■ランダムウォークの母関数と準超幾何関数(その37)
1次元・2次元酔歩の場合,積分
Id=Σu2n=(2π)^(-d)∫(-π,π)(1-φ(t))^(-1)dt
φ(t)=1/dΣcos(t)
が発散することは次のようにして示すことができます.
(1次元酔歩)
cosx≧1−x^2/2
より,
2πI1=∫(-π,π)(1−cosx)^(-1)dx
≧∫(-π,π)2/x^2dx=∞
(2次元酔歩)
2−(cosx+cosy)≦1/2(x^2+y^2)
より,
(2π)^2I2=∫(-π,π)(2−cosx−cosy)^(-1)dxdy
≧∫(-π,π)2/(x^2+y^2)dxdy
ここで,x=rcosθ,y=rsinθと極座標変換すれば,
dxdy=rdrdθ
より,θ
(2π)^2I2≧∫(0,π)∫(-π,π)2/rdrdθ=∞
参考までに,1次元酔歩の再帰確率u2nの母関数は
Q(t)=(1-t^2)^(-1/2)
2次元酔歩では母関数は第2種楕円積分
Q(t)=2/πK(t)
となりますが,
Σun=Q(1)=∞
より,1次元酔歩も2次元酔歩も再帰的であることがわかります.また,これらとベッセル関数との間に,積分公式
Σu2n=∫(0,∞)exp(-x){I0(x/d)}^ddx
が成り立つことも確認されます.
同様に,3次元空間での極座標変換のヤコビアンは
dxdydz=r^2sinθdrdθdφ
4次元以上では
dxdydz・・・=r^(d-1)sin^(d-2)θsin^(d-3)φ・・・drdθdφ・・・
と続きますから,一般のd次元では
Id=c∫r^(d-1)/r^2dr=c∫r^(d-3)dr
したがって,
Id=∞ (d=1,2のとき発散)
Id<∞ (d≧3のとき有限確定)
であることが確かめられます.
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