المرجع الالكتروني للمعلوماتية
المرجع الألكتروني للمعلوماتية

الرياضيات
عدد المواضيع في هذا القسم 9761 موضوعاً
تاريخ الرياضيات
الرياضيات المتقطعة
الجبر
الهندسة
المعادلات التفاضلية و التكاملية
التحليل
علماء الرياضيات

Untitled Document
أبحث عن شيء أخر
تنفيذ وتقييم خطة إعادة الهيكلة (إعداد خطة إعادة الهيكلة1)
2024-11-05
مـعاييـر تحـسيـن الإنـتاجـيـة
2024-11-05
نـسـب الإنـتاجـيـة والغـرض مـنها
2024-11-05
المـقيـاس الكـلـي للإنتاجـيـة
2024-11-05
الإدارة بـمؤشـرات الإنـتاجـيـة (مـبادئ الإنـتـاجـيـة)
2024-11-05
زكاة الفطرة
2024-11-05


Legendre Polynomial  
  
4498   05:16 مساءً   date: 6-8-2019
Author : Abramowitz, M. and Stegun, I. A.
Book or Source : "Legendre Functions" and "Orthogonal Polynomials." Ch. 22 in Chs. 8 and 22 in Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs, and...
Page and Part : ...


Read More
Date: 9-10-2019 1623
Date: 12-10-2019 1440
Date: 2-5-2019 2440

Legendre Polynomial

LegendreP

The Legendre polynomials, sometimes called Legendre functions of the first kind, Legendre coefficients, or zonal harmonics (Whittaker and Watson 1990, p. 302), are solutions to the Legendre differential equation. If l is an integer, they are polynomials. The Legendre polynomials P_n(x) are illustrated above for x in [-1,1] and n=1, 2, ..., 5. They are implemented in the Wolfram Language as LegendreP[nx].

The associated Legendre polynomials P_l^m(x) and P_l^(-m) are solutions to the associated Legendre differential equation, where l is a positive integer and m=0, ..., l.

The Legendre polynomial P_n(z) can be defined by the contour integral

 P_n(z)=1/(2pii)∮(1-2tz+t^2)^(-1/2)t^(-n-1)dt,

(1)

where the contour encloses the origin and is traversed in a counterclockwise direction (Arfken 1985, p. 416).

The first few Legendre polynomials are

P_0(x) = 1

(2)

P_1(x) = x

(3)

P_2(x) = 1/2(3x^2-1)

(4)

P_3(x) = 1/2(5x^3-3x)

(5)

P_4(x) = 1/8(35x^4-30x^2+3)

(6)

P_5(x) = 1/8(63x^5-70x^3+15x)

(7)

P_6(x) = 1/(16)(231x^6-315x^4+105x^2-5).

(8)

When ordered from smallest to largest powers and with the denominators factored out, the triangle of nonzero coefficients is 1, 1, -1, 3, -3, 5, 3, -30, ... (OEIS A008316). The leading denominators are 1, 1, 2, 2, 8, 8, 16, 16, 128, 128, 256, 256, ... (OEIS A060818).

The first few powers in terms of Legendre polynomials are

x = P_1(x)

(9)

x^2 = 1/3[P_0(x)+2P_2(x)]

(10)

x^3 = 1/5[3P_1(x)+2P_3(x)]

(11)

x^4 = 1/(35)[7P_0(x)+20P_2(x)+8P_4(x)]

(12)

x^5 = 1/(63)[27P_1(x)+28P_3(x)+8P_5(x)]

(13)

x^6 = 1/(231)[33P_0(x)+110P_2(x)+72P_4(x)+16P_6(x)]

(14)

(OEIS A008317 and A001790). A closed form for these is given by

 x^n=sum_(l=n,n-2,...)((2l+1)n!)/(2^((n-l)/2)(1/2(n-l))!(l+n+1)!!)P_l(x)

(15)

(R. Schmied, pers. comm., Feb. 27, 2005). For Legendre polynomials and powers up to exponent 12, see Abramowitz and Stegun (1972, p. 798).

The Legendre polynomials can also be generated using Gram-Schmidt orthonormalization in the open interval (-1,1) with the weighting function 1.

P_0(x) = 1

(16)

P_1(x) = [x-(int_(-1)^1xdx)/(int_(-1)^1dx)]·1

(17)

= x

(18)

P_2(x) = x[x-(int_(-1)^1x^3dx)/(int_(-1)^1x^2dx)]-[(int_(-1)^1x^2dx)/(int_(-1)^1dx)]·1

(19)

= x^2-1/3

(20)

P_3(x) = [x-(int_(-1)^1x(x^2-1/3)^2dx)/(int_(-1)^1(x^2-1/3)^2dx)](x^2-1/3)-[(int_(-1)^1(x^2-1/3)^2dx)/(int_(-1)^1x^2dx)]x

(21)

= x^3-3/5x.

(22)

Normalizing so that P_n(1)=1 gives the expected Legendre polynomials.

The "shifted" Legendre polynomials are a set of functions analogous to the Legendre polynomials, but defined on the interval (0, 1). They obey the orthogonality relationship

(23)

The first few are

= 1

(24)

= 2x-1

(25)

= 6x^2-6x+1

(26)

= 20x^3-30x^2+12x-1.

(27)

The Legendre polynomials are orthogonal over (-1,1) with weighting function 1 and satisfy

 int_(-1)^1P_n(x)P_m(x)dx=2/(2n+1)delta_(mn),

(28)

where delta_(mn) is the Kronecker delta.

The Legendre polynomials are a special case of the Gegenbauer polynomials with alpha=1/2, a special case of the Jacobi polynomials  with alpha=beta=0, and can be written as a hypergeometric function using Murphy's formula

(29)

(Bailey 1933; 1935, p. 101; Koekoek and Swarttouw 1998).

The Rodrigues representation provides the formula

(30)

which yields upon expansion

P_l(x) = 1/(2^l)sum_(k=0)^(|_l/2_|)((-1)^k(2l-2k)!)/(k!(l-k)!(l-2k)!)x^(l-2k)

(31)

= 1/(2^l)sum_(k=0)^(|_l/2_|)(-1)^k(l; k)(2l-2k; l)x^(l-2k)

(32)

where |_r_| is the floor function. Additional sum formulas include

P_l(x) = 1/(2^l)sum_(k=0)^(l)(l; k)^2(x-1)^(l-k)(x+1)^k

(33)

= sum_(k=0)^(l)(l; k)(-l-1; k)((1-x)/2)^k

(34)

(Koepf 1998, p. 1). In terms of hypergeometric functions, these can be written

P_n(x) = ((x-1)/2)^n_2F_1(-n,-n;1;(x+1)/(x-1))

(35)

P_n(x) = (2n; n)(x^n)/(2^n)_2F_1(-n/2,(1-n)/2;1/2-n;x^(-2))

(36)

P_n(x) = _2F_1(-n,n+1;1;(1-x)/2)

(37)

(Koepf 1998, p. 3).

A generating function for P_n(x) is given by

 g(t,x)=(1-2xt+t^2)^(-1/2)=sum_(n=0)^inftyP_n(x)t^n.

(38)

Take partialg/partialt,

 -1/2(1-2xt+t^2)^(-3/2)(-2x+2t)=sum_(n=0)^inftynP_n(x)t^(n-1).

(39)

Multiply (39) by 2t,

 -t(1-2xt+t^2)^(-3/2)(-2x+2t)=sum_(n=0)^infty2nP_n(x)t^n

(40)

and add (38) and (40),

 (1-2xt+t^2)^(-3/2)[(2xt-2t^2)+(1-2xt+t^2)]=sum_(n=0)^infty(2n+1)P_n(x)t^n

(41)

This expansion is useful in some physical problems, including expanding the Heyney-Greenstein phase function and computing the charge distribution on a sphere. Another generating function is given by

 sum_(n=0)^infty(P_n(x))/(n!)z^n=e^(xz)J_0(zsqrt(1-x^2)),

(42)

where J_0(x) is a zeroth order Bessel function of the first kind (Koepf 1998, p. 2).

The Legendre polynomials satisfy the recurrence relation

 (l+1)P_(l+1)(x)-(2l+1)xP_l(x)+lP_(l-1)(x)=0

(43)

(Koepf 1998, p. 2). In addition,

(44)

(correcting Hildebrand 1956, p. 324).

A complex generating function is

 P_l(x)=1/(2pii)int(1-2zx+z^2)^(-1/2)z^(-l-1)dz,

(45)

and the Schläfli integral is

(46)

Integrals over the interval [x,1] include the general formula

 int_x^1P_m(x)dx=((1-x^2))/(m(m+1))(dP_m(x))/(dx)

(47)

for m!=0 (Byerly 1959, p. 172), from which the special case

int_0^1P_m(x)dx = (P_(m-1)(0)-P_(m+1)(0))/(2m+1)

(48)

= {1 m=0; 0 m even !=0; (-1)^((m-1)/2)(m!!)/(m(m+1)(m-1)!!) m odd

(49)

follows (OEIS A002596 and A046161; Byerly 1959, p. 172). For the integral over a product of Legendre functions,

(50)

for m!=n (Byerly 1959, p. 172), which gives the special case

 int_0^1P_m(x)P_n(x)dx={1/(2n+1)   m=n; 0   m!=n, m,n both even or odd; f_(m,n)   m even, n odd; f_(n,m)   m odd, n even

(51)

where

(52)

(OEIS A078297 and A078298; Byerly 1959, p. 172). The latter is a special case of

(53)

where

(54)

and Gamma(z) is a gamma function (Gradshteyn and Ryzhik 2000, p. 762, eqn. 7.113.1)

Integrals over [-1,1] with weighting functions x and x^2 are given by

int_(-1)^1xP_L(x)P_N(x)dx =

(55)

int_(-1)^1x^2P_L(x)P_N(x)dx =

(56)

(Arfken 1985, p. 700).

The Laplace transform is given by

(57)

where I_n(s) is a modified Bessel function of the first kind.

A sum identity is given by

(58)

where x_nu is the nuth root of P_n(x) (Szegö 1975, p. 348). A similar identity is

 sum_(nu=1)^n(1-x_nu^2)/((n+1)^2[P_(n+1)(x_nu)]^2)=1,

(59)

which is responsible for the fact that the sum of weights in Legendre-Gauss quadrature is always equal to 2.


REFERENCES:

Abramowitz, M. and Stegun, I. A. (Eds.). "Legendre Functions" and "Orthogonal Polynomials." Ch. 22 in Chs. 8 and 22 in Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs, and Mathematical Tables, 9th printing. New York: Dover, pp. 331-339 and 771-802, 1972.

Arfken, G. "Legendre Functions." Ch. 12 in Mathematical Methods for Physicists, 3rd ed. Orlando, FL: Academic Press, pp. 637-711, 1985.

Bailey, W. N. "On the Product of Two Legendre Polynomials." Proc. Cambridge Philos. Soc. 29, 173-177, 1933.

Bailey, W. N. Generalised Hypergeometric Series. Cambridge, England: Cambridge University Press, 1935.

Byerly, W. E. "Zonal Harmonics." Ch. 5 in An Elementary Treatise on Fourier's Series, and Spherical, Cylindrical, and Ellipsoidal Harmonics, with Applications to Problems in Mathematical Physics. New York: Dover, pp. 144-194, 1959.

Gradshteyn, I. S. and Ryzhik, I. M. Tables of Integrals, Series, and Products, 6th ed. San Diego, CA: Academic Press, 2000.

Hildebrand, F. B. Introduction to Numerical Analysis. New York: McGraw-Hill, 1956.

Iyanaga, S. and Kawada, Y. (Eds.). "Legendre Function" and "Associated Legendre Function." Appendix A, Tables 18.II and 18.III in Encyclopedic Dictionary of Mathematics. Cambridge, MA: MIT Press, pp. 1462-1468, 1980.

Koekoek, R. and Swarttouw, R. F. "Legendre / Spherical." §1.8.3 in The Askey-Scheme of Hypergeometric Orthogonal Polynomials and its q-Analogue. Delft, Netherlands: Technische Universiteit Delft, Faculty of Technical Mathematics and Informatics Report 98-17, p. 44, 1998.

Koepf, W. Hypergeometric Summation: An Algorithmic Approach to Summation and Special Function Identities. Braunschweig, Germany: Vieweg, 1998.

Lagrange, R. Polynomes et fonctions de Legendre. Paris: Gauthier-Villars, 1939.

Legendre, A. M. "Sur l'attraction des Sphéroides." Mém. Math. et Phys. présentés à l'Ac. r. des. sc. par divers savants 10, 1785.

Morse, P. M. and Feshbach, H. Methods of Theoretical Physics, Part I. New York: McGraw-Hill, pp. 593-597, 1953.

Press, W. H.; Flannery, B. P.; Teukolsky, S. A.; and Vetterling, W. T. Numerical Recipes in FORTRAN: The Art of Scientific Computing, 2nd ed. Cambridge, England: Cambridge University Press, p. 252, 1992.

Sansone, G. "Expansions in Series of Legendre Polynomials and Spherical Harmonics." Ch. 3 in Orthogonal Functions, rev. English ed. New York: Dover, pp. 169-294, 1991.

Sloane, N. J. A. Sequences A001790/M2508, A002596/M3768, A008316, A008317, A046161, A060818, A078297, and A078298 in "The On-Line Encyclopedia of Integer Sequences."

Snow, C. Hypergeometric and Legendre Functions with Applications to Integral Equations of Potential Theory. Washington, DC: U. S. Government Printing Office, 1952.

Spanier, J. and Oldham, K. B. "The Legendre Polynomials P_n(x)" and "The Legendre Functions P_nu(x) and Q_nu(x)." Chs. 21 and 59 in An Atlas of Functions. Washington, DC: Hemisphere, pp. 183-192 and 581-597, 1987.

Strutt, J. W. "On the Values of the Integral Q_n being LaPlace's Coefficients of the orders n, with an Application to the Theory of Radiation." Philos. Trans. Roy. Soc. London 160, 579-590, 1870.

Szegö, G. Orthogonal Polynomials, 4th ed. Providence, RI: Amer. Math. Soc., 1975.

Whittaker, E. T. and Watson, G. N. A Course in Modern Analysis, 4th ed. Cambridge, England: Cambridge University Press, 1990.




الجبر أحد الفروع الرئيسية في الرياضيات، حيث إن التمكن من الرياضيات يعتمد على الفهم السليم للجبر. ويستخدم المهندسون والعلماء الجبر يومياً، وتعول المشاريع التجارية والصناعية على الجبر لحل الكثير من المعضلات التي تتعرض لها. ونظراً لأهمية الجبر في الحياة العصرية فإنه يدرّس في المدارس والجامعات في جميع أنحاء العالم. ويُعجب الكثير من الدارسين للجبر بقدرته وفائدته الكبيرتين، إذ باستخدام الجبر يمكن للمرء أن يحل كثيرًا من المسائل التي يتعذر حلها باستخدام الحساب فقط.وجاء اسمه من كتاب عالم الرياضيات والفلك والرحالة محمد بن موسى الخورازمي.


يعتبر علم المثلثات Trigonometry علماً عربياً ، فرياضيو العرب فضلوا علم المثلثات عن علم الفلك كأنهما علمين متداخلين ، ونظموه تنظيماً فيه لكثير من الدقة ، وقد كان اليونان يستعملون وتر CORDE ضعف القوسي قياس الزوايا ، فاستعاض رياضيو العرب عن الوتر بالجيب SINUS فأنت هذه الاستعاضة إلى تسهيل كثير من الاعمال الرياضية.

تعتبر المعادلات التفاضلية خير وسيلة لوصف معظم المـسائل الهندسـية والرياضـية والعلمية على حد سواء، إذ يتضح ذلك جليا في وصف عمليات انتقال الحرارة، جريان الموائـع، الحركة الموجية، الدوائر الإلكترونية فضلاً عن استخدامها في مسائل الهياكل الإنشائية والوصف الرياضي للتفاعلات الكيميائية.
ففي في الرياضيات, يطلق اسم المعادلات التفاضلية على المعادلات التي تحوي مشتقات و تفاضلات لبعض الدوال الرياضية و تظهر فيها بشكل متغيرات المعادلة . و يكون الهدف من حل هذه المعادلات هو إيجاد هذه الدوال الرياضية التي تحقق مشتقات هذه المعادلات.