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Lexikon der Mathematik: verallgemeinerte hypergeometrische Funktion

Lösung der verallgemeinerten hypergeometrischen Differentialgleichung, die wie folgt definiert ist:

Ist der Differentialoperator \({\mathcal{D}}\) definiert durch \begin{eqnarray}\mathcal{D}\,:=z\frac{d}{dz},\end{eqnarray} dann lautet für Konstanten a1, a2,…ap und c1, c2cq aus ℂ die hypergeometrische Differentialgleichung: \begin{eqnarray}\begin{array}{c}\mathcal{D}\,\left(\mathcal{D}+{{c}_{1}}-1 \right)\,\left(\mathcal{D}+{{c}_{2}}-1 \right)\cdot \cdot \cdot \left(\mathcal{D}+{{c}_{q}}-1 \right){w}= \\\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,=z\left(\mathcal{D}+{{\alpha}_{1}} \right)\left(\mathcal{D}+{{\alpha}_{2}} \right)\cdot \cdot \cdot \left(\mathcal{D}+{{\alpha}_{1}} \right){w}.\end{array}\end{eqnarray} Dies ist eine Differentialgleichung der Ordnung \begin{eqnarray}\max (p,q+1).\end{eqnarray} Eine Lösung dieser Differentialgleichung ist formal durch die folgende verallgemeinerte hypergeometrische Reihe gegeben: \begin{eqnarray}\begin{array}{l}{\text{}_{p}{{{F}_{q}}({{\alpha}_{1}},{{\alpha}_{2}},\ldots,\alpha_p;{{c}_{1}},{{c}_{2}},\ldots,{{c}_{q}};z)\,\,:=}} \\ \,\,\,\,\,=\displaystyle\sum\limits_{s=0}^{\infty}{\displaystyle\frac{{{\left({{\alpha}_{1}} \right)}_{s}}{{\left({{\alpha}_{2}} \right)}_{s}}\cdots {{\left({{\alpha}_{p}} \right)}_{s}}}{{{\left({{c}_{1}} \right)}_{s}}{{\left({{c}_{2}} \right)}_{s}}\cdots {{\left({{c}_{q}} \right)}_{s}}}}\frac{{{z}^{2}}}{s!}.\end{array}\end{eqnarray} Dabei ist (a)n das Pochhammer-Symbol, definiert durch \begin{eqnarray}\begin{array}{l}{(\alpha)}_{n}:=\alpha \cdot (\alpha +1)(\alpha +2) \ldots (\alpha +n-1)\\ {(\alpha)}_{0}:=1.\end{array}\end{eqnarray} Offensichtlich muß man zunächst den Fall ausschließen, daß einer der Koeffizienten ci in −ℕ0 ist. Ist nun pq, so konvergiert diese Reihe und definiert eine ganze Funktion in z, die verallgemeinerte hypergeometrische Funktion.

Für p = q + 1 ist der Konvergenzradius gerade 1; außerhalb des Einheitskreises in ℂ muß man dann pFq durch meromorphe Fortsetzung (meromorphe Funktion) definieren.

Für p >q + 1 ist diese Reihe divergent und definiert keine Lösung der verallgemeinerten hypergeometrischen Differentialgleichung, es sei denn, einer der Koeffizienten as ist Null oder eine negative ganze Zahl, womit dann pFq ein Polynom ist.

Besonders interessant sind die Fälle \begin{eqnarray}p=q=1\,\,\text{und}\,\,\,{p=2,q=1}\text{.}\end{eqnarray} Im ersten Fall nennt man 1F1 auch KummerFunktion oder die konfluente hypergeometrische Funktion. Die zweite Funktionenfamilie 2F1 bezeichnet man auch einfach als hypergeometrische Funktion.

  • Die Autoren
- Prof. Dr. Guido Walz

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