• Sonuç bulunamadı

3.1 Hipergeometrik Seri ve Hipergeometrik Fonksiyon

; ve reel ya da kompleks sabitler olmak üzere,

1 + z

1! + ( + 1) ( + 1) ( + 1)

z2

2! + ::: (3.1)

olarak ifade edilen seriye Gauss serisi ya da hipergeometrik seri ad¬verilir. Burada z reel ya da kompleks bir de¼gi¸sken olabilir. de¼geri de s¬f¬r ya da negatif tamsay¬

olmamal¬d¬r.

(3:1) hipergeometrik serisi 1

1 z = 1 + z + z2+ :::: ; jzj < 1 (3.2) geometrik serisinin bir genelle¸stirmesidir. Gerçekten de (3:1) ifadesinde özel olarak

= 1 ve = ya da = ve = 1al¬n¬rsa, (3:2) geometrik serisi elde edilir. Bu yüzden (3:1) serisine hipergeometrik seri ad¬verilir.

(2:21)Pochhammer gösterimi dikkate al¬narak (3:1) hipergeometrik serisi a¸sa¼g¬daki

¸sekilde yaz¬labilir.

X1 n=0

( )n( )n ( )n

zn

n! (3.3)

s¬f¬rdan ve negatif tamsay¬dan farkl¬olmak üzere, (3:3) serisine oran testini uygu-lad¬¼g¬m¬zda,

un = ( )n( )n ( )n

zn n!

olmak üzere,

n!1lim un+1

un = lim

n!1

( )n+1( )n+1zn+1

( )n+1(n + 1)! : ( )nn!

( )n( )nzn

= lim

n!1

( + n)( + n)z ( + n)(n + 1)

= jzj

olup, (3:3) hipergeometrik serisi jzj < 1 oldu¼gunda yak¬nsak, jzj > 1 için ¬raksakt¬r.

jzj = 1 oldu¼gunda ise (3:3)’ün yak¬nsakl¬¼g¬için Re( ) > 0 olmas¬gerekir.

(3:3) hipergeometrik serisi jzj < 1 birim çemberinin içinde yak¬nsak oldu¼gundan yak¬nsakl¬k bölgesi içerisinde yak¬nsad¬¼g¬bir fonksiyon vard¬r. (3:3) ile ifade edilen bu fonksiyona Gauss hipergeometrik fonksiyonu ya da k¬saca hipergeometrik fonksiyon denir ve de

2F1( ; ; ; z) = X1 n=0

( )n( )n

( )n zn

n! (3.4)

¸seklinde gösterilir.

(3:4)’te görülen F nin alt¬ndaki 2 ve 1 alt indisleri, F nin yap¬s¬nda pay da ve olmak üzere iki parametre ve payda da olmak üzere bir parametre bulundu¼gunu ifade eder.

(3:4)’ün genelle¸stirilmi¸s ifadesi,

pFq 1; :::; p; 1; ::: q; z = X1 n=0

( 1)n( 2)n::: ( p)n ( 1)n( 2)n::: q n

zn n!

dir.

Ayr¬ca hipergeometrik fonksiyonu ifade eden 2F1 gösterimi yerine F gösterimi de kullan¬l¬r. Yani,

2F1( ; ; ; z) = F ( ; ; ; z) yaz¬labilir.

3.2 Hipergeometrik Polinomlar

(3:4) hipergeometrik fonksiyonda veya parametrelerinin en az birinin s¬f¬r veya negatif bir tamsay¬ olmas¬ halinde, (3:4) hipergeometrik serisinin terimleri sonlu olup, hipergeometrik fonksiyon polinoma dönü¸secektir. Bu polinoma hipergeometrik polinom denir.

Genel olarak, n 2 N olmak üzere,

2F1( n; ; ; z) = Xn k=0

( n)k( )k ( )k

zk

k! (3.5)

ifadesi bir hipergeometrik polinom gösterir.

3.3 Hipergeometrik Fonksiyonlar¬n Baz¬Özellikleri ve Teoremler

Lemma 3.1 reel ya da kompleks bir say¬olmak üzere,

(1 z) =

X1 n=0

( )n

n! zn = 1F0( ; ; z) ; jzj < 1 (3.6) dir.

Ispat:· (3:6) e¸sitli¼gini ispat etmek için f (z) = (1 z) fonksiyonu için binom teoremini kullanmak yeterli olacakt¬r. Gerçekten de,

(1 z) = X1 n=0

0

@ n

1 A( z)n

n!

= X1 n=0

( )( 1):::( n + 1)( 1)nzn n!

= X1 n=0

( + 1)::::( + n 1)zn n!

= X1 n=0

( )n n! zn

= 1F0( ; ; z)

elde edilir. 2 Z olmas¬halinde (3:6) e¸sitli¼gi sonlu binom aç¬l¬m¬d¬r.

Lemma 3.2 2F1 hipergeometrik fonksiyonu ve parametrelerine göre simetri özelli¼gine sahiptir.Yani,

2F1( ; ; ; z) = 2F1( ; ; ; z) (3.7)

dir.

Ispat:· F fonksiyonunun ve parametrelerine göre simetri özelli¼gine sahip oldu¼gu hipergeometrik fonksiyon tan¬m¬kullan¬larak kolayca gösterilebilir. Yani,

2F1( ; ; ; z) = X1 n=0

( )n( )n ( )n

zn n!

= X1 n=0

( )n( )n ( )n

zn n!

= 2F1( ; ; ; z)

elde edilir.

Lemma 3.3 2F1( ; ; ; z) hipergeometrik fonksiyonu,

z(1 z)w00+ [ ( + + 1)z] w0 w = 0 (3.8)

diferensiyel denklemini sa¼glar.

Ispat:· 2F1( ; ; ; z) hipergeometrik fonksiyonunun sa¼glad¬¼g¬diferensiyel denklemi bulmak için,

= z d dz operatörünü ele alaca¼g¬z.

w = 2F1( ; ; ; z) = X1 n=0

( )n( )nzn ( )nn!

olsun. Buna göre,

( + 1)w =

X1 n=0

n(n + 1)( )n( )nzn ( )nn!

bulunur. Burada Pochhammer sembolünün ( )n= ( )n 1( + n 1)özelli¼ginden,

( + 1)w =

X1 n=1

( )n( )nzn ( )n 1(n 1)!

elde edilir. Son e¸sitlikte n yerine n + 1 yaz¬l¬rsa,

( + 1)w =

X1 n=0

( )n+1( )n+1zn+1 ( )nn!

bulunur ki,

( )n+1= ( )n( + n) oldu¼gundan,

( + 1)w = z

X1 n=0

( + n)( + n)( )n( )nzn ( )nn!

= z( + )( + )w

elde edilir. Buna göre w = 2F1( ; ; ; z);

[ ( + 1) z( + )( + )] w = 0

diferensiyel denkleminin bir çözümü olarak bulunur.

= z d

dz oldu¼gundan elde edilen diferensiyel denklem

z(1 z)w00+ [ ( + + 1)z] w0 w = 0

formunda yaz¬labilir. Bu da bizden istenen olacakt¬r.

Lemma 3.4 2F1( ; ; ; z) fonksiyonu, Re( ) > Re( ) > 0 ve jzj < 1 olmak üzere,

2F1( ; ; ; z) = 1

B( ; )

Z1

0

t 1(1 t) 1(1 tz) dt (3.9)

¸seklinde bir integral gösterimine sahiptir.

Ispat:· Pochhammer sembolünün (2:22) özelli¼ginden dolay¬, ( )n

( )n = ( + n) ( )

( + n) ( ) = ( )

( ) ( )

( + n) ( ) ( + n)

yaz¬labilir. Beta fonksiyonunun Gamma fonksiyonu cinsinden ifadesi olan (2:18) özelli¼ginden ve Beta fonksiyonunun

B(x; y) = Z1

0

tx 1(1 t)y 1dt

tan¬m¬ndan dolay¬da,

yaz¬labilir. Buna göre

( )n

¸seklinde bulunur. Böylece jzj < 1 olmak üzere bu bulunan ifade hipergeometrik fonksiyonun (3:4) tan¬m¬nda yerine yaz¬l¬rsa,

2F1( ; ; ; z) =

olur. Seri düzgün yak¬nsak oldu¼gundan toplam ile integralin yerleri de¼gi¸stirilirse,

2F1( ; ; ; z) = ( )

bulunur. Di¼ger taraftan (3:6) e¸sitli¼ginden dolay¬,

(1 tz) = X1 n=0

( )n(tz)n n!

olaca¼g¬gözönünde tutulur ve Beta fonksiyonunun (2:18) özelli¼gi dikkate al¬n¬rsa,

2F1( ; ; ; z) = 1

B( ; )

Z1

0

t 1(1 t) 1(1 tz) dt

elde edilir ki bu istenilendir.

Lemma 3.5 A ve B iki de¼gi¸skenli fonksiyonlar¬için,

e¸sitlikleri geçerlidir (Rainville 1960).

Teorem 3.1 (Gauss Teoremi)

Re( ) > 0 ve de s¬f¬rdan ve negatif tamsay¬dan farkl¬olmak üzere,

2F1( ; ; ; 1) = ( ) ( )

( ) ( ) (3.14)

dir.

Ispat:· Re( ) > 0 olmak üzere, hipergeometrik fonksiyonun (3:9) integral gösteriminden,

oldu¼gunu biliyoruz. Burada her iki yan¬n z ! 1 için limiti al¬n¬rsa,

z!1lim 2F1( ; ; ; z) = lim

bulunur. Beta fonksiyonunun (2:15) tan¬m¬ ve (2:18) özelli¼ginin gözönüne al¬n-mas¬yla da,

2F1( ; ; ; 1) = ( )

( ) ( )B( ; )

= ( )

( ) ( )

( ) ( )

( )

= ( ) ( )

( ) ( )

elde edilir.

Lemma 3.6 jzj < 1 ve z

1 z < 1 olmak üzere,

2F1( ; ; ; z) = (1 z) 2F1 ; ; ; z

1 z (3.15)

dir.

Ispat:· 2F1 hipergeometrik fonksiyonun tan¬m¬ndan,

(1 z) 2F1 ; ; ; z

1 z = (1 z)

X1 k=0

( )k( )k

( )kk!

( 1)kzk (1 z)k

= X1 k=0

( )k( )k ( )kk!

( 1)kzk (1 z)k+

yaz¬labilir. (1 z) n¬n (3:6) özelli¼ginden dolay¬da,

(1 z) =

X1 n=0

( )nzn n!

oldu¼gunu biliyoruz. O halde,

(1 z) (k+ ) = X1 n=0

( + k)nzn n!

olacakt¬r. Buna göre oldu¼gunun dikkate al¬nmas¬yla yukar¬daki e¸sitlik,

(1 z) 2F1 ; ; ; z

¸seklinde yaz¬labilir. (3:10) e¸sitli¼gi gözönünde tutularak n yerine n k al¬n¬r ve gerekli düzenlemeler yap¬l¬rsa, bu son ifadenin e¸siti,

(1 z) 2F1 ; ; ; z

¸seklinde yaz¬labilir.

( n)k = oldu¼gu dikkate al¬n¬rsa,

(1 z) 2F1 ; ; ; z

bulunur. Teorem 3:1’deki (3:14) e¸sitli¼ginden,

(1 z) :2F1 ; ; ; z

olup, Pochhammer sembolünün (2:22) özelli¼ginden,

elde edilir. Bu ise ispat¬tamamlar.

Lemma 3.7 Re( ) > 0ve n negatif olmayan bir tamsay¬olmak üzere,

2F1 n

Ispat:· Gauss Teoremi’ndeki (3:14) e¸sitli¼ginden,

2F1

yaz¬labilir. Lemma 2:3’teki Pochhammer sembolünün (2:22) özelli¼ginden, ( + n)

bulunur. Teorem 2:3’teki (2:20) e¸sitli¼gi ile verilen Legendre Katlama Ba¼ g¬nt¬s¬kul-lan¬l¬rsa,

( ) + 1

2 = 21 2 p

(2 ) + n

2 +1

2 +n

2 = 21 2 np

(2 + n)

elde edilir. Böylece

2F1 n 2; n

2 + 1

2; +1

2; 1 = ( )n2n (2 ) (2 + n)

oldu¼gu görülür. Yine Lemma 2:3’teki (2:22) e¸sitli¼ginden (2 )

(2 + n) = 1

(2 )n olup,

2F1 n 2; n

2 + 1

2; + 1

2; 1 = 2n( )n (2 )n

elde edilir.

Lemma 3.8 2 s¬f¬rdan ve negatif tamsay¬dan farkl¬ olmak üzere, jxj < 1 ve j4x(1 + x) 2j < 1 için,

(1 + x) 2 2F1 ; ; 2 ; 4x

(x + 1)2 = 2F1 ; + 1

2; +1

2; x2 (3.17) dir (Rainville 1960).

Lemma 3.9 2 s¬f¬rdan ve negatif tamsay¬dan farkl¬ olmak üzere, jyj < 1 2 ve y

1 y < 1 için,

(1 y) 2F1 2;

2 + 1

2; + 1 2; y2

(1 y)2 = 2F1( ; ; 2 ; 2y) (3.18) dir.

Ispat:· (3:18)’in sol yan¬n¬ ile gösterelim. (3:4) 2F1 hipergeometrik fonksiyonun

yaz¬labilir. (2:28) özelli¼ginin dikkate al¬nmas¬yla

2 k 2 +1

2 k = ( )2k 22k elde edilir. Bu takdirde,

= bulunur. (3:6)’dan dolay¬,

(1 y) 2k = X1 n=0

( + 2k)nyn n!

olup, (2:24)’te n yerine 2k ve k yerine n al¬nmas¬yla,

( )2k( + 2k)n = ( )n+2k

elde edilir. Bu bulunan e¸sitlikler de yerlerine yaz¬l¬rsa,

=

bulunur. Lemma 3:5’teki (3:12) e¸sitli¼ginden dolay¬,

=

yaz¬labilir. (2:27) ve (2:28) e¸sitliklerinden dolay¬,

(n 2k)! = n!

olacaklar¬n¬n dikkate al¬nmas¬yla da,

bulunur. Lemma 3:7’deki (3:16) e¸sitli¼ginden dolay¬da,

=

elde edilir. Bu da ispat¬tamamlar.

Lemma 3.10 1 + s¬f¬rdan ve negatif tamsay¬dan farkl¬olmak üzere,

(1 z) 2F1 fonksiyonunun e¸sitini yerine yazarsak,

(1 + x2) 2F1

yaz¬labilir. Son e¸sitlikte x2 yerine z ve yerine 1

2+ al¬n¬rsa,

(1 + z) 2F1 2;

2 + 1

2; 1 + ; 4z

(1 + z)2 = 2F1( ; ; 1 + ; z)

elde edilir. Lemma 3:6’daki (3:15) e¸sitli¼ginde yerine

2, yerine

2 + 1

2; yerine 1 + + ve z yerine de 4z

(z + 1)2 al¬n¬rsa,

2F1 2;

2 +1

2; 1 + ; 4z (1 + z)2

= 1 z

1 + z 2F1 2;

2 + 1

2 ; 1 + ; 4z

(1 z)2 bulunur. O halde bulunan bu fonksiyon bir önceki e¸sitlikte yerine yaz¬l¬rsa,

(1 z) 2F1 2;

2 + 1

2 ; 1 + ; 4z

(1 z)2 = 2F1( ; ; 1 + ; z) olarak elde edilir. Bu da bizden istenendir.

Teorem 3.2 (Kummer Teoremi)

1 + s¬f¬r ve negatif tamsay¬dan farkl¬ ve yak¬nsakl¬k için Re( ) < 1 olmak üzere,

2F1( ; ; 1 + ; 1) =

(1 + ) 1 +

2

1 + 2 (1 + )

(3.20)

d¬r.

Ispat:· Lemma 3:10’daki (3:19) ba¼g¬nt¬s¬ndan, z ! 1 için limit al¬n¬rsa,

2 2F1 2;

2 + 1

2 ; 1 + ; 1 = 2F1( ; ; 1 + ; 1)

bulunur. (3:14) e¸sitli¼gi ile verilen Gauss Teoremi’nden dolay¬da,

2 2F1 2;

2 + 1

2 ; 1 + ; 1 =

(1 + ) 1

2

2 1 +

2 2 +1

2

elde edilir. Legendre Katlama ba¼g¬nt¬s¬nda z =

2 +1

2 al¬n¬rsa, 1

2 (1 + ) = 2

2 +1

2 2 + 1

olaca¼g¬dikkate al¬n¬r ve bu özellik son e¸sitli¼ge uygulan¬rsa,

2F1( ; ; 1 + ; 1) =

(1 + ) 1 +

2

1 + 2 (1 + )

elde edilir. Bu da ispat¬tamamlar.

Teorem 3.3 (Gauss’un ikinci teoremi) 1

2( + + 1) s¬f¬r ve negatif tamsay¬dan farkl¬olmak üzere,

2F1 ; ;1

2( + + 1);1

2 =

1

2 2 +

2 + 1 2 2 +1

2 2 + 1

2

(3.21)

dir.

Ispat:· Lemma 3:6’daki (3:15) e¸sitli¼ginde z ! 1 için limit al¬n¬rsa,

2F1 ; ; ;1

2 = 2 2F1( ; ; ; 1)

bulunur. Burada ilk olarak yerine al¬n¬r ve sonra da yerine 1

2( + + 1)

konulursa,

2F1 ; ;1

2( + + 1);1

2 = 2 2F1 ;

2 2 +1 2;1

2( + + 1); 1 elde edilir. (3:20) ile ifade edilen Kummer Teoremi’nden dolay¬,

2F1 ; ;1

2( + + 1);1

2 = 2 2 +

2 +1

2 2 + 1

2 + 1

2 (1 + )

yaz¬labilir. Legendre Katlama ba¼g¬nt¬s¬nda z =

2 +1

2 al¬n¬rsa, 1

2 ( + 1) = 2

2 + 1

2 2 + 1

elde edilir. O halde,

2F1 ; ;1

2( + + 1);1

2 =

1

2 2 +

2 + 1 2 2 +1

2 2 + 1

2 bulunur. Bu da bizden istenendir.

Benzer Belgeler