■直交多項式入門(その7)

 第1種チェビシュフ多項式

  T0(x)=1,T1(x)=x,T2(x)=2x^2-1,T3(x)=4x^3-3x,T4(x)=8x^4-8x^2+1,・・・

また,Tn(x)=0の根はcos(kπ/2n),k=1,3,5,・・・,2n-1と表される.

  Tn(x)=2^n-1Π(x-cos((2k-1)π/2n))

  Tn’(x)=2^n-1nΠ(x-cos(kπ/2n))

 sinの場合には番号をひとつずらせて,sin(n+1)θ/sinθを考えると,第2種チェビシュフ多項式

  U0(x)=1,U1(x)=2x,U2(x)=4x^2-1,U3(x)=8x^3-4x,U4(x)=16x^4-12x^2+1,・・・

また,Un(x)=0の根はcos(kπ/(n+1)),k=1,2,3,・・・,nと表される.

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【1】チェビシェフ多項式の性質

[1]最良近似

  f(x)=x^n+p1x^n-1+・・・+pn

  L=max|f(x)|

とおく.そのとき,区間[-1,1]上でLを最小にするのは

  f(x)=Tn(x)/2^n-1

ただひとつで,L=1/2^n-1が成立する.

[2]漸化式

  Tn(x)=2xTn-1(x)-Tn-2(x)

  Un(x)=2xUn-1(x)-Un-2(x)

[3]直交性

  ∫(-1,1)Tm(x)Tn(x)/(1-x^2)^1/2dx

 =0     (m≠n)

 =π     (m=n=0)

 =π/2   (m=n≠0)

[4]母関数

  T0(x)+2ΣTn(x)t^n=(-t^2+1)/(t^2-2xt+1)

[5]合成

  Tm(Tn(x))=Tmn(x)

[6]多項式近似定理(ワイエルシュトラス)

 閉区間[a,b]で連続な関数をf(x)とする.このとき

  |f(x)-g(x)|<ε

を満たす多項式g(x)が常に存在し,それはただひとつである.

[7]微分方程式

  (1-x^2)Tn”(x)=xTn’(x)-n^2Tn(x)

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