高斯超幾何函數(Gauss' Hypergeometric)
22 Jun, 2026
今天來分享暑假學到的數學,順便來練習LaTex輸入公式(我之前都是使用LibreOffice的語法來輸入公式,接著再用AI幫我轉換,但這次想來點不一樣的)。今天的這一個ODE的解法是來自Frobenius展開。那麼,就來開始上課吧。(順帶一提,這學期應數A+實在是很開心,本來還想說要完蛋了,畢竟段考的分數實在不可口)
Def. Analytic We consider a function, f(x). If exists ρ > 0 such that ∀ x ∈ C ∞ ( a − ρ , a + ρ ) , then we say that f(x) is Analytic at x=a.
Thm. Analytic If f(x) is analytic at x=a, f(x) can be expanded to be Taylor's Polynomial.
Frobenius Series Solution We consider an ODE: x 2 y ″ + x P ( x ) y ′ + Q ( x ) y = 0 .
If both P(x) and Q(x) are analytic at x=a and both P ( x ) x and Q ( x ) x 2 are NOT analytic at x=a, then we say we have Regular Singular Point at x=a.(用Frobenius做規則奇點展開)
If both P ( x ) x and Q ( x ) x 2 are analytic at x=a, then we say we have Regular Point at x=a.(用常點展開)
If both P(x) and Q(x) are analytic at x=a, then we say that we have Singular Point at x=a.(不可解析,因此暫不考慮)
Frobenius discovered that the series solutions of an ODE are usually like ∑ _ n = 0 ∞ a _ n x n + r where r is the Indicial Root(指標根). Now, We consider two indicial roots, r _ 1 and r _ 2 , and we let r _ 1 − r _ 2 ≥ 0 .
If r 1 − r 2 ∈ ℤ , then y 1 = ∑ n = 0 ∞ a n x n + r 1 and y 2 = ∑ n = 0 ∞ a n x n + r 2
If r 1 − r 2 = 0 , then y 1 = ∑ n = 0 ∞ a n x n + r 1 and y 2 = y 1 l n x + ∑ n = 0 ∞ A n x n + r 2
If r 1 − r 2 ∈ ℕ , then y 1 = ∑ n = 0 ∞ a n x n + r 1 and y 2 = k y 1 l n x + ∑ n = 0 ∞ A n x n + r 2 for some constant k.
Gauss' Hypergeometric ODE Consider x ( 1 − x ) y ″ + ( c − ( a + b + 1 ) x ) y ′ − a b y = 0
Indicial Root
We rewrite the ODE first.(寫成Frobenius的標準形式) So, we have
x 2 y ″ + x P ( x ) y ′ + Q ( x ) y = x 2 y ″ + x ( c − ( a + b + 1 ) x 1 − x ) y ′ + − a b x 1 − x y = 0 . We can note that both P(x) and Q(x) have a Regular Singular Point at x=0.
Solve Indicial Equation
r ( r − 1 ) + P ( 0 ) r + Q ( 0 ) = 0 ⟹ r _ 1 = 0 and r _ 2 = 1 − c
General Solution for (y_1) Now, we consider that r _ 1 = 0 and r _ 2 = 1 − c where c ∈ ℝ ∩ c > 0
Set y 1 = ∑ l = 0 ∞ a l x l + r 1 = ∑ l = 0 ∞ a l x l So, we obtain
x ( 1 − x ) ∑ l = 2 ∞ a l l ( l − 1 ) x l − 2 + ( c − ( a + b + 1 ) x ) ∑ l = 1 ∞ a l l x l − 1 − a b ∑ l = 0 ∞ a l x l =
∑ l = 2 ∞ a l l ( l − 1 ) x l − 1 − ∑ l = 2 ∞ a l l ( l − 1 ) x l + ∑ l = 1 ∞ c a l l x l − 1 − ∑ l = 1 ∞ ( a + b + 1 ) a l l x l − ∑ l = 0 ∞ a b a l x l = ∑ l = 1 ∞ a l + 1 l ( l + 1 ) x l − ∑ l = 2 ∞ a l l ( l − 1 ) x l + ∑ l = 0 ∞ c a l + 1 ( l + 1 ) x l − ∑ l = 1 ∞ ( a + b + 1 ) a l l x l − ∑ l = 0 ∞ a b a l x l = 2 a 2 x + ∑ l = 2 ∞ a l + 1 l ( l + 1 ) x l − ∑ l = 2 ∞ a l l ( l − 1 ) x l + c a 1 + c a 2 x + ∑ l = 2 ∞ c a l + 1 ( l + 1 ) x l − ( a + b + 1 ) a 1 x = ( − a b a 0 + c a 1 ) + ( − ( a + b + 1 + a b ) a 1 + 2 ( c + 1 ) a 2 ) x + ∑ l = 2 ∞ ( a l + 1 ( l + 1 ) ( l + c ) − a l ( l + a ) ( l + b ) ) x l ⟹ a l + 1 = ∏ m = 0 l ( a + m ) ( b + m ) ( c + m ) ( 1 + m ) a 0 = 1 ( l + 1 ) ! ∏ m = 0 l ( a + m ) ( b + m ) ( c + m )
We take a _ 0 = 1
y _ 1 = F ( a , b , c ; x ) = 1 + ∑ _ l = 1 ∞ ( ∏ _ m = 0 l − 1 ( a + m ) ( b + m ) ( c + m ) ( 1 + m ) ) x l
3.推廣
F ( 1 , 1 , 1 ; x ) = 1 + ∑ l = 1 ∞ ( ∏ m = 0 l − 1 ( 1 + m ) ( 1 + m ) ( 1 + m ) ( 1 + m ) ) x l = 1 + ∑ l = 1 ∞ x l = 1 1 − x for | x | < 1
F ( 1 , b , b ; x ) = 1 + ∑ l = 1 ∞ ( ∏ m = 0 l − 1 ( 1 + m ) ( b + m ) ( b + m ) ( 1 + m ) ) x l = 1 + ∑ l = 1 ∞ x l = 1 1 − x F ( a , 1 , a ; x ) = 1 + ∑ l = 1 ∞ ( ∏ m = 0 l − 1 ( a + m ) ( 1 + m ) ( a + m ) ( 1 + m ) ) x l = 1 + ∑ l = 1 ∞ x l = 1 1 − x
By Ratio Test, we have
lim l → ∞ | a l + 1 a l | = lim l → ∞ | x ( a + l ) ( b + l ) ( c + l ) ( 1 + l ) | = lim l → ∞ | x | < 1
5.Common Expansion
F ( − n , b , b ; − x ) = 1 + ∑ l = 1 ∞ ( ∏ m = 0 l − 1 ( − n + m ) ( b + m ) ( b + m ) ( 1 + m ) ) ( − x ) l = 1 + ∑ l = 1 ∞ ( ∏ m = 0 l − 1 n − m 1 + m ) x l
= 1 + ∑ l = 1 ∞ n ( n − 1 ) . . . ( n − ( l − 1 ) ) ( n − l ) ( n − ( l + 1 ) ) . . .2 * 1 ( 1 * 2 * . . . * ( l − 1 ) l ) ( ( n − l ) ( n − ( l + 1 ) ) . . .2 * 1 ) x l ⟹ 1 + ∑ l = 1 ∞ n ! l ! ( n − l ) ! x l = ( 1 + x ) n
= 1 + ∑ _ l = 1 ∞ n ( n − 1 ) . . . ( n − ( l − 1 ) ) ( n − l ) ( n − ( l + 1 ) ) . . .2 \ * 1 ( 1 \ * 2 \ * . . . \ * ( l − 1 ) l ) ( ( n − l ) ( n − ( l + 1 ) ) . . .2 \ * 1 ) x l ⟹ 1 + ∑ _ l = 1 ∞ n ! l ! ( n − l ) ! x l = ( 1 + x ) n
(可以注意到的是,當l > n 時,a n + 1 會是0,因此級數收斂,所以F ( − n , b , b ; − x ) = ( 1 + x ) n )
1 − n x F ( 1 − n , 1 , 2 ; x ) = 1 − n x ( 1 + ∑ l = 1 ∞ ( ∏ m = 0 l − 1 ( 1 − n + m ) ( 1 + m ) ( 2 + m ) ( 1 + m ) ) x l )
= 1 − n x ( 1 + ∑ l = 1 ∞ ( − 1 ) l ( ∏ m = 0 l − 1 ( n − 1 ) − m 2 + m ) x l )
= 1 − n x ( 1 + ∑ l = 1 ∞ ( − 1 ) l ( ∏ m = 0 l − 1 ( n − 1 ) − m 2 + m ) x l )
⟹ 1 − n x ( 1 + ∑ l = 1 n ( − 1 ) l ( n − 1 ) ! ( l + 1 ) ! ( n − ( l + 1 ) ) ! x l )
= 1 − n x + ∑ l = 1 n ( − 1 ) l + 1 n ! ( l + 1 ) ! ( n − ( l + 1 ) ) ! x l + 1 = 1 − n x + ∑ l = 2 n ( − 1 ) l ( n l ) x l = ( 1 − x ) n
(可以注意到的是,當l > n 時,a n + 1 會是0,因此級數收斂,所以1 − n x F ( 1 − n , 1 , 2 ; x ) = ( 1 − x ) n )
x F ( 1 2 , 1 , 3 2 ; − x 2 ) = x ( 1 + ∑ l = 1 ∞ ( ∏ m = 0 l − 1 ( 1 2 + m ) ( 1 + m ) ( 3 2 + m ) ( 1 + m ) ) ( − x 2 ) l )
= x ( 1 + ∑ l = 1 ∞ 1 2 ( 1 2 + 2 ) . . . . . . ( 1 2 + ( l − 1 ) ) ( 1 2 + 1 ) ( 1 2 + 2 ) . . . . . . ( 1 2 + ( l − 1 ) ) ( 1 2 + ( l − 1 ) + 1 ) ( − x 2 ) l )
= x ( 1 + ∑ l = 1 ∞ 1 2 1 2 + l ( − x 2 ) l ) = x + ∑ l = 1 ∞ ( − 1 ) l x 2 l + 1 2 l + 1 = t a n − 1 x for | x | < 1
x F ( 1 2 , 1 2 , 3 2 ; x 2 ) = x ( 1 + ∑ l = 1 ∞ ( ∏ m = 0 l − 1 ( 1 2 + m ) ( 1 2 + m ) ( 3 2 + m ) ( 1 + m ) ) ( x 2 ) l )
= x ( 1 + ∑ l = 1 ∞ 1 2 l + 1 1 2 l 1 2 l 1 * ( 2 * 1 ) * 2 * ( 2 * 2 ) * 3 * ( 2 * 3 ) . . . . . . ( 2 l − 1 ) ( 2 * l ) 1 * 2 * . . . * l * ( 1 * 2 * . . . * l ) x 2 l )
= x ( 1 + ∑ l = 1 ∞ x 2 l 4 l ( 2 l + 1 ) ( l ! ) 2 ) = s i n − 1 x for | x | < 1
x F ( 1 , 1 , 2 ; − x ) = x ( 1 + ∑ l = 1 ∞ ( ∏ m = 0 l − 1 ( 1 + m ) ( 1 + m ) ( 2 + m ) ( 1 + m ) ) ( − x ) l )
= x ( 1 + ∑ l = 1 ∞ ( 1 * 2 * . . . . . . * l 2 * 3 * . . . * l * ( l + 1 ) ) ( − x ) l ) = x + ∑ l = 1 ∞ ( − 1 ) l x 2 l + 1 l + 1 = l n ( 1 + x )
2 x F ( 1 2 , 1 , 3 2 ; x 2 ) = 2 x ( 1 + ∑ l = 1 ∞ ( ∏ m = 0 l − 1 ( 1 2 + m ) ( 1 + m ) ( 2 + m ) ( 1 + m ) ) ( x 2 ) l ) = 2 x + ∑ l = 1 ∞ 2 x 2 l + 1 2 l + 1 = l n 1 + x 1 − x
General Solution for (y_2) Now, we consider that r _ 1 = 0 and r _ 2 = 1 − c where c ∈ ℝ ∩ c < 0
Set y _ 2 = ∑ _ l = 0 ∞ a _ l x l + ( 1 − c ) . So, We have
x ( 1 − x ) ∑ l = 0 ∞ a l ( l + 1 − c ) ( l − c ) x l + ( 1 − c ) − 2 + ( c − ( a + b + 1 ) x ) ∑ l = 0 ∞ a l ( l + 1 − c ) x l + ( 1 − c ) − 1 − a b ∑ l = 0 ∞ a l x l + ( 1 − c ) =
∑ l = 0 ∞ a l ( l + 1 − c ) x l − c + ∑ l = 0 ∞ a l ( ( l + 1 − c ) ( l − a − b − c − 1 ) − a b ) x l + ( 1 − c )
= ∑ l = 0 ∞ a l ( l + 1 − c ) x l − c + ∑ l = 1 ∞ a l − 1 ( ( 1 − c ) ( l − a − b − c − 2 ) − a b ) x l − c
= a 0 ( 1 − c ) c − c + ∑ l = 1 ∞ ( a l ( l + 1 − c ) + a l − 1 ( ( 1 − c ) ( l − a − b − c − 2 ) − a b ) ) x l − c
⟹ a 0 = 0 , a l = ∏ m = 1 l − 1 ( a − c + m − 1 ) ( b − c + m − 1 ) ( 1 + m ) ( ( 2 − c ) + m )
⟹ y 2 = x 1 − c ( 1 + ∑ l = 1 ∞ ( ∏ m = 1 l − 1 ( a − c + m − 1 ) ( b − c + m − 1 ) ( 1 + m ) ( ( 2 − c ) + m ) ) x l ) = x 1 − c F ( a − c + 1 , b − c + 1 , 2 − c ; x )
#物理