Функции Аппеля

Гипергеометрические функции Аппеля были введены им в 1880 году, а в 1926 году он написал трактат об этих функциях совместно с другим известным французским математиком Жозефом Кампе де Ферье^[1].

Гипергеометрические функции Аппеля являются формальным расширением гипергеометрической функции до двух переменных, что приводит к четырём видам функций^[2],

Функция F₁ определена для |x| < 1, |y| < 1 двойным рядом

${\displaystyle F_{1}(a,b_{1},b_{2};c;x,y)=\sum _{m,n=0}^{\infty }{\frac {(a)_{m+n}(b_{1})_{m}(b_{2})_{n}}{(c)_{m+n}\,m!\,n!}}\,x^{m}y^{n}~,}$

где ${\displaystyle (q)_{n}}$ является символом Похгаммера. Для других значений x и y функция F ₁ может быть определена аналитическим продолжением^[3]:

${\displaystyle F_{1}(a,b_{1},b_{2};c;x,y)=\sum _{r=0}^{\infty }{\frac {(a)_{r}(b_{1})_{r}(b_{2})_{r}(c-a)_{r}}{(c+r-1)_{r}(c)_{2r}r!}}\,x^{r}y^{r}{}_{2}F_{1}\left(a+r,b_{1}+r;c+2r;x\right){}_{2}F_{1}\left(a+r,b_{2}+r;c+2r;y\right)~.}$

Аналогично функция F ₂ определяется при | x | + | y ​​| < 1:

${\displaystyle F_{2}(a,b_{1},b_{2};c_{1},c_{2};x,y)=\sum _{m,n=0}^{\infty }{\frac {(a)_{m+n}(b_{1})_{m}(b_{2})_{n}}{(c_{1})_{m}(c_{2})_{n}\,m!\,n!}}\,x^{m}y^{n}}$

и тогда^[4]

${\displaystyle F_{2}(a,b_{1},b_{2};c_{1},c_{2};x,y)=\sum _{r=0}^{\infty }{\frac {(a)_{r}(b_{1})_{r}(b_{2})_{r}}{(c_{1})_{r}(c_{2})_{r}r!}}\,x^{r}y^{r}{}_{2}F_{1}\left(a+r,b_{1}+r;c_{1}+r;x\right){}_{2}F_{1}\left(a+r,b_{2}+r;c_{2}+r;y\right)~.}$

Также функция F ₃ для | x | < 1, | y | < 1 может быть определена:

${\displaystyle F_{3}(a_{1},a_{2},b_{1},b_{2};c;x,y)=\sum _{m,n=0}^{\infty }{\frac {(a_{1})_{m}(a_{2})_{n}(b_{1})_{m}(b_{2})_{n}}{(c)_{m+n}\,m!\,n!}}\,x^{m}y^{n}~,}$

и функция F ₄ для | x | ^{1 ⁄ ₂} + | y ​​| ^{1 ⁄ ₂} < 1:

${\displaystyle F_{4}(a,b;c_{1},c_{2};x,y)=\sum _{m,n=0}^{\infty }{\frac {(a)_{m+n}(b)_{m+n}}{(c_{1})_{m}(c_{2})_{n}\,m!\,n!}}\,x^{m}y^{n}~.}$

Подобно гипергеометрическим функциям одной переменной, функции Аппеля формируют рекуррентные соотношения между смежными функциями. Например, базовый набор таких соотношений для F ₁ Аппеля задаётся так:${\displaystyle (a-b_{1}-b_{2})F_{1}(a,b_{1},b_{2},c;x,y)-a\,F_{1}(a+1,b_{1},b_{2},c;x,y)+b_{1}F_{1}(a,b_{1}+1,b_{2},c;x,y)+b_{2}F_{1}(a,b_{1},b_{2}+1,c;x,y)=0~,}$${\displaystyle c\,F_{1}(a,b_{1},b_{2},c;x,y)-(c-a)F_{1}(a,b_{1},b_{2},c+1;x,y)-a\,F_{1}(a+1,b_{1},b_{2},c+1;x,y)=0~,}$${\displaystyle c\,F_{1}(a,b_{1},b_{2},c;x,y)+c(x-1)F_{1}(a,b_{1}+1,b_{2},c;x,y)-(c-a)x\,F_{1}(a,b_{1}+1,b_{2},c+1;x,y)=0~,}$${\displaystyle c\,F_{1}(a,b_{1},b_{2},c;x,y)+c(y-1)F_{1}(a,b_{1},b_{2}+1,c;x,y)-(c-a)y\,F_{1}(a,b_{1},b_{2}+1,c+1;x,y)=0~.}$

Любое другое соотношение, действительное для F _{1 ,} может быть выведено из этих четырёх.

Аналогично, все рекуррентные соотношения для F₃ Аппеля получаются из следующего набора:

${\displaystyle c\,F_{3}(a_{1},a_{2},b_{1},b_{2},c;x,y)+(a_{1}+a_{2}-c)F_{3}(a_{1},a_{2},b_{1},b_{2},c+1;x,y)-a_{1}F_{3}(a_{1}+1,a_{2},b_{1},b_{2},c+1;x,y)-a_{2}F_{3}(a_{1},a_{2}+1,b_{1},b_{2},c+1;x,y)=0~,}$${\displaystyle c\,F_{3}(a_{1},a_{2},b_{1},b_{2},c;x,y)-c\,F_{3}(a_{1}+1,a_{2},b_{1},b_{2},c;x,y)+b_{1}x\,F_{3}(a_{1}+1,a_{2},b_{1}+1,b_{2},c+1;x,y)=0~,}$${\displaystyle c\,F_{3}(a_{1},a_{2},b_{1},b_{2},c;x,y)-c\,F_{3}(a_{1},a_{2}+1,b_{1},b_{2},c;x,y)+b_{2}y\,F_{3}(a_{1},a_{2}+1,b_{1},b_{2}+1,c+1;x,y)=0~,}$${\displaystyle c\,F_{3}(a_{1},a_{2},b_{1},b_{2},c;x,y)-c\,F_{3}(a_{1},a_{2},b_{1}+1,b_{2},c;x,y)+a_{1}x\,F_{3}(a_{1}+1,a_{2},b_{1}+1,b_{2},c+1;x,y)=0~,}$${\displaystyle c\,F_{3}(a_{1},a_{2},b_{1},b_{2},c;x,y)-c\,F_{3}(a_{1},a_{2},b_{1},b_{2}+1,c;x,y)+a_{2}y\,F_{3}(a_{1},a_{2}+1,b_{1},b_{2}+1,c+1;x,y)=0~.}$

Для функции Аппеля F ₁ получают следующие производные:

${\displaystyle {\frac {\partial ^{n}}{\partial x^{n}}}F_{1}(a,b_{1},b_{2},c;x,y)={\frac {\left(a\right)_{n}\left(b_{1}\right)_{n}}{\left(c\right)_{n}}}F_{1}(a+n,b_{1}+n,b_{2},c+n;x,y)}$

${\displaystyle {\frac {\partial ^{n}}{\partial y^{n}}}F_{1}(a,b_{1},b_{2},c;x,y)={\frac {\left(a\right)_{n}\left(b_{2}\right)_{n}}{\left(c\right)_{n}}}F_{1}(a+n,b_{1},b_{2}+n,c+n;x,y)}$

Из определения следует, что функция Аппеля F₁ удовлетворяет следующей системе дифференциальных уравнений второго порядка:

${\displaystyle x(1-x){\frac {\partial ^{2}F_{1}(x,y)}{\partial x^{2}}}+y(1-x){\frac {\partial ^{2}F_{1}(x,y)}{\partial x\partial y}}+[c-(a+b_{1}+1)x]{\frac {\partial F_{1}(x,y)}{\partial x}}-b_{1}y{\frac {\partial F_{1}(x,y)}{\partial y}}-ab_{1}F_{1}(x,y)=0}$

${\displaystyle y(1-y){\frac {\partial ^{2}F_{1}(x,y)}{\partial y^{2}}}+x(1-y){\frac {\partial ^{2}F_{1}(x,y)}{\partial x\partial y}}+[c-(a+b_{2}+1)y]{\frac {\partial F_{1}(x,y)}{\partial y}}-b_{2}x{\frac {\partial F_{1}(x,y)}{\partial x}}-ab_{2}F_{1}(x,y)=0}$

Система уравнений в частных производных для F ₂ имеет вид:

${\displaystyle x(1-x){\frac {\partial ^{2}F_{2}(x,y)}{\partial x^{2}}}-xy{\frac {\partial ^{2}F_{2}(x,y)}{\partial x\partial y}}+[c_{1}-(a+b_{1}+1)x]{\frac {\partial F_{2}(x,y)}{\partial x}}-b_{1}y{\frac {\partial F_{2}(x,y)}{\partial y}}-ab_{1}F_{2}(x,y)=0}$

${\displaystyle y(1-y){\frac {\partial ^{2}F_{2}(x,y)}{\partial y^{2}}}-xy{\frac {\partial ^{2}F_{2}(x,y)}{\partial x\partial y}}+[c_{2}-(a+b_{2}+1)y]{\frac {\partial F_{2}(x,y)}{\partial y}}-b_{2}x{\frac {\partial F_{2}(x,y)}{\partial x}}-ab_{2}F_{2}(x,y)=0}$

Система имеет решение:

${\displaystyle F_{2}(x,y)=C_{1}F_{2}(a,b_{1},b_{2},c_{1},c_{2};x,y)+C_{2}x^{1-c_{1}}F_{2}(a-c_{1}+1,b_{1}-c_{1}+1,b_{2},2-c_{1},c_{2};x,y)+C_{3}y^{1-c_{2}}F_{2}(a-c_{2}+1,b_{1},b_{2}-c_{2}+1,c_{1},2-c_{2};x,y)+C_{4}x^{1-c_{1}}y^{1-c_{2}}F_{2}(a-c_{1}-c_{2}+2,b_{1}-c_{1}+1,b_{2}-c_{2}+1,2-c_{1},2-c_{2};x,y)}$

Аналогично, для F ₃ из определения вытекают следующие производные:

${\displaystyle {\frac {\partial }{\partial x}}F_{3}(a_{1},a_{2},b_{1},b_{2},c;x,y)={\frac {a_{1}b_{1}}{c}}F_{3}(a_{1}+1,a_{2},b_{1}+1,b_{2},c+1;x,y)}$

${\displaystyle {\frac {\partial }{\partial y}}F_{3}(a_{1},a_{2},b_{1},b_{2},c;x,y)={\frac {a_{2}b_{2}}{c}}F_{3}(a_{1},a_{2}+1,b_{1},b_{2}+1,c+1;x,y)}$

Система дифференциальных уравнений для F ₃ получается следующая:

${\displaystyle x(1-x){\frac {\partial ^{2}F_{3}(x,y)}{\partial x^{2}}}+y{\frac {\partial ^{2}F_{3}(x,y)}{\partial x\partial y}}+[c-(a_{1}+b_{1}+1)x]{\frac {\partial F_{3}(x,y)}{\partial x}}-a_{1}b_{1}F_{3}(x,y)=0}$

${\displaystyle y(1-y){\frac {\partial ^{2}F_{3}(x,y)}{\partial y^{2}}}+x{\frac {\partial ^{2}F_{3}(x,y)}{\partial x\partial y}}+[c-(a_{2}+b_{2}+1)y]{\frac {\partial F_{3}(x,y)}{\partial y}}-a_{2}b_{2}F_{3}(x,y)=0}$

Система уравнений в частных производных для F ₄ имеет вид:

${\displaystyle x(1-x){\frac {\partial ^{2}F_{4}(x,y)}{\partial x^{2}}}-y^{2}{\frac {\partial ^{2}F_{4}(x,y)}{\partial y^{2}}}-2xy{\frac {\partial ^{2}F_{4}(x,y)}{\partial x\partial y}}+[c_{1}-(a+b+1)x]{\frac {\partial F_{4}(x,y)}{\partial x}}-(a+b+1)y{\frac {\partial F_{4}(x,y)}{\partial y}}-abF_{4}(x,y)=0}$${\displaystyle y(1-y){\frac {\partial ^{2}F_{4}(x,y)}{\partial y^{2}}}-x^{2}{\frac {\partial ^{2}F_{4}(x,y)}{\partial x^{2}}}-2xy{\frac {\partial ^{2}F_{4}(x,y)}{\partial x\partial y}}+[c_{2}-(a+b+1)y]{\frac {\partial F_{4}(x,y)}{\partial y}}-(a+b+1)x{\frac {\partial F_{4}(x,y)}{\partial x}}-abF_{4}(x,y)=0}$

Система имеет решение:

${\displaystyle F_{4}(x,y)=C_{1}F_{4}(a,b,c_{1},c_{2};x,y)+C_{2}x^{1-c_{1}}F_{4}(a-c_{1}+1,b-c_{1}+1,2-c_{1},c_{2};x,y)+C_{3}y^{1-c_{2}}F_{4}(a-c_{2}+1,b-c_{2}+1,c_{1},2-c_{2};x,y)+C_{4}x^{1-c_{1}}y^{1-c_{2}}F_{4}(2+a-c_{1}-c_{2},2+b-c_{1}-c_{2},2-c_{1},2-c_{2};x,y)}$

Четыре функции Аппеля, могут быть представлены в терминах двойных интегралов, включающих только элементарные функции^[5]. Однако Эмиль Пикар обнаружил, что F ₁ Аппеля также может быть записана как одномерный интеграл Эйлера:

${\displaystyle F_{1}(a,b_{1},b_{2},c;x,y)={\frac {\Gamma (c)}{\Gamma (a)\Gamma (c-a)}}\int _{0}^{1}t^{a-1}(1-t)^{c-a-1}(1-xt)^{-b_{1}}(1-yt)^{-b_{2}}\,\mathrm {d} t,\quad \Re \,c>\Re \,a>0~.}$

Это представление можно проверить с помощью разложения подынтегрального выражения в ряд Тейлора с последующим почленным интегрированием.

Интегральное представление Пикара подразумевает, что неполные эллиптические интегралы F и E, а также полный эллиптический интеграл Π являются частными случаями F ₁ Аппеля:

${\displaystyle F(\phi ,k)=\int _{0}^{\phi }{\frac {\mathrm {d} \theta }{\sqrt {1-k^{2}\sin ^{2}\theta }}}=\sin(\phi )\,F_{1}({\tfrac {1}{2}},{\tfrac {1}{2}},{\tfrac {1}{2}},{\tfrac {3}{2}};\sin ^{2}\phi ,k^{2}\sin ^{2}\phi ),\quad |\Re \,\phi |<{\frac {\pi }{2}}~,}$

${\displaystyle E(\phi ,k)=\int _{0}^{\phi }{\sqrt {1-k^{2}\sin ^{2}\theta }}\,\mathrm {d} \theta =\sin(\phi )\,F_{1}({\tfrac {1}{2}},{\tfrac {1}{2}},-{\tfrac {1}{2}},{\tfrac {3}{2}};\sin ^{2}\phi ,k^{2}\sin ^{2}\phi ),\quad |\Re \,\phi |<{\frac {\pi }{2}}~,}$

${\displaystyle \Pi (n,k)=\int _{0}^{\pi /2}{\frac {\mathrm {d} \theta }{(1-n\sin ^{2}\theta ){\sqrt {1-k^{2}\sin ^{2}\theta }}}}={\frac {\pi }{2}}\,F_{1}({\tfrac {1}{2}},1,{\tfrac {1}{2}},1;n,k^{2})~.}$

• Функции Аппеля — это первые четыре функции в наборе 34 гипергеометрических функций Хорна двух переменных.
• Функции Аппеля являются частными случаями функции Кампе де Ферье, которая является общей гипергеометрической функцией двух переменных. Функция Кампе де Ферье может быть использована для представления производных p F q по параметрам и кратным интегралам G-функции Мейера.
• Дальнейшие гипергеометрические обобщения на n измерений включают функции Лауричеллы, которые являются очень общими и очень сложными. Для n = 2 они сводятся к функциям Аппеля F 1 — F 4 , тогда как для n = 1 мы получаем гипергеометрическую функцию Гаусса 2 F 1 .
• Существует семь связанных рядов двух переменных, Φ ₁ , Φ ₂ , Φ ₃ , Ψ ₁ , Ψ ₂ , Ξ ₁ и Ξ ₂ , которые обобщают конфлюэнтную гипергеометрическую функцию Куммера ₁ F ₁ одной переменной и конфлюэнтную гипергеометрическую предельную функцию ₀ F ₁ одной переменной аналогичным образом. Первый из них был введён Пьером Гумбертом в 1920 году.
• Функции Аппеля реализованы в языке Wolfram Language как AppellF1 [ a , b1 , b2 , c , x , y ], AppellF2 [ a , b1 , b2 , c1 , c2 , x , y ], AppellF3 [ a1 , a2 b1 , b2 , c , x , y ] и AppellF4 [ a , b , c1 , c2 , x , y ].