞e−ttν−1dt\Gamma(\nu) = \int_0^\infty e^{-t} t^{\nu-1} \,\mathrm{d}{t} untuk ν>0\nu > 0 dan secara rekursif oleh Γ(ν)=Γ(ν+1)/ν\displaystyle\Gamma(\nu) = \Gamma(\nu + 1)/\nu untuk ν<0\nu < 0, dengan ν\nu bukan bilangan bulat negatif. Graf fungsi gamma antara −3-3 dan 33 ditampilkan pada Gambar 5.1.

Beberapa sifat fungsi gamma adalah Γ(ν+1)=νΓ(ν)\displaystyle\Gamma(\nu+1) = \nu \Gamma(\nu) dan Γ(n+1)=n!\displaystyle\Gamma(n+1) = n! untuk n≥0n \geq 0.

Grafik fungsi gamma y=Gamma(nu) untuk -3 < nu < 3, dengan cabang-cabang yang dipisahkan oleh asimtot pada bilangan bulat nonpositif.

Perhatikan bahwa Γ(1/2)=π\Gamma(1/2) = \sqrt{\pi}. Hal ini dapat dengan mudah dibuktikan menggunakan integral ganda. Dengan substitusi t=s2\displaystyle t = s^2 dalam

Γ(12)=∫0∞e−tt−1/2dt,\Gamma\left(\frac{1}{2}\right) = \int_0^\infty e^{-t} t^{-1/2} \,\mathrm{d}{t} \ , kita memperoleh

Γ(12)=2∫0∞e−s2ds.\Gamma\left(\frac{1}{2}\right) = 2 \int_0^\infty e^{-s^2} \,\mathrm{d}{s} \ . Jadi,

Γ2(12)=4(∫0∞e−u2du)2=4(∫0∞e−u2du)(∫0∞e−v2dv)=4∫0∞∫0∞e−u2−v2dudv=4∫0π/2∫0∞re−r2drdθ=π,\begin{aligned} \Gamma^2\left(\frac{1}{2}\right) &= 4 \left(\int_0^\infty e^{-u^2} \,\mathrm{d}{u}\right)^2 = 4 \left(\int_0^\infty e^{-u^2} \,\mathrm{d}{u}\right) \left( \int_0^\infty e^{-v^2} \,\mathrm{d}{v}\right) \\ &= 4 \int_0^\infty \int_0^\infty e^{-u^2-v^2} \,\mathrm{d}{u} \,\mathrm{d}{v} = 4 \int_0^{\pi/2} \int_0^\infty r e^{-r^2} \,\mathrm{d}{r}\,\mathrm{d}{\theta} = \pi \ , \end{aligned} dengan menggunakan koordinat polar u=rcos⁡(θ)u=r\cos(\theta), v=rsin⁡(θ)v=r\sin(\theta) untuk 0≤θ≤π/20\leq \theta \leq \pi/2 dan r≥0r\geq 0 guna menghitung integral ganda.

Atribusi dan hak. Karya sumber oleh Benoit Dionne dilisensikan berdasarkan Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International. Terjemahan dan perubahan yang dicatat menggunakan lisensi komponen yang sama. Produksi terjemahan dan edisi dibantu OpenAI Codex gpt-5.6-sol, Ultra; semua kredit penulis dan kontributor manusia tetap dipertahankan. Ini bukan terbitan atau dukungan resmi Benoit Dionne maupun University of Ottawa.

← Kembali ke Program Matematika