定義
數學上, 勒讓德函式指以下 勒讓德微分方程的解:
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為求解方便一般也寫成如下施圖姆-劉維爾形式(Sturm-Liouville form):
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上述方程及其解函式因法國數學家阿德里安-馬里·勒讓德而得名。勒讓德方程是物理學和其他技術領域常常遇到的一類常微分方程。當試圖在球坐標中求解三維拉普拉斯方程(或相關的其他偏微分方程)時,問題便會歸結為勒讓德方程的求解。
勒讓德方程的解可寫成標準的冪級數形式。當方程滿足 | x| < 1 時,可得到有界解(即解級數收斂)。並且當 n為非負整數,即 n= 0, 1, 2,... 時,在 x= ± 1 點亦有有界解。這種情況下,隨 n值變化方程的解相應變化,構成一組由正交多項式組成的多項式序列,這組多項式稱為 勒讓德多項式(Legendre polynomials)。
勒讓德多項式P( x)是 n階多項式,可用羅德里格公式表示為:
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正交性
勒讓德多項式的一個重要性質是其在區間 −1 ≤ x≤ 1 關於L內積滿足正交性,即:
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其中 δ為克羅內克δ記號,當 m= n時為1,否則為0。 事實上,推導勒讓德多項式的另一種方法便是關於前述內積空間對多項式{1, x, x, ...}進行格拉姆-施密特正交化。之所以具有此正交性是因為如前所述,勒讓德微分方程可化為標準的Sturm-Liouville問題:
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其中本徵值 λ 對應於原方程中的 n( n+1)。
其他性質
奇偶性
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當階數 k為偶數時, 為偶函式;當階數 k為奇數時, 為奇函式,即:
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遞推關係
相鄰的三個勒讓德多項式具有三項遞推關係式:
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另外,考慮微分後還有以下遞推關係:
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其中最後一個式子在計算勒讓德多項式的積分中較為有用。
移位多項式
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移位勒讓德多項式的正交區間定義在[0,1]上,即:
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其顯式表達式為:
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相應的羅德里格公式為:
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分數階多項式
分數階勒讓德多項式通過將分數階微分(定義參見分數微積分理論)和通過Γ函式定義的非整數階乘代入羅德里格公式中來定義。
極限關係
大Q勒讓德多項式→ 勒讓德多項式
令大q雅可比多項式中的c=0,即勒讓德多項式
令連續q勒讓德多項式q->1得勒讓德多項式
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小q勒讓德多項式→ 勒讓德多項式
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