En matemáticas, los polinomios de Neumann , introducidos por Carl Neumann para el caso especialα = 0 {\displaystyle \alpha =0} , son una secuencia de polinomios en1 / t {\displaystyle 1/t} utilizado para expandir funciones en términos de funciones de Bessel . [ 1 ]
Los primeros polinomios son
O 0 ( α ) ( t ) = 1 t , {\displaystyle O_{0}^{(\alpha )}(t)={\frac {1}{t}},} O 1 ( α ) ( t ) = 2 α + 1 t 2 , {\displaystyle O_{1}^{(\alpha )}(t)=2{\frac {\alpha +1}{t^{2}}},} O 2 ( α ) ( t ) = 2 + α t + 4 ( 2 + α ) ( 1 + α ) t 3 , {\displaystyle O_{2}^{(\alpha )}(t)={\frac {2+\alpha }{t}}+4{\frac {(2+\alpha )(1+\alpha )}{t^{3}}},} O 3 ( α ) ( t ) = 2 ( 1 + α ) ( 3 + α ) t 2 + 8 ( 1 + α ) ( 2 + α ) ( 3 + α ) t 4 , {\displaystyle O_{3}^{(\alpha )}(t)=2{\frac {(1+\alpha )(3+\alpha )}{t^{2}}}+8{\frac {(1+\alpha )(2+\alpha )(3+\alpha )}{t^{4}}},} O 4 ( α ) ( t ) = ( 1 + α ) ( 4 + α ) 2 t + 4 ( 1 + α ) ( 2 + α ) ( 4 + α ) t 3 + 16 ( 1 + α ) ( 2 + α ) ( 3 + α ) ( 4 + α ) t 5 . {\displaystyle O_{4}^{(\alpha )}(t)={\frac {(1+\alpha )(4+\alpha )}{2t}}+4{\frac {(1+\alpha )(2+\alpha )(4+\alpha )}{t^{3}}}+16{\frac {(1+\alpha )(2+\alpha )(3+\alpha )(4+\alpha )}{t^{5}}}.} Una forma general para el polinomio es
O norte ( α ) ( t ) = α + norte 2 α ∑ k = 0 ⌊ norte / 2 ⌋ ( − 1 ) norte − k ( norte − k ) ¡ k ¡ ( − α norte − k ) ( 2 t ) norte + 1 − 2 k , {\displaystyle O_{n}^{(\alpha )}(t)={\frac {\alpha +n}{2\alpha }}\sum _{k=0}^{\lfloor n/2\rfloor }(-1)^{nk}{\frac {(nk)!}{k!}}{-\alpha \choose nk}\left({\frac {2}{t}}\right)^{n+1-2k},} y tienen la "función generadora"
( z 2 ) α Γ ( α + 1 ) 1 t − z = ∑ norte = 0 O norte ( α ) ( t ) J α + norte ( z ) , {\displaystyle {\frac {\left({\frac {z}{2}}\right)^{\alpha }}{\Gamma (\alpha +1)}}{\frac {1}{tz}}=\sum _{n=0}O_{n}^{(\alpha )}(t)J_{\alpha +n}(z),} donde J son funciones de Bessel .
Para expandir una función f en la forma
F ( z ) = ( 2 z ) α ∑ norte = 0 a norte J α + norte ( z ) {\displaystyle f(z)=\left({\frac {2}{z}}\right)^{\alpha }\sum _{n=0}a_{n}J_{\alpha +n}(z)\,} para| t | < do {\displaystyle |t|<c} , calcular
a norte = Γ ( α + 1 ) 2 π i ∮ | t | = do ′ F ( t ) O norte ( α ) ( t ) d t , {\displaystyle a_{n}={\frac {\Gamma (\alpha +1)}{2\pi i}}\oint _{|t|=c'}f(t)O_{n}^{(\alpha )}(t)\,dt,} dóndedo ′ < do {\displaystyle c'<c} y c es la distancia de la singularidad más cercana de f(z) desdez = 0 {\displaystyle z=0} .
Ejemplos Un ejemplo es la extensión
( 1 2 z ) s = Γ ( s ) ⋅ ∑ k = 0 ( − 1 ) k J s + 2 k ( z ) ( s + 2 k ) ( − s k ) , {\displaystyle \left({\tfrac {1}{2}}z\right)^{s}=\Gamma (s)\cdot \sum _{k=0}(-1)^{k}J_{s+2k}(z)(s+2k){-s \choose k},} o la fórmula Sonine más general [ 2 ]
mi i γ z = Γ ( s ) ⋅ ∑ k = 0 i k do k ( s ) ( γ ) ( s + k ) J s + k ( z ) ( z 2 ) s . {\displaystyle e^{i\gamma z}=\Gamma (s)\cdot \sum _{k=0}i^{k}C_{k}^{(s)}(\gamma )(s+k){\frac {J_{s+k}(z)}{\left({\frac {z}{2}}\right)^{s}}}.} dóndedo k ( s ) {\displaystyle C_{k}^{(s)}} es el polinomio de Gegenbauer . Entonces,
( z 2 ) 2 k ( 2 k − 1 ) ¡ J s ( z ) = ∑ i = k ( − 1 ) i − k ( i + k − 1 2 k − 1 ) ( i + k + s − 1 2 k − 1 ) ( s + 2 i ) J s + 2 i ( z ) , {\displaystyle {\frac {\left({\frac {z}{2}}\right)^{2k}}{(2k-1)!}}J_{s}(z)=\sum _{i=k}(-1)^{i-k}{i+k-1 \choose 2k-1}{i+k+s-1 \choose 2k-1}(s+2i)J_{s+2i}(z),} ∑ norte = 0 t norte J s + norte ( z ) = mi t z 2 t s ∑ j = 0 ( − z 2 t ) j j ¡ γ ( j + s , t z 2 ) Γ ( j + s ) = ∫ 0 ∞ mi − z incógnita 2 2 t z incógnita t J s ( z 1 − incógnita 2 ) 1 − incógnita 2 s d incógnita , {\displaystyle \sum _{n=0}t^{n}J_{s+n}(z)={\frac {e^{\frac {tz}{2}}}{t^{s}}}\sum _{j=0}{\frac {\left(-{\frac {z}{2t}}\right)^{j}}{j!}}{\frac {\gamma \left(j+s,{\frac {tz}{2}}\right)}{\,\Gamma (j+s)}}=\int _{0}^{\infty }e^{-{\frac {zx^{2}}{2t}}}{\frac {zx}{t}}{\frac {J_{s}(z{\sqrt {1-x^{2}}})}{{\sqrt {1-x^{2}}}^{s}}}\,dx,} la función hipergeométrica confluente
METRO ( a , s , z ) = Γ ( s ) ∑ k = 0 ∞ ( − 1 t ) k L k ( − a − k ) ( t ) J s + k − 1 ( 2 t z ) ( t z ) s − k − 1 , {\displaystyle M(a,s,z)=\Gamma (s)\sum _{k=0}^{\infty }\left(-{\frac {1}{t}}\right)^{k}L_{k}^{(-a-k)}(t){\frac {J_{s+k-1}\left(2{\sqrt {tz}}\right)}{({\sqrt {tz}})^{s-k-1}}},} y en particular
J s ( 2 z ) z s = 4 s Γ ( s + 1 2 ) π mi 2 i z ∑ k = 0 L k ( − s − 1 / 2 − k ) ( i t 4 ) ( 4 i z ) k J 2 s + k ( 2 t z ) t z 2 s + k , {\displaystyle {\frac {J_{s}(2z)}{z^{s}}}={\frac {4^{s}\Gamma \left(s+{\frac {1}{2}}\right)}{\sqrt {\pi }}}e^{2iz}\sum _{k=0}L_{k}^{(-s-1/2-k)}\left({\frac {it}{4}}\right)(4iz)^{k}{\frac {J_{2s+k}\left(2{\sqrt {tz}}\right)}{{\sqrt {tz}}^{2s+k}}},} la fórmula de desplazamiento del índice
Γ ( ν − μ ) J ν ( z ) = Γ ( μ + 1 ) ∑ norte = 0 Γ ( ν − μ + norte ) norte ¡ Γ ( ν + norte + 1 ) ( z 2 ) ν − μ + norte J μ + norte ( z ) , {\displaystyle \Gamma (\nu -\mu )J_{\nu }(z)=\Gamma (\mu +1)\sum _{n=0}{\frac {\Gamma (\nu -\mu +n)}{n!\Gamma (\nu +n+1)}}\left({\frac {z}{2}}\right)^{\nu -\mu +n}J_{\mu +n}(z),} La expansión de Taylor (fórmula de adición)
J s ( z 2 − 2 tú z ) ( z 2 − 2 tú z ) ± s = ∑ k = 0 ( ± tú ) k k ¡ J s ± k ( z ) z ± s , {\displaystyle {\frac {J_{s}\left({\sqrt {z^{2}-2uz}}\right)}{\left({\sqrt {z^{2}-2uz}}\right)^{\pm s}}}=\sum _{k=0}{\frac {(\pm u)^{k}}{k!}}{\frac {J_{s\pm k}(z)}{z^{\pm s}}},} (cf. [ 3 ] ) y la expansión de la integral de la función de Bessel,
∫ J s ( z ) d z = 2 ∑ k = 0 J s + 2 k + 1 ( z ) , {\displaystyle \int J_{s}(z)dz=2\sum _{k=0}J_{s+2k+1}(z),} son del mismo tipo.
Notas ↑ Abramowitz y Stegun , p. 363, 9.1.82 y sigs.↑ Erdélyi, Arthur; Magnus, Wilhelm; Oberhettinger, Fritz; Tricomi, Francesco G. (1955), Funciones trascendentales superiores. Vols. I, II, III , McGraw-Hill, MR 0058756 II.7.10.1, pág. 64↑ Gradshteyn, Izrail Solomonovich ; Ryzhik, Iosif Moiseevich ; Geronimus, Yuri Veniaminovich ; Tseytlin, Michail Yulyevich ; Jeffrey, Alan (2015) [octubre de 2014]. "8.515.1". En Zwillinger, Daniel; Moll, Víctor Hugo (eds.). Tabla de Integrales, Series y Productos . Traducido por Scripta Technica, Inc. (8 ed.). Prensa académica, Inc. pág. 944.ISBN 0-12-384933-0 . LCCN 2014010276 .