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과학

게겐바우어 다항식

게겐바우어 다항식과학
영문명
Gegenbauer polynomials
다른 이름
Ultraspherical polynomials
대표 기호
C_n^(α)(x)
직교 구간
−1부터 1
게겐바우어 다항식은 모수에 따라 가중함수와 모양이 달라지는 직교다항식 계열이다. 초구면 다항식이라고도 하며 르장드르와 체비쇼프 계열을 연결하는 특수한 경우를 가진다.

차수와 모수를 구분한다

n은 다항식의 차수이고 α는 계열의 형태를 정하는 모수다. 표준형은 (1−x²)y″−(2α+1)xy′+n(n+2α)y=0을 만족한다. 여기서는 퇴화 조건을 피하는 양의 α를 생각한다. 미분방정식의 해에 상수를 곱해도 같은 식을 만족하므로 표준 정규화까지 정해야 구체적인 다항식이 정해진다.

낮은 차수의 다항식

표준형에서 C_0=1, C_1=2αx, C_2=2α(α+1)x²−α다. α=1이면 0차부터 1,2x,4x²−1을 얻는다. α=1/2이면 1,x,(3x²−1)/2로 르장드르 계열과 맞는다. 같은 차수 2라도 모수에 따라 계수와 영점이 바뀌므로 차수만으로 함수값을 결정할 수 없다.

가중치가 있는 직교성

고정한 모수에서 서로 다른 차수의 다항식들은 구간 [−1,1]에서 가중함수 (1−x²)^(α−1/2)에 대해 직교한다. 즉 두 다항식의 곱에 이 가중치를 곱해 적분하면 0이다. α=1/2에서는 가중치가 1이지만 α=1에서는 √(1−x²)다. 가중치를 생략한 보통의 내적에서도 모든 모수에 같은 직교성이 남는 것은 아니다.

최고차항 정규화

α=1의 표준 2차식 4x²−1을 최고차항 계수가 1인 형태로 바꾸면 x²−1/4다. 두 식의 영점은 같고 상수배이므로 직교 관계도 유지되지만 함수값과 노름은 다르다. 표준형과 모닉 형태를 혼용하면 전개 계수도 달라진다. 직교 기저로 사용할 때는 모수와 가중치, 정규화 규약을 함께 맞춰야 한다.

관련 문서

르장드르 다항식 / 체비쇼프 다항식 / 야코비 다항식 / 직교다항식 / 미분방정식 / 다항식