Gaußsche hypergeometrische Funktion

Unter der hypergeometrischen Funktion ${}_{2}F_{1}(a,b;c;z)$ , auch als Gaußsche hypergeometrische Funktion oder als gewöhnliche hypergeometrische Funktion bezeichnet, versteht man in der Mathematik eine Potenzreihe, welche Lösung der hypergeometrischen Differentialgleichung ist. Die Funktion geht einher mit bedeutenden Mathematikern wie Leonhard Euler, Bernhard Riemann oder Carl Friedrich Gauß. Sie findet häufig Anwendung in der mathematischen Physik.

Definition

Die hypergeometrische Funktion ist definiert über die Potenzreihe

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

für $a,b,c\in \mathbb {C}$ , wobei keine nichtpositive ganze Zahl ist und die Funktion $\Gamma (\cdot )$ die Gammafunktion darstellt.

Konvergenz

Diese Potenzreihe wird zu einem Polynom, wenn oder eine nichtpositive ganze Zahl ist.

Sofern sie kein Polynom ist, konvergiert die Potenzreihe für $|z|<1$ und ist divergent für $|z|>1$ . Werte der Funktion ${}_{2}F_{1}(a,b;c;z)$ für $|z|\geq 1,z\neq 1$ sind durch analytische Fortsetzung bestimmt; Verzweigungspunkte sind die Punkte und $\infty$ .

Zur Konvergenz auf dem Rand |z|=1 kann folgendes gesagt werden: Die Potenzreihe konvergiert absolut für |z|=1 , wenn $\operatorname {Re} \left(c-a-b\right)>0$ . Falls $\textstyle a+b\geq c$ gilt und reell ist, lässt sich die folgende Konvergenzbedingung angeben:

$\lim _{z\rightarrow 1}(1-z){\frac {\mathrm {d} \log(_{2}F_{1}(a,b;c;z^{2}))}{\mathrm {d} z}}=a+b-c$ .

Die hypergeometrische Differentialgleichung

→ Hauptartikel: Hypergeometrische Differentialgleichung

Die Funktion genügt, wie von Euler angegeben, einer linearen Differentialgleichung 2. Ordnung. Durch Einsetzen von $w={}_{2}F_{1}(a,b;c;z)$ erkennt man, dass die oben angegebene Reihe die nachstehende hypergeometrische Differentialgleichung erfüllt:

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

Die Reihe ist damit partikuläre Lösung der Differentialgleichung. Die Lösung gilt für den Bereich um die singulären Punkte $z=0,z=1$ und $z=\infty$ . Mit Varianten der gewöhnlichen hypergeometrischen Funktion können schließlich alle Lösungen der hypergeometrischen Differentialgleichung angegeben werden.

Euler gab zudem eine Integraldarstellung für die Lösung der hypergeometrischen Differentialgleichung:

${}_{2}F_{1}(a,b;c;z)={\frac {\Gamma (c)}{\Gamma (b)\Gamma (c-b)}}\int _{0}^{1}t^{b-1}(1-t)^{c-b-1}(1-zt)^{-a}\,\mathrm {d} t$

Jede Differentialgleichung mit drei hebbaren singulären Punkten kann durch Transformation der Variablen in die hypergeometrische Differentialgleichung überführt werden.

Anwendungen

Spezielle Funktionen

Viele in der Mathematik übliche Funktionen können durch die Gaußsche hypergeometrische Funktion ausgedrückt werden. Einige Identitäten, die für |z|<1 gelten, sind:

${}_{2}F_{1}\left(1,1;1;z\right)={\frac {1}{1-z}}$

${}_{2}F_{1}\left(-\alpha ,1,1;-z\right)=(1+z)^{\alpha },\qquad \alpha \in \mathbb {R}$

${}_{2}F_{1}\left(1,1;2;-z\right)={\frac {1}{z}}\ln(1+z)$

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

${}_{2}F_{1}\left({\frac {1}{2}},{\frac {1}{2}};{\frac {3}{2}};z^{2}\right)={\frac {1}{z}}\arcsin z$

${}_{2}F_{1}\left({\frac {1}{2}},1;{\frac {3}{2}};-z^{2}\right)={\frac {1}{z}}\arctan z$

Stammfunktionen

Mit der hypergeometrischen Funktion lassen sich u.a. folgende elementare Stammfunktionen angeben:

$\int \cos ^{n}(x)\,\mathrm {d} x=-{\frac {\sqrt {\sin ^{2}(x)}}{\sin(x)}}\,{\frac {\cos ^{n+1}(x)}{n+1}}\,{}_{2}F_{1}\left({\frac {1}{2}},{\frac {n+1}{2}},{\frac {n+3}{2}},\cos ^{2}(x)\right)$

$\int \sin ^{n}(x)\,\mathrm {d} x=-\cos(x)\,{\frac {\sin ^{n+1}(x)}{\sin ^{2}(x)^{\frac {n+1}{2}}}}\,{}_{2}F_{1}\left({\frac {1}{2}},{\frac {1-n}{2}},{\frac {3}{2}},\cos ^{2}(x)\right)$

Berechnung der hypergeometrischen Funktion

Die hypergeometrische Funktion kann prinzipiell über ihre Reihen-Entwicklung berechnet werden. Nach Gauß konvergiert die Reihe für reelle sowie komplexe Werte $|z|<1$ sicher. Häufig kommt es aber zu ungünstigen Konstellationen, welche die Berechnung erheblich erschweren. Der Funktionswert im Bereich $|z|>0,9$ kann praktisch bereits erhebliche Probleme verursachen. Hier sind Transformationen sowie Lösungen für spezielle Funktionswerte hilfreich. Für den Wert $z=1$ gilt etwa:

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

Weiterhin ist die lineare Transformation

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

Siehe auch

Basierend auf einem Artikel in:

Wikipedia.de