广义超几何函数 (generalized hypergeometric function ),有时也称超几何函数 ,是一个用幂级数 定义的函数,其中幂级数的系数由若干个升阶乘 的积和商给出。下文中用“超几何函数”一词代指广义超几何函数,而用“高斯超几何函数 ”一词代指 p =2 、 q =1 时的广义超几何函数。
定义与记号
超几何函数是用幂级数定义的:
β
0
+
β
1
z
1
!
+
β
2
z
2
2
!
+
⋯
=
∑
n
⩾
0
β
n
z
n
n
!
{\displaystyle \beta _{0}+\beta _{1}{\frac {z}{1!}}+\beta _{2}{\frac {z^{2}}{2!}}+\dots =\sum _{n\geqslant 0}\beta _{n}{\frac {z^{n}}{n!}}}
其中相邻两项的系数之比 β n +1 /β n 是关于 n 的有理函数 ,分子和分母都可以表示成若干个一次函数的乘积。一般要求分子和分母的多项式的最高次系数均为 1,并取 β 0 =1,于是
β
n
+
1
β
n
=
A
(
n
)
B
(
n
)
=
∏
i
=
1
p
(
a
i
+
n
)
∏
i
=
1
q
(
b
i
+
n
)
,
∀
n
⩾
0
{\displaystyle {\frac {\beta _{n+1}}{\beta _{n}}}={\frac {A(n)}{B(n)}}={\frac {\prod _{i=1}^{p}(a_{i}+n)}{\prod _{i=1}^{q}(b_{i}+n)}},\quad \forall n\geqslant 0}
于是用阶乘幂 可以将 β n 表示为
β
n
=
∏
i
=
1
p
(
a
i
)
(
n
)
∏
i
=
1
q
(
b
i
)
(
n
)
{\displaystyle \beta _{n}={\frac {\prod _{i=1}^{p}(a_{i})^{(n)}}{\prod _{i=1}^{q}(b_{i})^{(n)}}}}
一般用下面的记号来表示超几何函数:
p
F
q
(
a
1
,
a
2
,
a
3
,
…
,
a
p
;
b
1
,
b
2
,
b
3
,
…
,
b
q
;
z
)
=
p
F
q
[
a
1
a
2
a
3
…
a
p
b
1
b
2
b
3
…
b
q
;
z
]
=
∑
n
=
0
∞
∏
i
=
1
p
(
a
i
)
(
n
)
∏
i
=
1
q
(
b
i
)
(
n
)
z
n
n
!
{\displaystyle _{p}F_{q}(a_{1},a_{2},a_{3},\ldots ,a_{p};b_{1},b_{2},b_{3},\ldots ,b_{q};z)=\ _{p}F_{q}\left[{\begin{matrix}a_{1}&a_{2}&a_{3}&\ldots &a_{p}\\b_{1}&b_{2}&b_{3}&\ldots &b_{q}\end{matrix}};z\right]=\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {\prod _{i=1}^{p}(a_{i})^{(n)}}{\prod _{i=1}^{q}(b_{i})^{(n)}}}{\frac {z^{n}}{n!}}}
当 a i 都不是非正整数(即负整数和 0)时,要求所有的 b i 都不是非正整数。当有至少一个 a i 是非正整数,且其中最大(绝对值最小)者为 k 时,超几何函数将截断为 -k 次多项式,这时允许 b i 中存在非正整数,但要求这些非正整数都小于 k 。这都是为了保证在所有的 β n 中,分母不为零。
敛散性
下面讨论用来定义超几何函数的幂级数以零为中心的收敛半径。
当超几何函数截断为多项式时,显然收敛半径 是无穷大 。
除去这种特殊情况之外,用比值审敛法 可知,当 p <q +1 时,收敛半径为无穷大,当 p =q +1 时,收敛半径为 1,剩下的情况收敛半径为 0(这时一般把超几何函数中对应的幂级数视作渐近级数,而函数本身则采用其它方式定义,如积分表达式)。
当级数的收敛半径为 1 时,级数在单位圆外不收敛,但仍然可以通过解析延拓来定义超几何函数的值。另外,此时在单位圆上的敛散性较为复杂,不能使用比值审敛法,必须使用高斯审敛法来判断,结果如下,令
γ
q
=
∑
k
=
1
q
b
k
−
∑
k
=
1
p
a
k
,
r
=
ℜ
(
γ
q
)
{\displaystyle \gamma _{q}=\sum _{k=1}^{q}b_{k}-\sum _{k=1}^{p}a_{k},\quad r=\Re (\gamma _{q})}
则
当 r >0 时,级数在单位圆上绝对收敛 ;
当 0≥r >-1 时,级数在单位圆上除 z =1 外收敛,但不绝对收敛;
当 -1≥r 时,级数在单位圆上发散。 积分表达式
复平面上的路径积分可以用来定义所有 a k 都不是非正整数时的广义超几何函数,包括上面说到的 p ≥q +1 的情形。
下面只介绍 p +1>q 且级数不截断为多项式的情形(其它情形下,上面的幂级数定义已经是良好的定义,而下面的积分不收敛),这时超几何函数可以定义为:
(
∏
k
=
1
p
Γ
(
a
k
)
/
∏
k
=
1
q
Γ
(
b
k
)
)
p
F
q
[
a
1
a
2
a
3
…
a
p
b
1
b
2
b
3
…
b
q
;
z
]
=
1
2
π
i
∫
−
i
∞
+
i
∞
(
∏
k
=
1
p
Γ
(
a
k
+
s
)
/
∏
k
=
1
q
Γ
(
b
k
+
s
)
)
Γ
(
−
s
)
(
−
z
)
s
d
s
{\displaystyle \left(\prod _{k=1}^{p}\Gamma (a_{k})\right/\left.\prod _{k=1}^{q}\Gamma (b_{k})\right)\,{}_{p}F_{q}\left[{\begin{matrix}a_{1}&a_{2}&a_{3}&\ldots &a_{p}\\b_{1}&b_{2}&b_{3}&\ldots &b_{q}\end{matrix}};z\right]={\frac {1}{2\pi i}}\int _{-i\infty }^{+i\infty }\left(\prod _{k=1}^{p}\Gamma (a_{k}+s)\right/\left.\prod _{k=1}^{q}\Gamma (b_{k}+s)\right)\Gamma (-s)(-z)^{s}\mathrm {d} s}
当 p =q 且级数不截断为多项式时,超几何函数既可以用上面的积分来定义,也可以用超几何级数定义。可以证明,两种定义是等价的,且定义出来的超几何函数都是整函数 ;
当 p =q +1 且级数不截断为多项式时,超几何函数既可以用上面的积分来定义,也可以用超几何级数定义,但级数定义只在 |z |<1 时有效,在这个区域内,两种定义是等价的,上式提供了级数定义的一个解析延拓;
当 p >q +1 且级数不截断为多项式时,超几何函数只能通过积分表达式定义,对应的超几何级数只在 z =0 处收敛,其它情况均发散,它是积分定义的超几何函数在 z =0 处的渐近级数,即
p
F
q
[
a
1
a
2
a
3
…
a
p
b
1
b
2
b
3
…
b
q
;
z
]
≈
∑
n
=
0
∞
∏
i
=
1
p
(
a
i
)
(
n
)
∏
i
=
1
q
(
b
i
)
(
n
)
z
n
n
!
,
p
>
q
+
1
,
z
→
0
,
|
arg
z
|
<
(
p
+
1
−
q
)
π
2
{\displaystyle _{p}F_{q}\left[{\begin{matrix}a_{1}&a_{2}&a_{3}&\ldots &a_{p}\\b_{1}&b_{2}&b_{3}&\ldots &b_{q}\end{matrix}};z\right]\approx \sum _{n=0}^{\infty }{\frac {\prod _{i=1}^{p}(a_{i})^{(n)}}{\prod _{i=1}^{q}(b_{i})^{(n)}}}{\frac {z^{n}}{n!}},\quad p>q+1,z\rightarrow 0,|\arg z|<(p+1-q){\frac {\pi }{2}}}
超几何函数的性质
特殊值
p
F
q
[
a
1
,
…
,
a
p
b
1
,
…
,
b
q
;
0
]
=
1
{\displaystyle {}_{p}F_{q}\left[{\begin{array}{c}a_{1},\ldots ,a_{p}\\b_{1},\dots ,b_{q}\end{array}};0\right]=1}
欧拉积分变换
p
+
1
F
q
+
1
[
a
1
,
…
,
a
p
,
c
b
1
,
…
,
b
q
,
d
;
z
]
=
Γ
(
d
)
Γ
(
c
)
Γ
(
d
−
c
)
∫
0
1
t
c
−
1
(
1
−
t
)
d
−
c
−
1
p
F
q
[
a
1
,
…
,
a
p
b
1
,
…
,
b
q
;
t
z
]
d
t
{\displaystyle {}_{p+1}F_{q+1}\left[{\begin{array}{c}a_{1},\ldots ,a_{p},c\\b_{1},\ldots ,b_{q},d\end{array}};z\right]={\frac {\Gamma (d)}{\Gamma (c)\Gamma (d-c)}}\int _{0}^{1}t^{c-1}(1-t)_{}^{d-c-1}\ {}_{p}F_{q}\left[{\begin{array}{c}a_{1},\ldots ,a_{p}\\b_{1},\ldots ,b_{q}\end{array}};tz\right]dt}
导函数
(
z
d
d
z
+
a
j
)
p
F
q
[
a
1
,
…
,
a
j
,
…
,
a
p
b
1
,
…
,
b
q
;
z
]
=
a
j
p
F
q
[
a
1
,
…
,
a
j
+
1
,
…
,
a
p
b
1
,
…
,
b
q
;
z
]
(
z
d
d
z
+
b
k
−
1
)
p
F
q
[
a
1
,
…
,
a
p
b
1
,
…
,
b
k
,
…
,
b
q
;
z
]
=
(
b
k
−
1
)
p
F
q
[
a
1
,
…
,
a
p
b
1
,
…
,
b
k
−
1
,
…
,
b
q
;
z
]
d
d
z
p
F
q
[
a
1
,
…
,
a
p
b
1
,
…
,
b
q
;
z
]
=
∏
i
=
1
p
a
i
∏
j
=
1
q
b
j
p
F
q
[
a
1
+
1
,
…
,
a
p
+
1
b
1
+
1
,
…
,
b
q
+
1
;
z
]
{\displaystyle {\begin{aligned}\left(z{\frac {\rm {d}}{{\rm {d}}z}}+a_{j}\right){}_{p}F_{q}\left[{\begin{array}{c}a_{1},\dots ,a_{j},\dots ,a_{p}\\b_{1},\dots ,b_{q}\end{array}};z\right]&=a_{j}\;{}_{p}F_{q}\left[{\begin{array}{c}a_{1},\dots ,a_{j}+1,\dots ,a_{p}\\b_{1},\dots ,b_{q}\end{array}};z\right]\\\left(z{\frac {\rm {d}}{{\rm {d}}z}}+b_{k}-1\right){}_{p}F_{q}\left[{\begin{array}{c}a_{1},\dots ,a_{p}\\b_{1},\dots ,b_{k},\dots ,b_{q}\end{array}};z\right]&=(b_{k}-1)\;{}_{p}F_{q}\left[{\begin{array}{c}a_{1},\dots ,a_{p}\\b_{1},\dots ,b_{k}-1,\dots ,b_{q}\end{array}};z\right]\\{\frac {\rm {d}}{{\rm {d}}z}}\;{}_{p}F_{q}\left[{\begin{array}{c}a_{1},\dots ,a_{p}\\b_{1},\dots ,b_{q}\end{array}};z\right]&={\frac {\prod _{i=1}^{p}a_{i}}{\prod _{j=1}^{q}b_{j}}}\;{}_{p}F_{q}\left[{\begin{array}{c}a_{1}+1,\dots ,a_{p}+1\\b_{1}+1,\dots ,b_{q}+1\end{array}};z\right]\end{aligned}}}
由上面三个关系式可以得到超几何函数满足的微分方程:
z
∏
n
=
1
p
(
z
d
d
z
+
a
n
)
w
=
z
d
d
z
∏
n
=
1
q
(
z
d
d
z
+
b
n
−
1
)
w
,
w
(
z
)
=
p
F
q
[
a
1
,
…
,
a
p
b
1
,
…
,
b
q
;
z
]
{\displaystyle z\prod _{n=1}^{p}\left(z{\frac {\rm {d}}{{\rm {d}}z}}+a_{n}\right)w=z{\frac {\rm {d}}{{\rm {d}}z}}\prod _{n=1}^{q}\left(z{\frac {\rm {d}}{{\rm {d}}z}}+b_{n}-1\right)w,\quad w(z)={}_{p}F_{q}\left[{\begin{array}{c}a_{1},\dots ,a_{p}\\b_{1},\dots ,b_{q}\end{array}};z\right]}
. 特例
0 F 0
就是指数函数 。
0
F
0
(
;
;
z
)
=
e
z
{\displaystyle {}_{0}F_{0}(;;z)=e^{z}}
1 F 0
1
F
0
(
a
;
;
z
)
=
(
1
−
z
)
−
a
.
{\displaystyle {}_{1}F_{0}(a;;z)=(1-z)^{-a}.}
0 F 1
称为合流超几何极限函数(confluent hypergeometric limit functions),与贝塞尔函数 有密切关联。
J
α
(
x
)
=
(
x
2
)
α
Γ
(
α
+
1
)
⋅
0
F
1
(
;
α
+
1
;
−
1
4
x
2
)
.
{\displaystyle J_{\alpha }(x)={\frac {({\tfrac {x}{2}})^{\alpha }}{\Gamma (\alpha +1)}}\cdot {}_{0}F_{1}\left(;\alpha +1;-{\tfrac {1}{4}}x^{2}\right).}
1 F 1 和 2 F 0
1 F 1 就是(第一类)合流超几何函数 ,也称 Kummer 函数。
1
F
1
(
a
;
b
;
z
)
=
M
(
a
;
b
;
z
)
{\displaystyle {}_{1}F_{1}(a;b;z)=M(a;b;z)}
另一方面,2 F 0 (此函数的级数表达式不收敛,因此必须通过积分表达式定义)与第二类合流超几何函数(又称Tricomi 函数)有如下关系:
U
(
a
,
b
,
z
)
=
z
−
a
⋅
2
F
0
(
a
,
a
−
b
+
1
;
;
−
z
−
1
)
{\displaystyle U(a,b,z)=z^{-a}\cdot {}_{2}F_{0}(a,a-b+1;;-z^{-1})}
事实上,它们都可以表示为高斯超几何函数的极限,
1
F
1
(
a
;
c
;
z
)
=
lim
b
→
∞
2
F
1
(
a
,
b
;
c
;
z
/
b
)
{\displaystyle {}_{1}F_{1}(a;c;z)=\lim _{b\rightarrow \infty }{}_{2}F_{1}(a,b;c;z/b)}
2
F
0
(
a
,
b
;
;
z
)
=
lim
c
→
∞
2
F
1
(
a
,
b
;
c
;
c
z
)
{\displaystyle {}_{2}F_{0}(a,b;;z)=\lim _{c\rightarrow \infty }{}_{2}F_{1}(a,b;c;cz)}
类似地,p F q 都可以表示成 p +1F q 或 p F q +1 的极限。
不完全伽玛函数 与这两个函数有关联:
γ
(
a
,
z
)
=
z
a
a
M
(
a
,
a
+
1
,
−
z
)
,
a
∉
Z
0
−
{\displaystyle \gamma (a,z)={\frac {z^{a}}{a}}M(a,a+1,-z),\quad a\notin \mathbb {Z} _{0}^{-}}
Γ
(
a
,
z
)
=
e
−
z
U
(
1
−
a
,
1
−
a
,
z
)
{\displaystyle \Gamma (a,z)=e^{-z}U(1-a,1-a,z)}
2 F 1
就是高斯超几何函数,一般又简称超几何函数。
多重对数函数
当 s 为非负整数时,多重对数函数 Lis 可以用超几何函数表示:
L
i
s
(
z
)
=
z
⋅
s
+
1
F
s
[
1
,
…
,
1
2
,
…
,
2
;
z
]
{\displaystyle \mathrm {Li} _{s}(z)=z\cdot {}_{s+1}F_{s}\left[{\begin{array}{c}1,\ldots ,1\\2,\dots ,2\end{array}};z\right]}
参考
Askey, R. A.; Daalhuis, Adri B. Olde, Generalized Hypergeometric Functions and Meijer G -Function , Olver, Frank W. J. ; Lozier, Daniel M.; Boisvert, Ronald F.; Clark, Charles W. (编), NIST Handbook of Mathematical Functions , Cambridge University Press, 2010, ISBN 978-0521192255 , MR 2723248
Dereziński, Jan. Hypergeometric type functions and their symmetries. arXiv:1305.3113 .