切比雪夫多項式

切比雪夫多項式

切比雪夫多項式是以俄國著名數學家切比雪夫(Tschebyscheff,又譯契貝雪夫等,1821一1894)的名字命名的重要的特殊函式,第一類切比雪夫多項式Tn和第二類切比雪夫多項式Un(簡稱切比雪夫多項式)。源起於多倍角的餘弦函式和正弦函式的展開式,是與棣美弗定理有關、以遞歸方式定義的多項式序列,是計算數學中的一類特殊函式,對於注入連續函式逼近問題,阻抗變換問題等等的數學、物理學、技術科學中的近似計算有著非常重要的作用 。

源來

切比雪夫多項式 切比雪夫多項式

切比雪夫多項式在逼近理論中有重要的套用。這是因為第一類切比雪夫多項式的根(被稱為切比雪夫節點)可以用於多項式插值。相應的插值多項式能最大限度地降低龍格現象,並且提供多項式在連續函式的最佳一致逼近。

基本性質

對每個非負整數n, Tn(x) 和 Un(x) 都為 n次多項式。 並且當n為偶(奇)數時,它們是關於x 的偶(奇)函式, 在寫成關於x的多項式時只有偶(奇)次項 。

切比雪夫多項式 切比雪夫多項式
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n 1時,Tn的最高次項係數為 ,n=0時係數為1。

切比雪夫多項式分類

在微分方程的研究中,數學家提出切比雪夫微分方程:

切比雪夫多項式 切比雪夫多項式
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相應地,第一類和第二類切比雪夫多項式分別為這兩個方程的解 。

第一類切比雪夫多項式

由以下遞推關係確定

切比雪夫多項式 切比雪夫多項式

也可以用母函式表示

切比雪夫多項式 切比雪夫多項式

第二類切比雪夫多項式

由以下遞推關係給出

切比雪夫多項式 切比雪夫多項式

此時母函式為

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兩類切比雪夫多項式間的關係

兩類切比雪夫多項式間還有如下關係 :

切比雪夫多項式 切比雪夫多項式

切比雪夫多項式是超球多項式或蓋根堡多項式的特例,後者是雅可比多項式的特例。

切比雪夫多項式導數形式的遞推關係可以由下面的關係式推出:

切比雪夫多項式 切比雪夫多項式

套用

切比雪夫多項式在逼近理論中有重要的套用。這是因為第一類切比雪夫多項式的根(被稱為切比雪夫節點)可以用於多項式插值。相應的插值多項式能最大限度地降低龍格現象,並且提供多項式在連續函式的最佳一致逼近。

切比雪夫多項式插值

切比雪夫多項式在逼近理論中有重要的套用。這是因為第一類切比雪夫多項式的根(被稱為切比雪夫節點)可以用於多項式插值 。相應的插值多項式能最大限度地降低龍格現象,並且提供多項式在連續函式的最佳一致逼近。

冪級數項數的節約

設f(x)在(1,1)上的近似展開式為

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其中 是給定的誤差限.可以利用切比雪夫多項式將Pn(x)重新組合以降低逼近多項式的次數。記

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則可以把後面m項去掉,得到f(x)新的,n-m次的並滿足誤差要求的逼近多項式

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事實上,只要注意

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並利用範數的三角不等式,容易證明

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切比雪夫多項式一直是研究熱點,目前已發現了許多良好的性質,如正交性、奇偶性、有界性、完備性等,產生了不少恆等式,得到了一些積和式,對第一類切比雪夫多項式構成的遞推關係式、不動點、方程(組)也有了初步的研究成果,對切比雪夫型基本方程組全體複數解的一般表示及其周期軌表示、二維切比雪夫型方程組也出現了更深入的研究。有的學者則研究了其在分子軌道方面的套用,在Fibonacci數的套用,還有學者研究了與切比雪夫多項式相關的行列式。

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