M. Abramowitz and I. A. Stegun, eds. Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs, and Mathematical Tables, Chapter 22. New York: Dover, 1972.
四月 19, 2023
切比雪夫多项式, chebyshev, polynomials, 是与棣莫弗定理有关, 以递归方式定义的一系列正交多项式序列, 通常, 第一类以符号tn表示, 第二类用un表示, 代表n阶多项式, 在逼近理论中有重要的应用, 这是因为第一类的根, 被称为切比雪夫节点, 可以用于多项式插值, 相应的插值多项式能最大限度地降低龙格现象, 并且提供多项式在连续函数的最佳一致逼近, 在微分方程的研究中, 切比雪夫提出切比雪夫微分方程, displaystyle, displaystyle, 相应地, 第一类和第二类分别为这. 切比雪夫多项式 Chebyshev polynomials 是与棣莫弗定理有关 以递归方式定义的一系列正交多项式序列 通常 第一类切比雪夫多项式以符号Tn表示 第二类切比雪夫多项式用Un表示 切比雪夫多项式 Tn 或 Un 代表n阶多项式 切比雪夫多项式在逼近理论中有重要的应用 这是因为第一类切比雪夫多项式的根 被称为切比雪夫节点 可以用于多项式插值 相应的插值多项式能最大限度地降低龙格现象 并且提供多项式在连续函数的最佳一致逼近 在微分方程的研究中 切比雪夫提出切比雪夫微分方程 1 x 2 y x y n 2 y 0 displaystyle 1 x 2 y x y n 2 y 0 和 1 x 2 y 3 x y n n 2 y 0 displaystyle 1 x 2 y 3x y n n 2 y 0 相应地 第一类和第二类切比雪夫多项式分别为这两个方程的解 这些方程是斯图姆 刘维尔微分方程的特殊情形 目录 1 定义 2 从三角函数定义 3 以佩尔方程定义 4 递归公式 5 正交性 6 基本性质 7 最小零偏差 8 两类切比雪夫多项式间的关系 9 例子 10 按切比雪夫多项式的展开式 11 切比雪夫根 12 参看 13 参考定义 编辑第一类切比雪夫多项式由以下递推关系确定 T 0 x 1 displaystyle T 0 x 1 T 1 x x displaystyle T 1 x x T n 1 x 2 x T n x T n 1 x displaystyle T n 1 x 2xT n x T n 1 x 也可以用母函数表示 n 0 T n x t n 1 t x 1 2 t x t 2 displaystyle sum n 0 infty T n x t n frac 1 tx 1 2tx t 2 第二类切比雪夫多项式由以下递推关系给出 U 0 x 1 displaystyle U 0 x 1 U 1 x 2 x displaystyle U 1 x 2x U n 1 x 2 x U n x U n 1 x displaystyle U n 1 x 2xU n x U n 1 x 此时母函数为 n 0 U n x t n 1 1 2 t x t 2 displaystyle sum n 0 infty U n x t n frac 1 1 2tx t 2 从三角函数定义 编辑 切比雪夫多项式 第一类切比雪夫多项式由以下三角恒等式确定 T n cos 8 cos n 8 displaystyle T n cos theta cos n theta 其中 n 0 1 2 3 cos n 8 displaystyle cos n theta 是关于 cos 8 displaystyle cos theta 的 n次多项式 这个事实可以这么看 cos n 8 displaystyle cos n theta 是 cos 8 i sin 8 n e i n 8 cos n 8 i sin n 8 displaystyle cos theta i sin theta n e in theta cos n theta i sin n theta 的实部 参见棣莫弗公式 而从左边二项展开式可以看出实部中出现含sin 8 displaystyle sin theta 的项中 sin 8 displaystyle sin theta 都是偶数次的 从而可以表示成 1 cos 2 8 displaystyle 1 cos 2 theta 的幂 用显式来表示 T n x cos n arccos x x 1 1 cosh n a r c c o s h x x 1 1 n cosh n a r c c o s h x x 1 displaystyle T n x begin cases cos n arccos x amp x in 1 1 cosh n mathrm arccosh x amp x geq 1 1 n cosh n mathrm arccosh x amp x leq 1 end cases 尽管能经常碰到上面的表达式 但如果借助于复函数cos z cosh z 以及他们的反函数 则有 T n x cos n arccos x c o s h n a r c c o s h x x R displaystyle begin matrix T n x amp amp cos n arccos x amp amp mathrm cosh n mathrm arccosh x end matrix quad forall x in mathbb R 类似 第二类切比雪夫多项式满足 U n cos 8 sin n 1 8 sin 8 displaystyle U n cos theta frac sin n 1 theta sin theta 以佩尔方程定义 编辑切比雪夫多项式可被定义为佩尔方程 T i 2 x 2 1 U i 1 2 1 displaystyle T i 2 x 2 1 U i 1 2 1 在多项式环R x 上的解 e g 见 Demeyer 2007 p 70 因此它们的表达式可通过解佩尔方程而得出 T i U i 1 x 2 1 x x 2 1 i displaystyle T i U i 1 sqrt x 2 1 x sqrt x 2 1 i 递归公式 编辑两类切比雪夫多项式可由以下双重递归关系式中直接得出 T 0 x 1 displaystyle T 0 x 1 U 1 x 1 displaystyle U 1 x 1 T n 1 x x T n x 1 x 2 U n 1 x displaystyle T n 1 x xT n x 1 x 2 U n 1 x U n x x U n 1 x T n x displaystyle U n x xU n 1 x T n x 证明的方式是在下列三角关系式中用cos ϑ displaystyle cos vartheta 代替x displaystyle x T n 1 x T n 1 cos ϑ displaystyle T n 1 x T n 1 cos vartheta cos n 1 ϑ displaystyle cos n 1 vartheta cos n ϑ cos ϑ sin n ϑ sin ϑ displaystyle cos n vartheta cos vartheta sin n vartheta sin vartheta T n cos ϑ cos ϑ U n 1 cos ϑ sin 2 ϑ displaystyle T n cos vartheta cos vartheta U n 1 cos vartheta sin 2 vartheta x T n x 1 x 2 U n 1 x displaystyle xT n x 1 x 2 U n 1 x 正交性 编辑Tn 和Un 都是区间 1 1 上的正交多项式系 第一类切比雪夫多项式带权 1 1 x 2 displaystyle frac 1 sqrt 1 x 2 即 1 1 T n x T m x d x 1 x 2 0 n m p n m 0 p 2 n m 0 displaystyle int 1 1 T n x T m x frac dx sqrt 1 x 2 left begin matrix 0 amp n neq m pi amp n m 0 pi 2 amp n m neq 0 end matrix right 可先令x cos 8 利用 Tn cos 8 cos n8 便可证明 类似地 第二类切比雪夫多项式带权 1 x 2 displaystyle sqrt 1 x 2 即 1 1 U n x U m x 1 x 2 d x 0 n m p 2 n m displaystyle int 1 1 U n x U m x sqrt 1 x 2 dx begin cases 0 amp n neq m pi 2 amp n m end cases 其正交化后形成的随机变量是 Wigner 半圆分布 基本性质 编辑对每个非负整数n displaystyle n T n x displaystyle T n x 和 U n x displaystyle U n x 都为 n displaystyle n 次多项式 并且当n displaystyle n 为偶 奇 数时 它们是关于x displaystyle x 的偶 奇 函数 在写成关于x displaystyle x 的多项式时只有偶 奇 次项 n 1 displaystyle n geq 1 时 T n displaystyle T n 的最高次项系数为 2 n 1 displaystyle 2 n 1 n 0 displaystyle n 0 时系数为1 displaystyle 1 最小零偏差 编辑对n 1 displaystyle n geq 1 在所有最高次项系数为1的n displaystyle n 次多项式中 f x 1 2 n 1 T n x displaystyle f x frac 1 2 n 1 T n x 对零的偏差最小 即它是使得f x displaystyle f x 在 1 1 displaystyle 1 1 上绝对值的最大值最小的多项式 其绝对值的最大值为1 2 n 1 displaystyle frac 1 2 n 1 分别在 1 displaystyle 1 1 displaystyle 1 及 f displaystyle f 的其他 n 1 displaystyle n 1 个极值点上达到 两类切比雪夫多项式间的关系 编辑两类切比雪夫多项式间还有如下关系 d d x T n x n U n 1 x n 1 displaystyle frac d dx T n x nU n 1 x mbox n 1 ldots T n x 1 2 U n x U n 2 x displaystyle T n x frac 1 2 U n x U n 2 x T n 1 x x T n x 1 x 2 U n 1 x displaystyle T n 1 x xT n x 1 x 2 U n 1 x T n x U n x x U n 1 x displaystyle T n x U n x x U n 1 x 切比雪夫多项式是超球多项式或盖根堡多项式的特例 后者是雅可比多项式的特例 切比雪夫多项式导数形式的递推关系可以由下面的关系式推出 2 T n x 1 n 1 d d x T n 1 x 1 n 1 d d x T n 1 x n 1 2 displaystyle 2T n x frac 1 n 1 frac d dx T n 1 x frac 1 n 1 frac d dx T n 1 x mbox quad n 1 2 ldots 例子 编辑 前六个第一类切比雪夫多项式的图像 其中 1 lt x lt 1 1 lt y lt 1 按颜色依次是T0 T1 T2 T3 T4 T5 前几个第一类切比雪夫多项式是 T 0 x 1 displaystyle T 0 x 1 T 1 x x displaystyle T 1 x x T 2 x 2 x 2 1 displaystyle T 2 x 2x 2 1 T 3 x 4 x 3 3 x displaystyle T 3 x 4x 3 3x T 4 x 8 x 4 8 x 2 1 displaystyle T 4 x 8x 4 8x 2 1 T 5 x 16 x 5 20 x 3 5 x displaystyle T 5 x 16x 5 20x 3 5x T 6 x 32 x 6 48 x 4 18 x 2 1 displaystyle T 6 x 32x 6 48x 4 18x 2 1 T 7 x 64 x 7 112 x 5 56 x 3 7 x displaystyle T 7 x 64x 7 112x 5 56x 3 7x T 8 x 128 x 8 256 x 6 160 x 4 32 x 2 1 displaystyle T 8 x 128x 8 256x 6 160x 4 32x 2 1 T 9 x 256 x 9 576 x 7 432 x 5 120 x 3 9 x displaystyle T 9 x 256x 9 576x 7 432x 5 120x 3 9x 前六个第二类切比雪夫多项式的图像 其中 1 lt x lt 1 1 lt y lt 1 按颜色依次是U0 U1 U2 U3 U4 U5 虽然图像中无法显示 我们实际有 Un 1 n 1 以及 Un 1 n 1 1 n 前几个第二类切比雪夫多项式是 U 0 x 1 displaystyle U 0 x 1 U 1 x 2 x displaystyle U 1 x 2x U 2 x 4 x 2 1 displaystyle U 2 x 4x 2 1 U 3 x 8 x 3 4 x displaystyle U 3 x 8x 3 4x U 4 x 16 x 4 12 x 2 1 displaystyle U 4 x 16x 4 12x 2 1 U 5 x 32 x 5 32 x 3 6 x displaystyle U 5 x 32x 5 32x 3 6x U 6 x 64 x 6 80 x 4 24 x 2 1 displaystyle U 6 x 64x 6 80x 4 24x 2 1 第一类切比雪夫多项式前几阶导数是 T n 1 n 2 displaystyle T n 1 n 2 T n 1 1 n n 2 displaystyle T n 1 1 n n 2 T n 1 n 4 n 2 3 displaystyle T n 1 n 4 n 2 3 T n 1 1 n n 4 n 2 3 displaystyle T n 1 1 n n 4 n 2 3 按切比雪夫多项式的展开式 编辑一个N 次多项式按切比雪夫多项式的展开式为如下 p x n 0 N a n T n x displaystyle p x sum n 0 N a n T n x 多项式按切比雪夫多项式的展开可以用 Clenshaw递推公式计算 切比雪夫根 编辑两类的n次切比雪夫多项式在区间 1 1 上都有n 个不同的根 称为切比雪夫根 有时亦称做 切比雪夫节点 英语 Chebyshev nodes 因为是多项式插值时的 插值点 从三角形式中可看出Tn 的n个根分别是 x i cos 2 i 1 2 n p i 1 n displaystyle x i cos left frac 2i 1 2n pi right mbox i 1 ldots n 类似地 Un 的n个根分别是 x i cos i n 1 p i 1 n displaystyle x i cos left frac i n 1 pi right mbox i 1 ldots n 参看 编辑切比雪夫节点 英语 Chebyshev nodes 切比雪夫滤波器参考 编辑M Abramowitz and I A Stegun eds Handbook of Mathematical Functions with Formulas Graphs and Mathematical Tables Chapter 22 New York Dover 1972 取自 https zh wikipedia org w index php title 切比雪夫多项式 amp oldid 68703063, 维基百科,wiki,书籍,书籍,图书馆,