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diff --git a/buch/chapters/050-differential/hypergeometrisch.tex b/buch/chapters/050-differential/hypergeometrisch.tex index 7b60d08..de6752f 100644 --- a/buch/chapters/050-differential/hypergeometrisch.tex +++ b/buch/chapters/050-differential/hypergeometrisch.tex @@ -868,6 +868,70 @@ Dies ist die früher definierte hypergeometrische Differentialgleichung. % +% Gerade und ungerade Funktionen +% +\subsubsection{Gerade und ungerade Funktionen} +Hypergeometrische Funktionen, deren Reihe mehr als einen Term +enthalten, enthalten immer mindestens eine gerade und eine ungerade +Potenz der unabhängigen Variable. +Sie können also grundsätzlich weder gerade noch ungerade sein. +Andererseits haben die Differentialgleichungen $y''+y=0$ oder $y''-y=0$ +besonders praktische Lösungen, die sich zusätzlich durch besondere +Symmetrien auszeichnen. +Die Differentialgleichung $y''+y=0$ hat zum Beispiel die gerade +Lösung $\cos x$ und die ungerade Lösung $\sin x$. +Auch die Differentialgleichung $y''-y=0$ hat eine gerade Lösung, +$\cosh x$, und eine ungerade Lösung, $\sinh x$. + +Hat die hypergeometrische Differentialgleichung gerade und +ungerade Lösungen? +Wenn es eine gerade Lösung $y(x)$ gibt, dann sollte die Substitution +$x \to -x$ eine neue Differentialgleichung geben, die ebenfalls $y(x)$ +als Lösung hat. +\begin{align*} + x(1-x)\frac{d^2y}{dx^2} + (c+(a+b+1)x)\frac{dy}{dx}-aby&=0 +\\ +-x(1+x)\frac{d^2y}{dx^2} - (c-(a+b+1)x)\frac{dy}{dx}-aby&=0 +\end{align*} +Die Differenz dieser beiden Gleichungen ist +\begin{align*} +2x\frac{d^2y}{dx^2} +2c \frac{dy}{dx}&=0 +&&\Rightarrow& +\frac{d}{dx} \log \frac{dy}{dx} &= -\frac{c}{x} +\\ +&&&\Rightarrow& +\log \frac{dy}{dx} &= -c\log x +\\ +&&&\Rightarrow& +\frac{dy}{dx} &= x^{-c} +\\ +&&&\Rightarrow& +y(x) &= \frac{1}{-c+1}x^{-c+1} +\end{align*} +Dies zeigt, dass die hypergeometrische Differentialgleichung im +allgemeinen keine geraden oder ungeraden Lösungen hat. + +Die gerade oder ungeraden Funktionen, die in früheren Beispielen +als hypergeometrische Funktionen dargestellt wurden, konnten also +nicht Lösungen der hypergeometrische Differentialgleichung sein. +Die Potenzreihenentwicklung einer geraden Funktion enthält nur +gerade Potenzen der unabhängigen Variablen, bei einer ungeraden +Funktion sind es nur die ungeraden Potenzen. +Die einzige Möglichkeit, eine gerade Funktion $g(x)$ oder eine ungerade +Funktion $u(x)$ als eine hypergeometrische Funktion darzustellen, +ist die Verwendung eines quadratischen Arguments, also in der Form +\[ +g(x) += +\mathstrut_pF_q\biggl(\begin{matrix}a_1,\dots,a_p\\b_1,\dots,b_1\end{matrix};x^2\biggr) +\qquad\text{und}\qquad +u(x) += +x\, +\mathstrut_pF_q\biggl(\begin{matrix}a_1,\dots,a_p\\b_1,\dots,b_1\end{matrix};x^2\biggr). +\] + +% % % \subsubsection{Hypergeometrische Funktionen von $x^2$ und $x^3$} |