Polinomios de Gegenbauer

En matemáticas, los polinomios de Gegenbauer o polinomios ultraesféricos C(α)
n(x) son polinomios ortogonales en el intervalo [−1,1] con respecto a la función de ponderación (1 − x²)^α–1/2. Generalizan los polinomios de Legendre y los polinomios de Chebyshov; y son casos especiales de los polinomios de Jacobi. Llevan el nombre de Leopold Gegenbauer.

Caracterizaciones

Hay disponibles varias caracterizaciones de los polinomios de Gegenbauer:

• Los polinomios se pueden definir en términos de su función generatriz (Stein y Weiss, 1971, §IV.2):

${\displaystyle {\frac {1}{(1-2xt+t^{2})^{\alpha }}}=\sum _{n=0}^{\infty }C_{n}^{(\alpha )}(x)t^{n}\qquad (0\leq |x|<1,|t|\leq 1,\alpha >0)}$

• Los polinomios satisfacen la relación de recurrencia (Suetin, 2001):

${\displaystyle {\begin{aligned}C_{0}^{(\alpha )}(x)&=1\\C_{1}^{(\alpha )}(x)&=2\alpha x\\(n+1)C_{n+1}^{(\alpha )}(x)&=2(n+\alpha )xC_{n}^{(\alpha )}(x)-(n+2\alpha -1)C_{n-1}^{(\alpha )}(x).\end{aligned}}}$

• Los polinomios de Gegenbauer son soluciones particulares de la ecuación diferencial de Gegenbauer (Suetin, 2001):

${\displaystyle (1-x^{2})y''-(2\alpha +1)xy'+n(n+2\alpha )y=0.\,}$

Cuando α = 1/2, la ecuación se reduce a la ecuación de Legendre, y los polinomios de Gegenbauer se reducen a los polinomios de Legendre.

Cuando α = 1, la ecuación se reduce a la ecuación diferencial de Chebyshov, y los polinomios de Gegenbauer se reducen a los polinomios de Chebyshov de segunda clase.^[1]​

• Se dan como una función hipergeométrica en ciertos casos donde la serie es de hecho finita:

${\displaystyle C_{n}^{(\alpha )}(z)={\frac {(2\alpha )_{n}}{n!}}\,_{2}F_{1}\left(-n,2\alpha +n;\alpha +{\frac {1}{2}};{\frac {1-z}{2}}\right).}$

(Abramowitz & Stegun p. 561). Aquí (2α)_n es el factorial ascendente. Explícitamente,

${\displaystyle C_{n}^{(\alpha )}(z)=\sum _{k=0}^{\lfloor n/2\rfloor }(-1)^{k}{\frac {\Gamma (n-k+\alpha )}{\Gamma (\alpha )k!(n-2k)!}}(2z)^{n-2k}.}$

• Son casos especiales de los polinomios de Jacobi (Suetin, 2001):

${\displaystyle C_{n}^{(\alpha )}(x)={\frac {(2\alpha )_{n}}{(\alpha +{\frac {1}{2}})_{n}}}P_{n}^{(\alpha -1/2,\alpha -1/2)}(x).}$

en el que ${\displaystyle (\theta )_{n}}$ representa el factorial ascendente de ${\displaystyle \theta }$.

Por lo tanto también se obtiene la fórmula de Rodrigues

${\displaystyle C_{n}^{(\alpha )}(x)={\frac {(-1)^{n}}{2^{n}n!}}{\frac {\Gamma (\alpha +{\frac {1}{2}})\Gamma (n+2\alpha )}{\Gamma (2\alpha )\Gamma (\alpha +n+{\frac {1}{2}})}}(1-x^{2})^{-\alpha +1/2}{\frac {d^{n}}{dx^{n}}}\left[(1-x^{2})^{n+\alpha -1/2}\right].}$

Gráficos

• 
  Polinomios de Gegenbauer con α=1
• 
  Polinomios de Gegenbauer con α=2
• 
  Polinomios de Gegenbauer con α=3

Ortogonalidad y normalización

Para un α fijo, los polinomios son ortogonales en [−1, 1] con respecto a la función de ponderación (Abramowitz & Stegun /página_774.htm pág. 774)

${\displaystyle w(z)=\left(1-z^{2}\right)^{\alpha -{\frac {1}{2}}}.}$

A saber, para n ≠ m,

${\displaystyle \int _{-1}^{1}C_{n}^{(\alpha )}(x)C_{m}^{(\alpha )}(x)(1-x^{2})^{\alpha -{\frac {1}{2}}}\,dx=0.}$

son normalizados por

${\displaystyle \int _{-1}^{1}\left[C_{n}^{(\alpha )}(x)\right]^{2}(1-x^{2})^{\alpha -{\frac {1}{2}}}\,dx={\frac {\pi 2^{1-2\alpha }\Gamma (n+2\alpha )}{n!(n+\alpha )[\Gamma (\alpha )]^{2}}}.}$

Aplicaciones

Los polinomios de Gegenbauer aparecen naturalmente como extensiones de los polinomios de Legendre en el contexto de la teoría del potencial y del análisis armónico. El potencial newtoniano en Rⁿ tiene la expansión, válida con α = (n − 2)/2,

${\displaystyle {\frac {1}{|\mathbf {x} -\mathbf {y} |^{n-2}}}=\sum _{k=0}^{\infty }{\frac {|\mathbf {x} |^{k}}{|\mathbf {y} |^{k+n-2}}}C_{k}^{(\alpha )}({\frac {\mathbf {x} \cdot \mathbf {y} }{|\mathbf {x} ||\mathbf {y} |}}).}$

Cuando n = 3, esto da la expansión del polinomio de Legendre del potencial gravitatorio. Expresiones similares están disponibles para la expansión del núcleo de Poisson en una bola (Stein y Weiss, 1971).

De ello se deduce que las cantidades ${\displaystyle C_{k}^{((n-2)/2)}(\mathbf {x} \cdot \mathbf {y} )}$ son armónicos esféricos, cuando se consideran como una función de x solamente. Son, de hecho, exactamente los armónicos esféricos zonales, hasta una constante de normalización.

Los polinomios de Gegenbauer también aparecen en la teoría de funciones definidas positivas.

La desigualdad de Askey-Gasper se lee como

${\displaystyle \sum _{j=0}^{n}{\frac {C_{j}^{\alpha }(x)}{2\alpha +j-1 \choose j}}\geq 0\qquad (x\geq -1,\,\alpha \geq 1/4).}$

En métodos espectrales para resolver ecuaciones diferenciales, si una función se expande en base a los polinomios de Chebyshov y su derivada se representa en una base de Gegenbauer/ultraesférica, entonces el operador derivado se convierte en una matriz diagonal, lo que lleva a métodos de matriz banda rápidos para problemas grandes.^[2]​

Véase también

• Polinomios de Rogers, el análogo q de los polinomios de Gegenbauer
• Polinomios de Chebyshov
• Polinomios de Romanovski

Referencias

Bibliografía

• Abramowitz, Milton; Stegun, Irene Ann, eds. (1983) [June 1964]. "Chapter 22". Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs, and Mathematical Tables. Applied Mathematics Series. Vol. 55 (Ninth reprint with additional corrections of tenth original printing with corrections (December 1972); first ed.). Washington D.C.; New York: United States Department of Commerce, National Bureau of Standards; Dover Publications. p. 773. ISBN 978-0-486-61272-0. LCCN 64-60036. MR 0167642. LCCN 65-12253.*Koornwinder, Tom H.; Wong, Roderick S. C.; Koekoek, Roelof; Swarttouw, René F. (2010), "Orthogonal Polynomials", in Olver, Frank W. J.; Lozier, Daniel M.; Boisvert, Ronald F.; Clark, Charles W. (eds.), NIST Handbook of Mathematical Functions, Cambridge University Press, ISBN 978-0-521-19225-5, MR 2723248
• Stein, Elias; Weiss, Guido (1971), Introduction to Fourier Analysis on Euclidean Spaces, Princeton, N.J.: Princeton University Press, ISBN 978-0-691-08078-9 ..
• Suetin, P.K. (2001), «Polinomios de Gegenbauer», en Hazewinkel, Michiel, ed., Encyclopaedia of Mathematics (en inglés), Springer, ISBN 978-1556080104 ..