Polynôme de Gegenbauer

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En mathématiques, les polynômes de Gegenbauer ou polynômes ultrasphériques sont une classe de polynômes orthogonaux. Ils sont nommés ainsi en l'honneur de Leopold Gegenbauer (1849-1903). Ils sont obtenus à partir des séries hypergéométriques dans les cas où la série est en fait finie :

C_{n}^{(\alpha )}(z)={\frac {(2\alpha )^{\underline {n}}}{n!}}\,_{2}F_{1}\left(-n,2\alpha +n;\alpha +{\frac {1}{2}};{\frac {1-z}{2}}\right)

où $n$ est la factorielle décroissante^[1].

Propriétés[modifier | modifier le code]

Orthogonalité

Les polynômes de Gegenbauer sont orthogonaux sur [-1 ; 1] pour le poids $w (x) = (1- x 2) α -1/2$ :

$\int _{-1}^{1}C_{n}^{(\alpha )}(x)C_{m}^{(\alpha )}(x)(1-x^{2})^{\alpha -{\frac {1}{2}}}\mathrm {d} x=\delta _{n,m}{\frac {\pi 2^{1-2\alpha }\Gamma (n+2\alpha )}{n!(n+\alpha )\Gamma (\alpha )^{2}}}$
Récurrence

Les polynômes de Gegenbauer peuvent être construits par la relation de récurrence :

$C_{0}^{(\alpha )}(x)=1,\ C_{1}^{(\alpha )}(x)=2\alpha x,\ C_{n}^{(\alpha )}(x)={\frac {1}{n}}\left(2x(n+\alpha -1)C_{n-1}^{(\alpha )}(x)-(n+2\alpha -2)C_{n-2}^{(\alpha )}(x)\right)$
Liens avec d'autres suites de polynômes orthogonaux

Les polynômes de Gegenbauer sont solutions de l'équation différentielle :

(1-x^{2})y''-(2\alpha +1)xy'+n(n+2\alpha )y=0.\,

On peut alors remarquer que pour $α = 1/2$ , l'équation se ramène à celle satisfaite par les polynômes de Legendre, et pour $α = 1$ , on retrouve celle des polynômes de Tchebychev de seconde espèce.

Polynôme de Gegenbauer $C (1) n (x)$
Polynôme de Gegenbauer $C (2) n (x)$
Polynôme de Gegenbauer $C (3) n (x)$

Applications[modifier | modifier le code]

Les polynômes de Gegenbauer apparaissent comme des prolongements des polynômes de Legendre dans la théorie du potentiel pour les dimensions supérieures à 1.

Notes et références[modifier | modifier le code]

(en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Gegenbauer polynomials » (voir la liste des auteurs).