Многочлен Лежа́ндра (полином Лежандра) — многочлен, который в наименьшей степени отклоняется от нуля в смысле среднего квадратического. Образует ортогональную систему многочленов на отрезке в пространстве . Многочлены Лежандра могут быть получены из многочленов ортогонализацией Грама ― Шмидта.

Названы по имени французского математика Адриен Мари Лежандра.

Определение

Полиномы Лежандра и присоединённые функции Лежандра первого и второго рода Рассмотрим дифференциальное уравнение вида

где  — комплексная переменная. Решения этого уравнения при целых имеют вид многочленов, называемых многочленами Лежандра. Полином Лежандра степени можно представить через формулу Родрига в виде

Часто вместо записывают косинус полярного угла:

Уравнение () можно получить из частного случая гипергеометрического уравнения, называемого уравнением Лежандра

где ,  — произвольные комплексные постоянные. Интерес представляют его решения, являющиеся однозначными и регулярными при (в частности, при действительных ) или когда действительная часть числа больше единицы. Его решения называют присоединёнными функциями Лежандра или сферическими функциями (гармониками). Подстановка вида в () даёт уравнение Гаусса, решение которого в области принимает вид

где  — гипергеометрическая функция. Подстановка в () приводит к решению вида

определённым на . Функции и называют функциями Лежандра первого и второго рода.

Справедливы соотношения

и

Выражение через суммы Многочлены Лежандра также определяются по следующей формуле:

Рекуррентная формула Они также могут быть вычислены по рекуррентной формуле (при ):

причём первые две функции имеют вид

Производная полинома Лежандра Вычисляется по формуле

Корни полинома Лежандра Вычисляются итеративно по методу Ньютона:

причём начальное приближение для -го корня () берётся по формуле

Значение полинома можно вычислять, используя для конкретного значения x. Производную также можно вычислять для конкретного значения x, используя .

Формулы с разложениями Многочлены Лежандра также определяются следующими разложениями:   для     для  

Следовательно,

Присоединённые многочлены Лежандра Присоединённые многочлены Лежандра определяются по формуле

которую также можно представить в виде

При функция совпадает с .

Нормировка по правилу Шмидта Нормированные по правилу Шмидта полиномы Лежандра выглядят следующим образом:

Сдвинутые многочлены Лежандра Сдвинутые многочлены Лежандра определяются как , где сдвигающая функция (это аффинное преобразование) выбрана так, чтобы однозначно отображать интервал ортогональности многочленов на интервал , в котором уже ортогональны сдвинутые многочлены :

Явное выражение для смещённых многочленов Лежандра задаётся как

Аналогом формулы Родрига для смещенных многочленов Лежандра является

Выражения для некоторых первых сдвинутых многочленов Лежандра: {| class="wikitable" ! n ! |- | 0

| 1

| 2

| 3

|4

Матрица функции многочлена Лежандра

Эта матрица является верхнетреугольной. Её определитель равен нулю, а собственные значения равны , где .

Примеры

Первые многочлены Лежандра в явном виде:

Поскольку , то

Свойства Если , то Для степень равна . Сумма коэффициентов многочлена Лежандра равна 1. Уравнение имеет ровно различных корней на отрезке Пусть . Тогда

Присоединённые многочлены Лежандра являются решениями дифференциального уравнения

При уравнение принимает вид

Производящая функция для многочленов Лежандра равна

Условие ортогональности этих полиномов на отрезке :

где  — символ Кронекера. Для норма равна

Нормированная функция многочленов Лежандра связана с нормой следующим соотношением:

При каждом система присоединённых функций Лежандра полна в . В зависимости от и присоединённые многочлены Лежандра могут быть как чётными, так и нечётными функциями:

 — чётная функция,  — нечётная функция.

, поскольку , а . Для выполняется .

Ряды многочленов Лежандра

Разложение липшицевой функции в ряд многочленов Лежандра Липшицевая функция является функцией со свойством , где . Эта функция разлагается в ряд многочленов Лежандра.

Пусть  — пространство непрерывных отображений на отрезке , , и .

Пусть

тогда удовлетворяет следующему условию:

Пусть и удовлетворяет следующим условиям: , где

Липшицеву функцию можно записать следующим образом:

Разложение голоморфной функции Всякая функция , голоморфная внутри эллипса с фокусами −1 и +1, может быть представлена в виде ряда:

Теорема сложения Для величин, удовлетворяющих условиям , , ,  — действительное число, можно записать теорему сложения для полиномов Лежандра первого рода:

или, в альтернативной форме через гамма-функцию:

Для полиномов Лежандра второго рода теорема сложения выглядит как

при условиях , , , .

Функции Лежандра

Многочлены Лежандра (вместе с присоединёнными функциями Лежандра ) естественно возникают в теории потенциала.

Шаровые функции — это функции (в сферических координатах ) вида (с точностью до константы) и где  — присоединённые многочлены Лежандра. Они также представимы в виде , где  — сферические функции.

Шаровые функции удовлетворяют уравнению Лапласа всюду в .

Реализация Вычисление многочленов Лежандра реализовано во многих системах компьютерной алгебры: LegendreP[i, η] в Mathematica LegendreP(v, x) — полиномы Лежандра первого рода, LegendreQ(v, x) — полиномы Лежандра второго рода в Maple legendre(n,X) — в MATLAB

См. также Фильтр Лежандра

Примечания

Литература

Категория:Ортогональные многочлены