Sveučilište Josipa Jurja Strossmayera u Osijeku Odjel za matematiku

Transcription

1 Sveučilište Josipa Jurja Strossmayera u Osijeku Odjel za matematiku Valentina Volmut Ortogonalni polinomi Diplomski rad Osijek, 2016.

2 Sveučilište Josipa Jurja Strossmayera u Osijeku Odjel za matematiku Valentina Volmut Ortogonalni polinomi Diplomski rad mentorica: izv.prof.dr.sc. Mihaela Ribičić Penava Osijek, 2016.

3 Sadržaj 1. Uvod 4 2. Definicija i svojstva ortogonalnih polinoma Tročlana rekurzija i Christoffel-Darbouxova formula Još neki načini definiranja ortogonalnih polinoma Čebiševljevi polinomi prve vrste Ortogonalnost Čebiševljevih polinoma prve vrste Rekurzivna relacija Čebiševljev problem Čebiševljevi polinomi druge vrste Rekurzivna relacija Laguerrovi polinomi Ortogonalnost Laguerrovih polinoma Rekurzivna relacija Laguerrovih polinoma Hermiteovi polinomi Legendreovi polinomi Primjene ortogonalnih polinoma Gaussove kvadraturne formule Zaključak Sažetak Summary Životopis 39 3

4 1. Uvod Čebiševljevi polinomi prve vrste, Čebiševljevi polinomi druge vrste, Laguerrovi polinomi, Hermiteovi polinomi i Legendreovi polinomi pripadaju skupu ortogonalnih polinoma. Za dva polinoma reći ćemo da su ortogonalna ako je njihov skalarni produkt jednak nuli. Ortogonalni polinomi prvi put se pojavljuju krajem devetnaestog stoljeća kada je P. L. Chebyshev proučavao verižne razlomke. Zbog niza dobrih svojstava, imaju veliku primjenu u raznim granama numeričke matematike, npr. kod Gaussovih kvadraturnih formula koriste se ortogonalni polinomi. Upravo ovih pet tipova ortogonalnih polinoma, navedenih na početku, nazivamo klasični ortogonalni polinomi. Nastali su rješavanjem diferencijalih jednadžbi drugog reda. Definirat ćemo svaki od njih, navesti osnovna svojstva i nabrojati prvih nekoliko polinoma svake vrste. 4

5 2. Definicija i svojstva ortogonalnih polinoma Definicija 1. Za dva polinoma u i v reći ćemo da su ortogonalni na segmentu [a, b] ako je njihov skalarni produkt, u odnosu na težinsku funkciju w, w (x) 0 na [a, b], jednak nuli tj. u, v = b a w (x) u (x) v (x) dx = 0. (1) Na sličan način kažemo da je niz polinoma u 0, u 1, u 2,..., gdje je u k polinom stupnja k, k N 0, ortogonalan na segmentu [a, b] ako je u m, u n = b a w (x) u m (x) u n (x) dx = 0 (2) za svako m n, m, n N 0, gdje je w pripadna težinska funkcija. U nastavku ćemo od zadanog niza polinoma u 0, u 1,..., u n, n N 0, konstruirati ortogonalni niz polinoma, ali prvo ćemo objasniti kako se računa norma polinoma. Neka je dan otvoren interval a, b i na njemu težinska funkcija w. Normu polinoma v računamo na sljedeći način: b v = a w (x) v (x) 2 dx. (3) Neka je u 0, u 1, u 2,... niz polinoma na otvorenom intervalu a, b takav da su svi polinomi medusobno linearno nezavisni i integrabilni. Nadalje, neka je b d 0 = u 0 = u 0 (x) 2 dx a p 0 (x) = u 0(x) d 0 5

6 tako da je p 0 = 1. Neka je a 1,0 = u 1, p 0 = b P 1 (x) = u 1 (x) a 1,0 p 0 (x), b a u 1 (x) p 0 (x) dx, Tada je d 1 = P 1 = p 1 (x) = P 1(x) d 1. a P 1 (x) 2 dx, b a b a P 1 (x) p 0 (x) dx = p 1 (x)p 0 (x) dx = b a b a p 1 = 1. (u 1 (x) a 1,0 p 0 (x)) p 0 (x) dx = 0, P 1 (x) P 1 p 0(x)dx = 1 P 1 b a P 1 (x) p 0 (x) dx = 0, Općenito, neka su polinomi p 2, p 3,... uzastopno definirani na sljedeći način a n,k = u n, p k = b a n 1 P n (x) = u n (x) a n,k p k (x), k=0 b u n (x) p k (x) dx, k {0, 1,..., n 1} d n = P n = p n (x) = P n (x) d n. a P n (x) 2 dx, Metodom matematičke indukcije nije teško pokazati da je svaki polinom p n ortogonalan na polinome p 0, p 1,..., p n 1 te da je svaki polinom normaliziran 1. U ovom radu nećemo dokazivati tu tvrdnju. Polinome koji su ortogonalni i normalizirani nazivamo ortonormiranim polinomima. Opisani postupak za konstrukciju ortogonalnog niza polinoma iz danog niza polinoma poznat je pod nazivom Gram-Schmidtov postupak ortogonalizacije. 1 Norma polinoma jednaka je jedan. 6

7 Primjer 1. Primjenom Gram-Schmidtovog postupka ortogonalizacije, konstruirajte ortonormirani skup polinoma za skup polinoma {1, x, x 2 } na intervalu 2, 2. Neka je 2 d 0 = 1 = 1 2 dx = 2, 2 Nadalje, tako da je p 0 (x) = p 0 = (p 0 (x)) 2 dx = 2 2 a 1,0 = x, p 0 = 2 2 x 1 dx = 0, 2 ( ) 1 2 dx = 1 2 P 1 (x) = x a 1,0 p 0 (x) = x 0 p 0 (x) = x, 2 d 1 = x = x dx = 2 3, p 1 (x) = x 3 = 4 x p 1 (x) p 0 (x) dx = 0, 2 p 1 = (p 1 (x)) 2 dx = 1. 2 Još nam preostaje izračunati p 2. Neka je a 2,0 = x 2, p 0 = a 2,1 = x 2, p 1 = x 2 dx = 8 3, 3 x 2 xdx = 0, 4 P 2 (x) = x 2 a 2,0 p 0 (x) a 2,1 p 1 (x) = x 2 4 3, d 2 = x = 2 p 2 (x) = x = ( x 2 4 ) dx = , ( x 2 4 ) 3 7

8 tako da je p 2 (x) p 0 (x) dx = 0, p 2 (x) p 1 (x) dx = 0, 2 p 2 = (p 2 (x)) 2 dx = 1. 2 Dobili smo novi ortonormirani skup { 1 3 2, 4 x, ( x 2 4 3) }. (4) Sljedeći teorem govori nam o jedinstvenosti ortonomiranog niza na proizvoljnom segmentu [a, b]. Teorem 1. Za svaki proizvoljno izabrani segment [a, b] i težinsku funkciju w, w(x) 0 na [a, b], postoji samo jedan, s točnošću do na predznak, ortonormirani niz polinoma p 0, p 1, p 2, p 3,... U dokazu ovog teorema, koji nećemo dokazivati, koristi se Gram-Schmidtov postupak ortogonalizacije, a zainteresirani ga mogu pogledati u [3]. U sljedećim teoremima iskazana su samo neka svojstva ortogonalnih polinoma, a detaljnije o svojstvima može se pogledati u [1], [3], [6] i [8]. Teorem 2. Neka je {p n, n N 0 }, familija ortogonalnih polinoma na segmentu [a, b], te neka je w, w (x) 0, pripadna težinska funkcija. Ako je f polinom stupnja m, tada vrijedi f(x) = m i=0 f, p i p i, p i p i(x). Dokaz: Neka je f proizvoljan polinom stupnja m, za neki m N 0. Budući da je skup {1, x, x 2,..., x m } (5) 8

9 baza vektorskog prostora P m 2, tada f možemo zapisati u obliku sljedeće linearne kombinacije f(x) = m b i x i. i=0 Sada ćemo, koristeći Gram-Schmidtov postupak ortogonalizacije i metodu matematičke indukcije, dokazati da se skup monoma (5) može prikazati pomoću ortogonalnih polinoma. Za ortogonalni polinom nultog stupnja nužno je da je konstanta različita od nule, tj. p 0 (x) = a 0,0, a 0,0 0, što znači da se prvi monom 1 može zapisati kao 1 = 1 a 0,0 p 0 (x). Za polinome stupnja jedan, iz Gram-Schmitovog postupka ortogonalizacije sustava polinoma {1, x} dobivamo tj. vrijedi p 1 (x) = a 1,1 x + a 1,0 p 0 (x), a 1,1 0, x = 1 a 1,1 [p 1 (x) a 1,0 p 0 (x)]. Nastavljajući ovaj postupak u Gram-Schmidtovom procesu na { 1, x, x 2, x 3,..., x m} dobivamo p m (x) = a m,m x m + a m,m 1 p m 1 (x) + + a m,0 p 0 (x), a m,m 0, gdje su p 0, p 1, p 2,..., p m 1 dobiveni Gram-Schmidtovim postupkom ortogonalizacije iz { 1, x, x 2,..., x m 1}, odakle slijedi x m = 1 a m,m [p m (x) a m,m 1 p m 1 (x) a m,0 p 0 (x)]. Budući da se f može prikazati kao linearna kombinacija skupa monoma (5), a pokazali smo da (5) možemo prikazati kao linearnu kombinaciju ortogonalnih 2 Skup svih polinoma stupnja manjeg ili jednakog m. 9

10 polinoma, odatle slijedi da i f možemo prikazati kao linearnu kombinaciju ortogonalnih polinoma, tj. f(x) = m c i p i (x). i=0 Još nam preostaje odrediti koeficijente c i. Ako skalarno pomnožimo polinom f sa polinomom p m dobivamo f, p m = m c i p i, p m = c m p m, p m i=0 zbog ortogonalnosti polinoma p i i p m za i m. Odatle odmah slijedi da je jer je p m 2 = p m, p m > 0. c m = f, p m p m, p m Preostale koeficijente c i, i {0, 1,..., n 1}, dobijemo na analogan način ako polinom f pomnožimo sa ortogonalnim polinomom p i. Prethodni teorem daje nam jedno vrlo bitno svojstvo ortogonalnih polinoma, a to je da svaki polinom stupnja m možemo zapisati kao linearnu kombinaciju ortogonalnih polinoma {p 0, p 1,..., p m }, za m N 0. Ako bismo razvoj polinoma f stupnja m napisali tako da suma ide do + onda bi svi dodatni koeficijenti c i, za i > m, bili jednaki nula, tj. c i = 0 za svaki i > m. To nam govori sljedeći korolar. Korolar 1. Neka je f polinom stupnja manjeg ili jednakog m 1. Tada je f, p m = 0, (6) tj. p m je okomit na f. Dakle ortogonalni polinom stupnja m, p m, je okomit na sve polinome stupnja strogo manjeg od m. 10

11 Dokaz: Prema prethodnom teoremu polinom f možemo zapisati kao linearnu kombinaciju ortogonalnih polinoma stupnja manjeg ili jednakog m 1, tj. f(x) = m 1 i=0 c i p i (x). Množenjem prethodne jednakosti s w (x) p m (x), zatim integriranjem dobivamo f, p m = m 1 i=0 c i p i, p m = 0 jer općenito vrijedi p n, p m = 0, za sve n m. Teorem 3. Neka je {p n, n N 0 }, familija ortogonalnih polinoma na segmentu [a, b] s težinskom funkcijom w, w (x) 0 na [a, b]. Tada svaki polinom p n ima točno n različitih, jednostrukih realnih nultočaka na intervalu a, b. Dokaz teorema može se pogledati u [6]. Ortogonalni polinomi mogu se prikazati pomoću rekurzivne relacije, funkcija izvodnica 3, Rodrigueosve formule i kao rješenja diferencijalnih jednadžbi. Prvo ćemo navesti općenite oblike za sve navedeno, a kasnije ćemo točno napisati kako glase rekurzivne relacije, funkcije izvodnice, Rodriguesove formule te diferencijalne jednadžbe za svaku vrstu ortogonalnih polinoma Tročlana rekurzija i Christoffel-Darbouxova formula Neka je zadana familija ortogonalnih polinoma {p n, n N 0 }, na segmentu [a, b] i neka su prva dva koeficijenta polinoma p n jednaki p n (x) = A n x n + B n x n 1 +, A n 0. Polinom p n možemo zapisati na sljedeći način p n (x) = A n (x x n,1 ) (x x n,2 ) (x x n,3 ) (x x n,n ), 3 Za svaki niz (c n) kompleksnih brojeva možemo definirati funkciju f(z) = c 0 + c 1z + c 2z 2 + = c nz n n=0 koju nazivamo funckija izvodnica niza (c n). 11

12 gdje su x n,i, i = 1, 2,..., n, n N, nultočke ortogonalnih polinoma p n. Definiramo sljedeće konstante pri čemu je α n R i b n R +. α n = A n+1 A n, b n = p n, p n > 0, (7) Vrijedi sljedeći teorem poznat pod nazivom Tročlana rekurzija. Teorem 4. (Tročlana rekurzija) Neka je {p n, n N 0 }, familija ortogonalnih polinoma na segmentu [a, b] s težinskom funkcijom w, w(x) 0 na [a, b]. Tada za n 1 vrijedi sljedeća relacija gdje su β n i γ n definirani kao Dokaz: Promotrimo polinom p n+1 (x) = (α n x + β n ) p n (x) γ n p n 1 (x), (8) β n = α n ( B n+1 B n ), γ n = A n+1a n 1 b n A n+1 A n A 2. (9) n b n 1 L(x) = p n+1 (x) α n xp n (x) = (A n+1 x n+1 + B n+1 x n + ) A n+1 x(a n x n + B n x n 1 + ) A ( n = B n+1 A ) n+1b n x n +. A n Stupanj polinoma L je manji ili jednak n. Prema Teoremu 2., polinom L možemo zapisati kao linearnu kombinaciju ortogonalnih polinoma stupnja manjeg ili jednakog n. Dakle, L(x) = λ n p n (x) + λ n 1 p n 1 (x) + λ 0 p 0 (x) pri čemu su λ i, i = 0, 1,..., n, konstante. Opet prema Teoremu 2., konstante λ i možemo izračunati Vrijede sljedeće dvije stvari: λ i = L, p i p i, p i = 1 b i ( p n+1, p i α n xp n, p i ). p n+1, p i = 0 za sve i n, 12

13 xp n, p i = b a w(x)p n (x)xp i (x)dx = 0, za i n 2. Prema tome možemo zaključiti da je stupanj polinoma xp i (x) manji ili jednak n 1. Uzevši u obzir ta dva rezultata, dobivamo λ i = 0 za 0 i n 2. Odatle slijedi da je L(x) = λ n p n (x) + λ n 1 p n 1 (x) p n+1 (x) = (α n x + λ n )p n (x) + λ n 1 p n 1 (x). Preostaje nam još odrediti koliki su koeficijenti λ n 1 i λ n. Ako iz prve od predhodne dvije jednakosti usporedimo vodeći koeficijent polinoma L s vodećim koeficijentom polinoma s desne strane onda dobivamo izraz kojem je jednaka konstanta λ n. Teorem 5. (Christoffel-Darbouxova formula) Neka je {p n, n N 0 }, familija ortogonalnih polinoma na segmentu [a, b] s težinskom funkcijom w, w(x) 0 na [a, b]. Tada vrijedi sljedeća formula n k=0 p k (x)p k (y) b k = p n+1(x)p n (y) p n (x)p n+1 (y) α n b n (x y) (10) gdje su α n i b n definirane jednako kao u Tročlanoj rekurziji (7). Formula (10) se naziva Christoffel-Darbouxova formula. Prvi ju je izveo Christoffel samo za Legendreove polinome. Poopćenje za ortogonalne polinome sa proizvoljnom težinskom funkcijom dao je Darboux. Dokaz ovog teorema je vrlo jednostavan. Temelji se na manipulaciji Tročlane rekurzije pa ćemo ga izostaviti, a zainteresirani ga mogu pogledat u [3]. Detaljnije o Christoffel-Darbouxovoj formuli može se pogledati u [8] Još neki načini definiranja ortogonalnih polinoma Funkcije izvodnice Neka je {p n, n N 0 }, familija ortogonalnih polinoma na segmentu [a, b] s 13

14 težinskom funkcijom w, w(x) 0. Opći oblik funkcija izvodnica za ortogonalne polinome je g(x, t) = a i p i (x)t i, i=0 gdje je (a i ) niz realnih brojeva. Diferencijalna jednadžba Neka je {p n, n N 0 }, familija ortogonalnih polinoma na segmentu [a, b] s težinskom funkcijom w, w(x) 0. Karakteritično za sve ortogonalne polinome je to što zadovoljavaju diferecijalnu jednadžbu g 2 (x)y + g 1 (x)y + g 0 (x)y = 0, (11) gdje su g 0, g 1 i g 2 polinomi različiti za svaku vrstu ortogonalnih polinoma. Kasnije ćemo navesti koliko iznose g 0, g 1 i g 2 za svaku vrstu ortogonalnih polinoma, tj. reći ćemo kako glasi njihova diferencijalna jednadžba. Rodriguesova formula Neka je {p n, n N 0 }, familija ortogonalnih polinoma na segmentu [a, b] s težinskom funkcijom w, w(x) 0. Tada vrijedi sljedeća formula p n (x) = d n 1 e n w(x) dx {w(x)[g(x)]n }, (12) gdje su broj e n i polinom g različiti za svaku vrstu ortogonalnih polinoma. Formula (12) se naziva Rodriguesiva formula za ortogonalne polinome. Naziv je dobila po matematičaru, Olindeu Rodriguesu, koji ju je prvi dokazao. Kada budemo obradivali vrste polinoma, za svaku vrstu navest ćemo kako glasi njegova Rodriguesova formula. 14

15 3. Čebiševljevi polinomi prve vrste Čebiševljevi polinomi prve vrste posebna su vrsta ortogonalnih polinoma. Najčešće se označavaju s T n, n N 0. Čebiševljev polinom prve vrste n-tog stupnja, T n, jedno je rješenje Čebiševljeve diferencijalne jednadžbe (1 x 2 )y xy + n 2 y = 0. (13) Čebiševljevi polinomi prve vrste definirani su uz identitet T n (cos θ) = cos (nθ). (14) Uvodeći supstituciju x = cos θ dobivamo T n (x) = cos (n arccos(x)), (15) x [ 1, 1], što daje eksplicitnu formulu za računanje Čebiševljevih polinoma prve vrste. Izvod formule (14) dosta je dugačak i složen pa ju nećemo izvoditi u ovom radu. Zainteresirani izvod mogu vidjeti u [1]. Prvih sedam Čebiševljevih polinoma prve vrste su T 0 (x) = 1, T 1 (x) = x, T 2 (x) = 2x 2 1, T 3 (x) = 4x 3 3x, T 4 (x) = 8x 4 8x 2 + 1, T 5 (x) = 16x 5 20x 3 + 5x, T 6 (x) = 32x 6 48x x 2 1. Čebiševljevi polinomi prve vrste mogu se prikazati pomoću funkcija izvodnica 1 t 2 g 1 (t, x) = 1 2xt + t 2 = T 0 (x) + 2 T n (x)t n n=1 15

16 i gdje su x 1 i t < 1. 1 xt g 2 (t, x) = 1 2xt + t 2 = T n (x)t n, n=0 Rodriguesova formula za Čebiševljeve polinome prve vrste glasi T n (x) = ( 1)n π (1 x 2 ) 2 ( d n n 1 ) n 2! dx n [ (1 x 2 ) n 3.1. Ortogonalnost Čebiševljevih polinoma prve vrste Čebiševljevi polinomi prve vrste su ortogonalni na segmentu [ 1, 1] s obzirom na težinsku funkciju w (x) = 1 1 x 2, 1 ] 2. tj., 1 1 T m (x) T n (x) dx = 1 x 2 0, m n, π 2, m = n 0, π, m = n = 0. Za dokaz ove tvrdnje potrebno je izračunati gdje su m, n Z. I = π 0 cos (mt) cos (nt) dt, (16) Prvo ćemo upotrijebiti trigonometrijsku formulu za transformaciju umnoška u zbroj 4 i tada dobivamo I = 1 [ π π ] cos ((m + n) t) dt + cos ((m n) t) dt. (17) Ako pretpostavimo da je m n tada je I = 1 [ 1 1 sin((m + n)π) 2 m + n m + n sin ] 1 sin((m n)π) m n m n sin 0. 4 cos x cos y = 1 [cos (x + y) + cos (x y)] 2 16

17 Kako su m, n Z, tada su m + n i m n takoder cijeli brojevi. Osim toga, znamo da je sin kπ = 0, za svaki k Z, pa je konačno rješenje integrala (16) nula za m n. Pretpostavimo da je m = n = 0. Tada je izraz (16) I = π 0 cos 0 cos 0 dt = π 0 dt = π. Promotrimo još treći slučaj kada je m = n 0. Tada je (17) jednak I = π 0 cos (mt) cos (mt) dt = 1 2 π 0 cos (2mt) dt = π 2. Ako uvedemo supstituciju t = arccos x tada je integral (16) postaje 1 1 T m (x) T n (x) dx, 1 x 2 čime smo dokazali ortogonalnost Čebiševljevih polinoma prve vrste. Prema Teoremu 3. Čebiševljevi polinomi prve vrste imaju n različitih realnih nultočki ( ) 2k 1 π x k = cos, k = 1,..., n (18) n 2 koje leže na intervalu 1, 1. Detaljnije o tome može se pogledati u [3] i [5] Rekurzivna relacija Budući da vrijedi cos (n + 1) α + cos (n 1) α = cos (nα + α) + cos (nα α) = cos nα cos α sin nα sin α + cos nα cos α + sin n sin α = 2 cos nα cos α i ako uvedemo supstituciju α = arccos x, tada dobijamo cos ((n + 1) arccos x) + cos ((n 1) arccos x) = 2 cos (n arccos x) cos (arccos x). 17

18 Prethodni izraz daje nam rekurzivnu relaciju Čebiševljevih polinoma prva vrste koji glasi T n+1 (x) 2xT n (x) + T n 1 (x) = 0, (19) uz početne uvjete T 0 (x) = 1 i T 1 (x) = x Čebiševljev problem godine Čebiševljev je postavio sljedeći problem: Odredite realne koeficijente a 1, a 2,..., a n tako da izraz bude minimalan. max 1 x 1 x n + a 1 x n a n 1 x + a n (20) Do rješenja ovog problema došao je godine. Rješenje je glasilo da je jedini polinom x n + a 1 x n a n 1 x + a n sa realnim koeficijentima za koji je izraz (20) minimalan upravo 2 n+1 T n, gdje je T n n-ti Čebiševljev polinom prve vrste. Dokaz ovog rješenja može se pronaći u [1]. 18

19 Slika 1: Prvih pet Čebiševljevih polinoma prve vrste Još detalja vezanih za [1], [3], [7], [8] i [9]. Čebiševljeve polinome prve vrste može se pronaći u 19

20 4. Čebiševljevi polinomi druge vrste Rješenje diferencijalne jednadžbe (1 x 2 )y 3xy + n(n + 2)y = 0 (21) je upravo n-ti Čebiševljev polinom druge vrste, U n, za kojeg vrijedi x 1, 1 i n N 0. U n (x) = sin ((n + 1) arccos(x)), (22) sin (arccos(x)) Čebiševljevi polinomi druge vrste ortogonalni su na segmentu [ 1, 1] s težinskom funkcijom tj., 1 1 w (x) = 1 x 2, U m (x) U n (x) { 0, m n, 1 x 2 dx = (23) π 2, m = n 0. Dokaz ortogonalnosti analogan je onom za Čebiševljeve polinome prve vrste, samo se ovdje kreće od integrala I = π stoga ga nećemo napraviti u ovom radu. 0 sin (mt) sin (nt) dt, Prvih sedam Čebiševljevih polinoma druge vrste su U 0 (x) = 1, U 1 (x) = 2x, U 2 (x) = 4x 2 1, U 3 (x) = 8x 3 4x, U 4 (x) = 16x 4 12x 2 + 1, U 5 (x) = 32x 5 32x 3 + 6x, U 6 (x) = 64x 6 80x x 2 1. Funkcija izvodnica za Čebiševljeve polinome druge vrste je 1 g(t, x) = 1 2xt + t 2 = U n (x)t n, n=0 20

21 za x < 1 i t < 1, a Rodriguesova formula glasi U n (x) = ( 1) n (n + 1) π 2 n+1 ( n + 1 2)! (1 x 2 ) 1 2 d n dx n [ (1 x 2 ) n+ 1 ] Rekurzivna relacija Krećemo od identiteta sin (n + 1) α + sin (n 1) α = 2 sin nα cos α. Zatim uvodimo supstituciju α = arccos x i dobivamo rekurzivnu relaciju za Čebiševljeve polinome druge vrste U n+1 (x) 2xU n (x) + U n 1 (x) = 0 (24) uz početne uvjete U 0 (x) = 1 i U 1 (x) = 2x. Slika 2: Prvih pet Čebiševljevih polinoma druge vrste 21

22 Čebiševljevi polinomi prve i druge vrste povezani su sljedećim relacijama T n (x) = U n (x) xu n 1 (x), T n (x) = xu n 1 (x) U n 2 (x), T n (x) = 1 2 (U n(x) U n 2 (x)), U n 1 (x) = 1 1 x 2 [xt n(x) T n+1 (x)]. Još detalja o Čebiševljevim polinomima druge vrste može se pronaći u [1], [3], [7], [8] i [9]. 22

23 5. Laguerrovi polinomi Sljedeći na redu su Laguerrovi polinomi. Najčešće se označavaju s L n, n N 0. Laguerrovi polinomi mogu se definirati kao n ( 1) k ( ) n L n (x) = x k. (25) k! k Za njih vrijedi formula čiji se dokaz može pronaći u [1]. k=0 Prvih sedam Laguerrovih polinoma su L 0 (x) = 1, L n (x) = e x dn dx n ( x n e x), (26) L 1 (x) = x + 1, L 2 (x) = 1 ( x 2 4x + 2 ), 2 L 3 (x) = 1 ( x 3 + 9x 2 18x + 6 ), 6 L 4 (x) = 1 ( x 4 16x x 2 96x + 24 ), 24 L 5 (x) = L 6 (x) = ( x x 4 200x x 2 600x 120 ), ( x 6 36x x x x x ) Ortogonalnost Laguerrovih polinoma Laguerrovi polinomi ortogonalni su na intervalu [0, s težinskom funkcijom Promotrimo integral I = + 0 w (x) = e x. e x L m (x) L n (x) dx. (27) Pretpostavimo da je m n tada izraz (27) možemo zapisati koristeći formulu (26) kao I = + 0 L m (x) dn dx n ( x n e x) dx. (28) 23

24 U računanju ovog integrala koristit ćemo metodu parcijalne integracije 5. Neka je I = Tada je I = Izraz + 0 L m (x) dn dx n ( x n e x) dx = [L m (x) dn 1 ( x n dx n 1 e x) ] x + x=0 u = L m (x) dv = dn ( x n dx n e x) dx. + 0 dl m (x) dx d n 1 dx n 1 ( x n e x) dx. L m (x) dn 1 ( x n dx n 1 e x) = { ( ) } = ( 1) n n 1 e x L m (x) (x n ) + (x n ) + ( 1) n (x n ) (n 1) 1 teži ka nuli kada x +. Kada je x = 0 prethodni izraz takoder je jednak nuli pa je + I = 0 dl m (x) dx d n 1 dx n 1 ( x n e x) dx. Primjenimo li m 1 puta parcijalnu integraciju na posljednji izraz dobivamo da je I = ( 1) m + 0 d m L m (x) dx m d n m dx n m ( x n e x) dx. (29) Ako je m < n tada na posljednji izraz ponovo treba primjeniti metodu parcijalne integracije. Tada se dobiva I = ( 1) m [ d m L m (x) dx m ( 1) m d n m 1 dx n m 1 ( x n e x) d m+1 L m (x) dx m+1 d n m 1 ] x + x=0 + dx n m 1 ( x n e x) dx. Izraz u zagradi u predhodnom integralu jednak je nuli za x = 0 i x +. Osim toga i drugi dio tog izraza jednak je nuli jer je 5 u dv = u v v du d m+1 L m (x) dx m+1 = 0. 24

25 U slučaju da je m = n tada izraz (28) iznosi I = ( 1) n + = n! = 0 + x n e x dn Ln (x) dx n dx x n e x dx 0 [ n!e x ( x n + nx n 1 + n (n 1) x n n! ] x + x=0 = (n!) 2. Ovime smo pokazali ortogonalnost Laguerrovih polinoma na intervalu [0, + uz težinsku funkciju w (x) = e x, tj. pokazali smo da vrijedi + 0 e x L m (x) L n (x) dx = { 0, m n, (n!) 2, m = n Rekurzivna relacija Laguerrovih polinoma Laguerrovi polinomi zadovoljavaju sljedeću rekurzivnu relaciju (n + 1) L n+1 (x) ( x + 2n 1) L n (x) + nl n 1 (x) = 0 (30) uz početne uvjete L 0 (x) = 1 i L 1 = x + 1, čiji se dokaz može vidjeti u [3]. 25

26 Slika 3: Prvih pet Laguerrovih polinoma Izmedu ostalog, n-ti Laguerrov polinom, L n, rješenje je diferencijalne jednadžbe xy + (1 x) y + ny = 0. (31) Laguerrove polinome možemo zapisati pomoću sljedeće funkcije izvodnice g(x, t) = e xt 1 t 1 t = 1 + ( x + 1)t + = L n (x)t n, n=0 a Rodriguesova formula glasi ( ) ( 1 2 x2 2x + 1 t x3 + 3 ) 2 x2 3x + 1 t 3 + L n (x) = ex d n ( x n n! dx n e x). Još detaljnije o svojstvima Laguerrovih polinoma može se pogledati u [1], [3], [8] i [9]. 26

27 6. Hermiteovi polinomi Hermiteovi polinomi takoder pripadaju skupu ortogonalnih polinoma. Najčešće se označavaju s H n, n N 0. Hermiteovi polinomi su ortogonalni na intervalu, + obzirom na težinsku funkciju w (x) = e x2. Za njih vrijedi + { 0, m n, e x2 H m (x) H n (x) dx = 2 n n! π, m = n. Dokaz ove ortogonalnosti vrlo je sličan onom za Laguerrove polinome tako da ga nećemo dokazivati u ovom radu, a zainteresirani ga mogu proučiti u [3]. Hermiteovi polinomi zadovoljavaju rekurzivnu relaciju H n+1 (x) 2xH n (x) + 2nH n 1 (x) = 0 (32) uz početne uvjete H 0 (x) = 1 i H 1 (x) = 2x. Prvih sedam Hermiteovih polinoma su H 0 (x) = 1, H 1 (x) = 2x, H 2 (x) = 4x 2 2, H 3 (x) = 8x 3 12x, H 4 (x) = 16x 4 48x , H 5 (x) = 32x 5 160x x, H 6 (x) = 64x 6 480x x N-ti Hermiteov polinom, H n, rješenje je diferencijalne jednadžbe y 2xy + 2ny = 0. (33) Hermiteovi polinomi se takoder mogu prikazati pomoću funkcije izvodnice na sljedeći način H g(x, t) = e 2xt t2 n (x)t n =. n! n=0 27

28 Rodrigeuseova formula za Hermiteove polinome glasi H n (x) = 1 ( 1) n e x2 d n [ dx n e x2]. Bez poteškoće mogu se provjeriti relacije, H 2n (x) = ( 1) n 2 2n L 1 2 n (x 2 ) H 2n+1 (x) = ( 1) n 2 2n+1 xl 1 2 n (x 2 ), koja povezuje Hermiteove i Laguerreove polinome. Slika 4: Prvih pet Hermiteovih polinoma Detaljnije o Hermiteovim polinomima može se pogledati u [1], [3], [8] i [9]. 28

29 7. Legendreovi polinomi Posljednja vrsta ortogonalnih polinoma, u ovom diplomskom radu, su Legendreovi polinomi. Obično se označavaju s P n, n N 0. Dobili su naziv Legendrovi polinomi jer je n-ti Legendreov polinom, P n, rješenje Legendreove diferencijalne jednadžbe ( 1 x 2 ) y 2xy + n (n + 1) y = 0. (34) Legendreovi polinomi ortogonalni su na segmentu [ 1, 1] obzirom na težinsku funkciju tj. 1 1 w (x) = 1, P m (x) P n (x) dx = { 0, m n, 2 2n+1, m = n. Dokaz ortogonalnosti dosta je dugačak pa ga nećemo izvoditi u ovom radu,a može se pogledati u [3]. Oni zadovoljavaju sljedeću rekurzivnu relaciju (n + 1) P n+1 (x) (2n + 1) xp n (x) + np n 1 (x) = 0, (35) uz početne uvjete P 0 (x) = 1 i P 1 (x) = x. Prvih sedam Legendreovih polinoma su P 0 (x) = 1, P 1 (x) = x, P 2 (x) = 1 ( 3x 2 1 ), 2 P 3 (x) = 1 ( 5x 3 3x ), 2 P 4 (x) = 1 ( 35x 4 30x ), 8 P 5 (x) = 1 ( 63x 5 70x x ), 8 P 6 (x) = 1 ( 231x 6 315x x 2 5 )

30 Kao svi dosad navedeni ortogonalni polinomi tako se i Legendreovi polinomi mogu zapisati pomoću funkcije izvodnice g(t, x) = ( 1 2xt + t 2) 1 2 = P n (x)t n, n=0 te i za njih vrijedi sljedeća Rodriguesova formula d n P n (x) = 1 ( x 2 2 n n! dx n 1 ) n. Slika 5: Prvih pet Legendreovih polinoma Više o Legendreovim polinomima može se vidjeti u [1], [3], [8] i [9]. 30

31 8. Primjene ortogonalnih polinoma 8.1. Gaussove kvadraturne formule Neka je dana neprekidna funkcija f : [a, b] R, te neka je F njena primitivna funkcija. Tada Riemanov integral na segmentu [a, b] možemo izračunati primjenom Newton-Leibnizove formule I(f) = b a f(x)dx = F (b) F (a). Kod integriranja se može dogoditi da primitivnu funkciju F nije moguće dobiti elementarnim metodama ili da je podintegralna funkcija poznata samo u konačno mnogo točaka. Dakle, jedino što nam preostaje je približno računanje takvih integrala. Osnovna ideja je izračunavanje integrala I(f) korištenjem vrijednosti funkcije f na nekom konačnom skupu točaka. Opća formula je I(f) = b a w(x)f(x)dx = n λ j f(x j ) + E (36) pri čemu su λ j težinski koeficijenti, x j čvorovi integracije i E pripadni ostatak. Formule oblika (36) nazivaju se kvadraturne formule. j=1 U ovom radu proučavat ćemo Gaussove kvadraturne formule. One se koriste kako bi se postigao maksimalan stupanj egzaknosti formule. Reći ćemo da je kvadraturna formula stupnja egzaknosti m ako je ostatak E = 0 za sve polinome stupnja manjeg ili jednakog m. Osnovna ideja je da za čvorove uzmemo nultočke ortogonalnih polinoma, a težinske koeficijente λ j računamo kao λ j = b a w(x)l j (x)dx, (37) pri čemu je l j Lagrangeov interpolacijski polinom 6. Dokaz ove formule može se pogledati u [5]. Pokazat ćemo da postoji jednostavniji način računanja težinskih koeficijenata, λ j, pomoću ortogonalnih polinoma. 6 l i = n j=1, j i x x j x i x j 31

32 Neka je {p n, n N 0 }, familija ortogonalnih polinoma na segmentu [a, b] s težinskom funkcijom w, w(x) 0, te neka su α n i b n definirani kao u Tročlanoj rekurziji (7). Ako u Christoffel-Darbouxovom identitetu (10) uvedemo supstituciju y = x j gdje je x j nultočka ortogonalnog polinoma p n, tada dobivamo n 1 k=0 p k (x)p k (x j ) b k = p n(x)p n+1 (x j ) α n b n (x x j ). (38) Zatim prethodnu jednakost pomnožimo s w(x)p 0 (x). Zbog ortogonalnosti dobivamo p 0 (x j ) b 0 b 0 = p n+1(x j ) α n b n b a w(x) p 0(x)p n (x) x x j dx. (39) Iz definicije Lagrangeovog interpolacijskog polinoma dobivamo l j (x) = p n (x) (x x j )p n(x j ). (40) Koristeći (37), (40) i činjenicu da je p 0 konstanta, (39) možemo zapisati kao Dakle, 1 = p n+1(x j ) α n b n b = p n+1(x j )p n(x j ) α n b n a = p n+1(x j )p n(x j ) λ j. α n b n λ j = a w(x) p n(x) dx x x j b w(x)l j (x)dx A n+1 b n A n p n+1 (x j )p n(x j ), (41) za j = 1, 2,..., n, što je puno lakše izračunati nego koristeći izraz (37). Ostatak E se računa kao gdje je η a, b. E = Detaljnije o formuli (42) može se pogledati u [5]. Gauss-Čebiševljeva kvadraturna formula je oblika x 2 f(x)dx = b n A 2 n(2n)! f (2n) (η), (42) n λ j f(x j ) + E, (43) j=1 32

33 gdje su x j nultočke polinoma T n, težinski koeficijenti i ostatak za η 1, 1. π λ j = T n(x j )T n+1 (x j ) E = 2π 2 2n (2n)! f (2n) (η), Gauss-Laguerrova kvadraturna formula je 0 e x f(x)dx = n λ j f(x j ) + E, j=1 gdje su x j nultočke polinoma L n, težinski koeficijenti i ostatak za η 0,. λ j = (n!) 2 L n(x j )L n+1 (x j ) E = (n!)2 (2n)! f (2n) (η), Gauss-Hermiteova kvadraturna formula je + e x2 f(x)dx = n λ j f(x j ) + E, j=1 gdje su x j nultočke polinoma H n, težinski koeficijenti i ostatak za η, +. λ j = 2n+1 n! π H n(x j )H n+1 (x j ) E = n! π 2 n (2n)! f (2n) (η), Gauss-Legendreova kvadraturna formula je 1 1 f(x)dx = n λ j f(x j ) + E, j=1 33

34 gdje su x j nultočke polinoma P n, težinski koeficijenti i ostatak za η 1, 1. λ j = 2 (n + 1)P n+1 (x j )P n(x j ) E = 22n+1 (n!) 4 (2n + 1)[(2n)!] 3 f (2n) (η), Detaljnije o kvadraturnim formulama može se pogledati u [5]. Još o primjenama ortogonalnih polinoma može se pogledati u [4], [5], [6] i [8]. 34

35 9. Zaključak U radu smo naveli neka osnovna svojstva ortogonalnih polinoma. Pokazali smo da od zadanog skupa polinoma, pomoću Gram-Schmidtovog postupka ortogonalizacije, možemo dobiti ortonormirani skup polinoma. Dokazali smo da se svaki polinom može zapisati kao linearna kombinacija ortogonalnih polinoma. Obradili smo pet vrsta klasičnih ortogonalnih polinoma: Čebiševljevi polinomi prve i druge vrste, Laguerrovi polinomi, Hermiteovi polinomi i Legendreovi polinomi. Navedeni polinomi mogu se zapisati pomoću rekurzivne relacije, funckija izvodnica, Rodriguesove formule i kao rješenja diferencijalnih jednadžbi. Osim toga, obradili smo primjenu ortogonalnih polinoma na Gaussove kvadraturne formule. 35

36 Literatura [1] M. Abramowitz, I. A. Stegun, Handbook of Mathematical Function, Dover Publications, New York, [2] R. El Attar, Special Functions and Orthogonal Polynomials, Lulu Press, USA, [3] D. Ž. Doković, D. S. Mitrović, Specijalne funkcije, Gradevinska knjiga, Beograd, [4] V. I. Krylov, Approximate Calculation and Integrals, Dover Publication, INC, [5] P. Rabinowitz, A. Raltoson, A first course in numerical analysis, Dover Publications, New York, [6] M. Rogina, S. Singer, S. Singer, Numerička matematika, Sveučilište u Zagrebu, PMF-Matematički odjel, Zagreb, 2008., (javno dostupno: [7] R. Scitovski, Numerička matematika, Sveučilište u Osijeku, Odjel za matematiku, Osijek, [8] G. Szego, Orthogonal Polynomials, American Mathematical Society, Rhoe Island, [9] The world of Matematical equations, Special Functions and Orthogonal Polynomials, (javno dostupno: 36

37 10. Sažetak Ortogonalni polinomi su posebna vrsta polinoma koji su otrkiveni prilikom rješavanja odredenih diferecijalnih jednadžbi. Cilj ovog diplomskog rada je dati pregled klasičnih ortogonalnih polinoma kao što su: Čebiševljevi polinomi prve i druge vrste, Laguerrovi polinomi, Hermiteovi polinomi i Legendreovi polinomi. Osim definicija, za sve ortogonalne polinome navedene su pripadne funkcije izvodnice i rekurzivne relacije. Završni dio rada posvećen je primjenama ortogonalnih polinoma kod približnog računanja odredenih integrala, odnosno kod Gaussovih kvadraturnih formula koje imaju veliku primjenu u numeričkoj matematici. Ključne riječi. Ortogonalni polinomi, Čebiševljevi polinomi prve vrste, Čebiševljevi polinomi druge vrste, Laguerrovi polinomi, Hermiteovi polinomi, Legendreovi polinomi, Gaussove kvadraturne formule. 37

38 11. Summary Orthogonal polynomials are special type of polynomials which are discovered by solving determinate differencial equations. As a main point of this masters thesis is to represent classical orthogonal polynomials like: Chebyshev Polynomials of the First Kind, Chebyshev Polynomials of the Second Kind, Laguerre Polynomials, Hermite Polynomials and Legendre Polynomials. For this orthogonal polynomials are listed related generating functions and recurrence relations, apart from definitions. Concluding part of this masters thesis is to dedicate application of orthogonal polynomials at approximation calculating definite integral, apropos Gaussian quadrature formulas which have big application in numerical mathematics. Key words. Orthogonal polynomials, Chebyshev Polynomials of the First Kind, Chebyshev Polynomials of the Second Kind, Hermite Polynomials, Laguerre Polynomials, Legendre Polynomials, Gaussian quadrature formulas. 38

39 12. Životopis Rodena sam 13. prosinca godine u Osijeku, Hrvatska. Godine završila sam Osnovnu školu Miroslava Krleže, Čepin. Iste godine upisala sam III. Gimnaziju Osijek (prirodoslovno-matematički program). Srednju školu završila sam godine kada sam upisala Nastavnički studij matematike i informatike na Odjelu za matematiku Sveučilišta u Osijeku. Osim toga, od godine aktivna sam članica Kulturno umjetničkog društva Ivan Kapistran Adamović iz Čepina. Od sam odbojkaški sudac, a godine položila sam za nacionalnog suca. 39