查看“︁Meijer G-函数”︁的源代码


'''Meijer G-函数'''是荷兰数学家[[科内利斯·西蒙·梅耶尔|梅耶尔]]引入的一种[[特殊函数]]。它是[[广义超几何函数]]的推广，绝大多数的特殊函数都可以用 Meijer {{mvar|G}}-函数表示出来。

== 定义 ==
广义超几何函数有下列一般的积分表达式（参见[[广义超几何函数#积分表达式|相关小节]]）：
:<math>\left(\prod_{k=1}^p\Gamma(a_k)\right/\left.\prod_{k=1}^q\Gamma(b_k)\right)\,{}_pF_q\left[
\begin{matrix}a_1&a_2&\ldots&a_p\\b_1&b_2&\ldots&b_q\end{matrix};z\right]=\frac 1{2\pi i}\int_C
\left(\prod_{k=1}^p\Gamma(a_k+s)\right/\left.\prod_{k=1}^q\Gamma(b_k+s)\right)\Gamma(-s)(-z)^s\mathrm ds</math>

其中积分路径 {{mvar|C}} 视参数 {{mvar|p}}, {{mvar|q}} 的相对大小而定。上面的积分表达式具有 [[Mellin 变换|Mellin 逆变换]]的形式。

Meijer-{{mvar|G}} 函数是上面积分表达式的一个推广，它的定义为：

:<math>G^{m,n}_{p,q}\left[
\begin{matrix}a_1&a_2&\ldots&a_p\\b_1&b_2&\ldots&b_q\end{matrix};z\right]=\frac 1{2\pi i}\int_C
z^s\left.\left(\prod_{k=1}^n\Gamma(1-a_k+s)\right/\left.\prod_{k=m+1}^q\Gamma(1-b_k+s)\right)\right/
\left(\prod_{k=n+1}^p\Gamma(a_k-s)\right/\left.\prod_{k=1}^m\Gamma(b_k-s)\right)\mathrm ds</math>

其中积分路径 {{mvar|C}} 视参数的相对大小而定<ref group=注 name=dlmf1617>具体可参见[http://dlmf.nist.gov/16.17 DLMF上的图] {{Wayback|url=http://dlmf.nist.gov/16.17 |date=20201205140943 }}</ref>。但是，为了保证至少一条积分路径有定义，要求
:<math>a_k-b_l\notin \mathbb Z^+,\quad \forall k=1,2,\dots, n; l=1,2,\dots, m</math>

在书写 Meijer-{{mvar|G}} 函数时要注意，上标中的第一个参数和下标中的第二个参数对应的是 {{mvar|b}}<sub>{{mvar|k}}</sub>，而上标中的第二个参数和下标中的第一个参数对应的是 {{mvar|a}}<sub>{{mvar|k}}</sub>。

对比上述两式可以得到广义超几何函数和 Meijer-{{mvar|G}} 函数的关系：
:<math>\begin{array}{cl}&\frac{\prod_{k=1}^p\Gamma(a_k)}{\prod_{k=1}^q\Gamma(b_k)}\,{}_pF_q\left[
\begin{matrix}a_1&a_2&\ldots&a_p\\b_1&b_2&\ldots&b_q\end{matrix};z\right]\\
=&G^{1,p}_{p,q+1}\left[
\begin{matrix}1-a_1&1-a_2&\ldots&1-a_p\\0&1-b_1&\ldots&1-b_q\end{matrix};-z\right]\\
=&G^{p,1}_{q+1,p}\left[
\begin{matrix}1&b_1&\ldots&b_q\\a_1&a_2&\ldots&a_p\end{matrix};-\frac 1z\right]\end{array}</math>

== 基本性质 ==
和广义超几何函数一样，如果上下两个向量组在合适的位置有相同的元素，则 Meijer-{{mvar|G}} 函数可以降阶，此处不再赘述。

=== 一般关系式 ===
Meijer-{{mvar|G}} 函数的[[导函数]]具有下列性质：
:<math>
z^h \frac{\mathrm d^h}{\mathrm dz^h} \; G_{p,q}^{\,m,n} \!\left( \left. \begin{matrix} \mathbf{a_p} \\ \mathbf{b_q} \end{matrix} \; \right| \, z \right) =
G_{p+1,\,q+1}^{\,m,\,n+1} \!\left( \left. \begin{matrix} 0, \mathbf{a_p} \\ \mathbf{b_q}, h \end{matrix} \; \right| \, z \right) =
(-1)^h \; G_{p+1,\,q+1}^{\,m+1,\,n} \!\left( \left. \begin{matrix} \mathbf{a_p}, 0 \\ h, \mathbf{b_q} \end{matrix} \; \right| \, z \right),
</math>

注意 {{mvar|h}} 可以取任意整数值，取负数时表示[[不定积分]]。

另一方面，
:<math>
z^{\rho} \; G_{p,q}^{\,m,n} \!\left( \left. \begin{matrix} \mathbf{a_p} \\ \mathbf{b_q} \end{matrix} \; \right| \, z \right) =
G_{p,q}^{\,m,n} \!\left( \left. \begin{matrix} \mathbf{a_p} + \rho \\ \mathbf{b_q} + \rho \end{matrix} \; \right| \, z \right),
</math>

:<math>
G_{p,q}^{\,m,n} \!\left( \left. \begin{matrix} \mathbf{a_p} \\ \mathbf{b_q} \end{matrix} \; \right| \, z \right) =
G_{q,p}^{\,n,m} \!\left( \left. \begin{matrix} 1-\mathbf{b_q} \\ 1-\mathbf{a_p} \end{matrix} \; \right| \, z^{-1} \right),
</math>

:<math>
\left(z \frac{\mathrm d}{\mathrm dz}-a_1+1\right) \; G_{p,q}^{\,m,n} \!\left( \left. \begin{matrix} \mathbf{a_p} \\ \mathbf{b_q} \end{matrix} \; \right| \, z \right) =
G_{p,q}^{\,m,n} \!\left( \left. \begin{matrix} a_1 -1, a_2, \dots, a_p \\ \mathbf{b_q} \end{matrix} \; \right| \, z \right)\quad n \geq 1.
</math>

:<math>
\left(a_p-z \frac{\mathrm d}{\mathrm dz}-1\right) \; G_{p,q}^{\,m,n} \!\left( \left. \begin{matrix} \mathbf{a_p} \\ \mathbf{b_q} \end{matrix} \; \right| \, z \right) =
G_{p,q}^{\,m,n} \!\left( \left. \begin{matrix} a_1 , a_2, \dots, a_p-1 \\ \mathbf{b_q} \end{matrix} \; \right| \, z \right)\quad n \leq p-1.
</math>

:<math>
\left(z \frac{\mathrm d}{\mathrm dz}-b_q\right) \; G_{p,q}^{\,m,n} \!\left( \left. \begin{matrix} \mathbf{a_p} \\ \mathbf{b_q} \end{matrix} \; \right| \, z \right) =
G_{p,q}^{\,m,n} \!\left( \left. \begin{matrix} \mathbf{a_p} \\ b_1, b_2, \dots, b_q+1 \end{matrix} \; \right| \, z \right)\quad m \leq q-1.
</math>

:<math>
\left(b_1-z \frac{\mathrm d}{\mathrm dz}\right) \; G_{p,q}^{\,m,n} \!\left( \left. \begin{matrix} \mathbf{a_p} \\ \mathbf{b_q} \end{matrix} \; \right| \, z \right) =
G_{p,q}^{\,m,n} \!\left( \left. \begin{matrix} \mathbf{a_p} \\ b_1+1, b_2, \dots, b_q \end{matrix} \; \right| \, z \right)\quad m\geq 1.
</math>
上面的式子都可以直接由定义得到。

=== 向量组中两个元素相差整数时的关系式 ===
由
:<math>
\frac{\Gamma(1-u+s)}{\Gamma(1-v+s)}=(-1)^{u-v}\frac{\Gamma(v-s)}{\Gamma(u-s)},\quad u-v\in\mathbb Z</math>

又有
:<math>
G_{p+2,\,q}^{\,m,\,n+1} \!\left( \left. \begin{matrix} \alpha, \mathbf{a_p}, \alpha' \\ \mathbf{b_q} \end{matrix} \; \right| \, z  \right) =
(-1)^{\alpha'-\alpha} \; G_{p+2,\,q}^{\,m,\,n+1} \!\left( \left. \begin{matrix} \alpha', \mathbf{a_p}, \alpha \\ \mathbf{b_q} \end{matrix} \; \right| \, z \right), \quad n \leq p, \; \alpha'-\alpha \in \mathbb{Z},
</math>

:<math>
G_{p,\,q+2}^{\,m+1,\,n} \!\left( \left. \begin{matrix} \mathbf{a_p} \\ \beta, \mathbf{b_q}, \beta' \end{matrix} \; \right| \, z \right) =
(-1)^{\beta'-\beta} \; G_{p,\,q+2}^{\,m+1,\,n} \!\left( \left. \begin{matrix} \mathbf{a_p} \\ \beta', \mathbf{b_q}, \beta \end{matrix} \; \right| \, z \right), \quad m \leq q, \; \beta'-\beta \in \mathbb{Z},
</math>

:<math>
G_{p+1,\,q+1}^{\,m,\,n+1} \!\left( \left. \begin{matrix} \alpha, \mathbf{a_p} \\ \mathbf{b_q}, \beta \end{matrix} \; \right| \, z \right) =
(-1)^{\beta-\alpha} \; G_{p+1,\,q+1}^{\,m+1,\,n} \!\left( \left. \begin{matrix} \mathbf{a_p}, \alpha \\ \beta, \mathbf{b_q} \end{matrix} \; \right| \, z \right), \quad m \leq q, \; \beta-\alpha = 0,1,2,\dots,
</math>

== 微分方程 ==
由上面[[#一般关系式|一般关系式]]一节的讨论知 Meijer-{{mvar|G}} 函数满足下列微分方程，它与广义超几何函数满足的微分方程形式上很类似。
:<math>\left[(-1)^{p-m-n}z\prod_{k=1}^{p}\left(z\frac{{\rm{d}}}{{\rm{d}}z} - a_k+1\right)
- \prod_{k=1}^{q}\left(z\frac{{\rm{d}}}{{\rm{d}}z} - b_k\right)\right]w=0,
\quad w(z)=G_{p,q}^{m,n}\left[ \begin{array}{c} a_1,\dots,a_p \\ b_1,\dots,b_q\end{array} ;z\right]</math>.

这是一个 max({{mvar|p}},{{mvar|q}}) 阶的线性微分方程，在 {{mvar|z}}=0 附近的基本解组可以选取为
:<math>\begin{cases}
G_{p,q}^{\,1,p} \!\left( \left. \begin{matrix} a_1, \dots, a_p \\ b_h, b_1, \dots, b_{h-1}, b_{h+1}, \dots, b_q \end{matrix} \; \right| \, (-1)^{p-m-n+1} \;z \right), \quad h = 1,2,\dots,q,&\text{ if } p\leqslant q\\
G_{p,q}^{\,q,1} \!\left( \left. \begin{matrix} a_h, a_1, \dots, a_{h-1}, a_{h+1}, \dots, a_p \\ b_1, \dots, b_q \end{matrix} \; \right| \, (-1)^{q-m-n+1} \;z \right), \quad h = 1,2,\dots,p,&\text{ if } p\geqslant q\end{cases}
</math>

当 {{mvar|p}}={{mvar|q}} 时两种取法都可以。

从 {{mvar|m}}, {{mvar|n}} 的取值上就可以看到它们跟广义超几何函数有直接的联系。事实上的确如此，以第一种情况为例，
:<math>G_{p,q}^{\,1,p} \!\left( \left. \begin{matrix} a_1, \dots, a_p \\ b_h, b_1, \dots, b_{h-1}, b_{h+1}, \dots, b_q \end{matrix} \; \right| \, (-1)^{p-m-n+1} \;z \right)=z^{b_h} G_{p,q}^{\,1,p} \!\left( \left. \begin{matrix} a_1-b_h, \dots, a_p-b_h \\ 0, b_1-b_h, \dots, b_{h-1}-b_h, b_{h+1}-b_h, \dots, b_q \end{matrix} \; \right| \, (-1)^{p-m-n+1} \;z \right)</math>

等号右边的 Meijer-{{mvar|G}} 函数显然就是广义超几何函数。

== 特殊情形 ==
因为广义超几何函数是 Meijer-{{mvar|G}} 函数的特殊情形，故所有可以用广义超几何函数表示的特殊函数都可以用 Meijer-{{mvar|G}} 函数表示，但是，在个别情况下，用 Meijer-{{mvar|G}} 函数有更简单的表示式，例子如[[诺依曼函数]]，它可以用超几何函数<sub>0</sub>F<sub>1</sub>表示，但表示式仅仅是将（第一类）贝塞尔函数的超几何函数表示式代入其定义式中，因此含有两个超几何函数。而用 Meijer-{{mvar|G}} 函数就可以直接表示为：

:<math> Y_\nu (z) = G_{1,3}^{\,2,0} \!\left( \left. \begin{matrix} \frac{- \nu - 1}{2} \\ \frac{\nu}{2}, \frac{-\nu}{2}, \frac{- \nu - 1}{2} \end{matrix} \; \right| \, \frac{z^2}{4} \right), \qquad \frac{-\pi}{2} < \arg z \leq \frac{\pi}{2} </math>

另外一个例子是不完全伽玛函数对参变量的偏导数，它无法用广义超几何函数表出，但可以用 Meijer-{{mvar|G}} 函数表出：
:<math>
\frac{\partial \Gamma (a,z) }{\partial a} = \Gamma (a,z)\ln z + \,G_{2,\,3}^{\,3,\,0} \!\left( \left. \begin{matrix} 1, 1 \\ a, 0, 0 \end{matrix} \; \right| \, z \right)
</math>

事实上，不完全伽玛函数对参变量的高阶偏导数也可以用 Meijer-{{mvar|G}} 函数表出，详见[[不完全Γ函数]]一文。

==推广==
如同广义超几何函数和Kampé de Fériet函数（双变量的广义超几何函数）的关系那样，Meijer G-函数也可以被推广到两个变量的情况：
<math>G_{p,q,u_1,v_1,u_2,v_2}^{m,n,s_1,t_1,s_2,t_2}\left[\begin{array}{lll}a_{1},\dots,a_{p};c_{1,1}, \dots,c_{1, u_{1}};c_{2,1},\dots,c_{2,u_{2}}; \\b_{1},\dots,b_{q};d_{1,1},\dots,d_{1,v_{1}};d_{2,1},\dots,d_{2,v_{2}};\end{array}\ z, w\right]=-\frac{1}{4\pi^2}\int_\mathcal{L}\int_\mathcal{L'}\frac{\prod_{k=1}^m\Gamma(b_k+\sigma+\tau)\prod_{k=1}^n\Gamma(1-a_k-\sigma-\tau)}{\prod_{k=n+1}^p\Gamma(a_k+\sigma+\tau)\prod_{k=m+1}^q\Gamma(1-a_k-\sigma-\tau)}\frac{\prod_{k=1}^{s_1}\Gamma(d_{1,k}+\sigma)\prod_{k=1}^{t_1}\Gamma(1-c_{1,k}-\sigma)}{\prod_{k=t_1+1}^{u_1}\Gamma(c_{1,k}+\sigma)\prod_{k=s_1+1}^{v_1}\Gamma(1-d_{1,k}-\sigma)}\frac{\prod_{k=1}^{s_2}\Gamma(d_{2,k}+\tau)\prod_{k=1}^{t_2}\Gamma(1-c_{2,k}-\tau)}{\prod_{k=t_2+1}^{u_2}\Gamma(c_{2,k}+\tau)\prod_{k=s_2+1}^{v_2}\Gamma(1-d_{2,k}-\tau)}z^{-\sigma}w^{-\tau}d\sigma d\tau/;m,n,s_1,t_1,s_2,t_2,p,q,u_1,v_1,u_2,v_2\in\mathbb{N},m\leq q,n\leq p,s_1\leq v_1,t_1\leq u_1,s_2\leq v_2,t_2\leq u_2</math>

== 注 ==
<references group=注 />

== 参考文献 ==
* {{dlmf|id=16|first1=R. A.|last1=Askey|first2=Adri B. Olde|last2= Daalhuis|title=Generalized Hypergeometric Functions and Meijer {{mvar|G}}-Function}}
* {{cite journal | last1= Beals | first1= Richard | last2= Szmigielski | first2= Jacek | title= Meijer G-Functions: A Gentle Introduction, | url= http://www.ams.org/notices/201307/rnoti-p866.pdf | format= PDF | journal= Notices of the American Mathematical Society | volume= 60 | issue= 7 | year= 2013 | ref= harv | access-date= 2014-09-06 | archive-date= 2021-01-26 | archive-url= https://web.archive.org/web/20210126050910/http://www.ams.org/notices/201307/rnoti-p866.pdf | dead-url= no }} 
* {{cite book | last= Luke | first= Yudell L. | authorlink=Yudell Luke | title= The Special Functions and Their Approximations, Vol. I | location= New York | publisher= Academic Press | year= 1969 | isbn= 0-12-459901-X | ref= harv}} (see Chapter V, "The Generalized Hypergeometric Function and the G-Function", p.&nbsp;136)
* {{cite web|url=http://functions.wolfram.com/|title=The Wolfram Functions Site|accessdate=2014-09-06|archive-date=2007-10-10|archive-url=https://web.archive.org/web/20071010025724/http://functions.wolfram.com/|dead-url=no}}

== 外部链接 ==
* {{mathworld | urlname= MeijerG-Function | title= Meijer G-函数}}
[[Category:超几何函数]]