المرجع الالكتروني للمعلوماتية
المرجع الألكتروني للمعلوماتية

الرياضيات
عدد المواضيع في هذا القسم 9761 موضوعاً
تاريخ الرياضيات
الرياضيات المتقطعة
الجبر
الهندسة
المعادلات التفاضلية و التكاملية
التحليل
علماء الرياضيات

Untitled Document
أبحث عن شيء أخر المرجع الالكتروني للمعلوماتية


Orthogonal Polynomials  
  
5299   03:00 مساءً   date: 13-2-2019
Author : Abramowitz, M. and Stegun, I. A
Book or Source : "Orthogonal Polynomials." Ch. 22 in Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs, and Mathematical Tables, 9th printing. New York: Dover,
Page and Part : ...


Read More
Date: 23-1-2019 781
Date: 8-3-2017 985
Date: 19-1-2019 1790

Orthogonal Polynomials

Orthogonal polynomials are classes of polynomials {p_n(x)} defined over a range [a,b] that obey an orthogonalityrelation

 int_a^bw(x)p_m(x)p_n(x)dx=delta_(mn)c_n,

(1)

where w(x) is a weighting function and delta_(mn) is the Kronecker delta. If c_n=1, then the polynomials are not only orthogonal, but orthonormal.

Orthogonal polynomials have very useful properties in the solution of mathematical and physical problems. Just as Fourier series provide a convenient method of expanding a periodic function in a series of linearly independent terms, orthogonal polynomials provide a natural way to solve, expand, and interpret solutions to many types of important differential equations. Orthogonal polynomials are especially easy to generate using Gram-Schmidt orthonormalization.

A table of common orthogonal polynomials is given below, where w(x) is the weighting function and

 c_n=int_a^bw(x)[p_n(x)]^2dx

(2)

(Abramowitz and Stegun 1972, pp. 774-775).

polynomial interval w(x) c_n
Chebyshev polynomial of the first kind [-1,1] (1-x^2)^(-1/2) {pi   for n=0; 1/2pi   otherwise
Chebyshev polynomial of the second kind [-1,1] sqrt(1-x^2) 1/2pi
Gegenbauer polynomial [-1,1] (1-x^2)^(alpha-1/2)
Hermite polynomial (-infty,infty) e^(-x^2) sqrt(pi)2^nn!
Jacobi polynomial (-1,1) (1-x)^alpha(1+x)^beta h_n
Laguerre polynomial [0,infty) e^(-x) 1
generalized Laguerre polynomial [0,infty) x^ke^(-x) ((n+k)!)/(n!)
Legendre polynomial [-1,1] 1 2/(2n+1)

In the above table,

 h_n=(2^(alpha+beta+1))/(2n+alpha+beta+1)(Gamma(n+alpha+1)Gamma(n+beta+1))/(n!Gamma(n+alpha+beta+1)),

(3)

where Gamma(z) is a gamma function.

The roots of orthogonal polynomials possess many rather surprising and useful properties. For instance, let x_1<x_2<...<x_n be the roots of the p_n(x) with x_0=a and x_(n+1)=b. Then each interval [x_nu,x_(nu+1)] for nu=0, 1, ..., n contains exactly one root of p_(n+1)(x). Between two roots of p_n(x) there is at least one root of p_m(x) for m>n.

Let c be an arbitrary real constant, then the polynomial

 p_(n+1)(x)-cp_n(x)

(4)

has n+1 distinct real roots. If c>0 (c<0), these roots lie in the interior of [a,b], with the exception of the greatest (least) root which lies in [a,b] only for

 c<=(p_(n+1)(b))/(p_n(b))    (c>=(p_(n+1)(a))/(p_n(a))).

(5)

The following decomposition into partial fractions holds

(6)

where {xi_nu} are the roots of p_(n+1)(x) and

l_nu =

(7)

=

(8)

Another interesting property is obtained by letting {p_n(x)} be the orthonormal set of polynomials associated with the distribution dalpha(x) on [a,b]. Then the convergents R_n/S_n of the continued fraction

 1/(A_1x+B_1)-(C_2)/(A_2x+B_2)-(C_3)/(A_3x+B_3)-...-(C_n)/(A_nx+B_n)+...

(9)

are given by

R_n = R_n(x)

(10)

= c_0^(-3/2)sqrt(c_0c_2c_1^2)int_a^b(p_n(x)-p_n(t))/(x-t)dalpha(t)

(11)

S_n = S_n(x)=sqrt(c_0)p_n(x),

(12)

where n=0, 1, ... and

 c_n=int_a^bx^ndalpha(x).

(13)

Furthermore, the roots of the orthogonal polynomials p_n(x) associated with the distribution dalpha(x) on the interval [a,b] are real and distinct and are located in the interior of the interval [a,b].


REFERENCES:

Abramowitz, M. and Stegun, I. A. (Eds.). "Orthogonal Polynomials." Ch. 22 in Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs, and Mathematical Tables, 9th printing. New York: Dover, pp. 771-802, 1972.

Arfken, G. "Orthogonal Polynomials." Mathematical Methods for Physicists, 3rd ed. Orlando, FL: Academic Press, pp. 520-521, 1985.

Chihara, T. S. An Introduction to Orthogonal Polynomials. New York: Gordon and Breach, 1978.

Gautschi, W.; Golub, G. H.; and Opfer, G. (Eds.) Applications and Computation of Orthogonal Polynomials, Conference at the Mathematical Research Institute Oberwolfach, Germany, March 22-28, 1998. Basel, Switzerland: Birkhäuser, 1999.

Iyanaga, S. and Kawada, Y. (Eds.). "Systems of Orthogonal Functions." Appendix A, Table 20 in Encyclopedic Dictionary of Mathematics. Cambridge, MA: MIT Press, p. 1477, 1980.

Koekoek, R. and Swarttouw, R. F. The Askey-Scheme of Hypergeometric Orthogonal Polynomials and its q-Analogue. Delft, Netherlands: Technische Universiteit Delft, Faculty of Technical Mathematics and Informatics Report 98-17, 1-168, 1998.

Nikiforov, A. F.; Uvarov, V. B.; and Suslov, S. S. Classical Orthogonal Polynomials of a Discrete Variable. New York: Springer-Verlag, 1992.

Sansone, G. Orthogonal Functions. New York: Dover, 1991.

Szegö, G. Orthogonal Polynomials, 4th ed. Providence, RI: Amer. Math. Soc., pp. 44-47 and 54-55, 1975.




الجبر أحد الفروع الرئيسية في الرياضيات، حيث إن التمكن من الرياضيات يعتمد على الفهم السليم للجبر. ويستخدم المهندسون والعلماء الجبر يومياً، وتعول المشاريع التجارية والصناعية على الجبر لحل الكثير من المعضلات التي تتعرض لها. ونظراً لأهمية الجبر في الحياة العصرية فإنه يدرّس في المدارس والجامعات في جميع أنحاء العالم. ويُعجب الكثير من الدارسين للجبر بقدرته وفائدته الكبيرتين، إذ باستخدام الجبر يمكن للمرء أن يحل كثيرًا من المسائل التي يتعذر حلها باستخدام الحساب فقط.وجاء اسمه من كتاب عالم الرياضيات والفلك والرحالة محمد بن موسى الخورازمي.


يعتبر علم المثلثات Trigonometry علماً عربياً ، فرياضيو العرب فضلوا علم المثلثات عن علم الفلك كأنهما علمين متداخلين ، ونظموه تنظيماً فيه لكثير من الدقة ، وقد كان اليونان يستعملون وتر CORDE ضعف القوسي قياس الزوايا ، فاستعاض رياضيو العرب عن الوتر بالجيب SINUS فأنت هذه الاستعاضة إلى تسهيل كثير من الاعمال الرياضية.

تعتبر المعادلات التفاضلية خير وسيلة لوصف معظم المـسائل الهندسـية والرياضـية والعلمية على حد سواء، إذ يتضح ذلك جليا في وصف عمليات انتقال الحرارة، جريان الموائـع، الحركة الموجية، الدوائر الإلكترونية فضلاً عن استخدامها في مسائل الهياكل الإنشائية والوصف الرياضي للتفاعلات الكيميائية.
ففي في الرياضيات, يطلق اسم المعادلات التفاضلية على المعادلات التي تحوي مشتقات و تفاضلات لبعض الدوال الرياضية و تظهر فيها بشكل متغيرات المعادلة . و يكون الهدف من حل هذه المعادلات هو إيجاد هذه الدوال الرياضية التي تحقق مشتقات هذه المعادلات.