合流超几何函数

在特殊函數中，**合流超幾何函數**（**confluent hypergeometric function**）定義為合流超幾何方程的解。它是高斯超幾何函數的極限情形，相當於超幾何方程中的兩個正則奇點 1 和 ∞ 合流為一個非正則奇點 ∞，因而得名。

根據所選擇的參變量與宗量的不同，合流超幾何函數有多種標準形式，常見的有：

* **Kummer 函數**（**第一類合流超幾何函數**）M(a,b,z) 是 Kummer 方程的解。注意有另一個相異且無關的函數也被稱為 Kummer 函數；
* **Tricomi 函數**（**第二類合流超幾何函數**）U(a,b,z) 是 Kummer 方程的另一個線性無關的解，有時會寫成 Ψ(a,b,z)；
* **惠泰克函數** 是惠泰克方程的解，惠泰克方程里的參數與 Kummer 方程的參數所對應的李代數參數相關；

## Kummer 方程

根據廣義超幾何函數的性質，超幾何函數 w(z)=1F1(a;b;z) 滿足的微分方程為：

　
: $z\left(z{\frac {\rm {d}}{{\rm {d}}z}}+a\right)w=z{\frac {\rm {d}}{{\rm {d}}z}}\left(z{\frac {\rm {d}}{{\rm {d}}z}}+b-1\right)w$ .

展開後就得到 Kummer 方程，

　
: $z{\frac {\mathrm {d} ^{2}w}{\mathrm {d} z^{2}}}+(b-z){\frac {\mathrm {d} w}{\mathrm {d} z}}-aw=0$ ,

它在正則奇點 0 附近的一個正則解為 Kummer 函數：

　
: $M(a,b,z)=\,{}_{1}F_{1}(a;b;z)=\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {(a)^{(n)}}{(b)^{(n)}}}{\frac {z^{n}}{n!}}$

式中 (a)(n) 是升階乘的 Pochhammer 記號。

Kummer 函數是高斯超幾何函數的極限情形：

　
: ${}_{1}F_{1}(a;c;z)=\lim _{b\rightarrow \infty }\,{}_{2}F_{1}(a,b;c;{\tfrac {z}{b}})$

高斯超幾何方程在正則奇點 0 附近的另一個正則解為：

　
: $z^{1-c}\,_{2}F_{1}(1+a-c,1+b-c;2-c;z)$

按照相同的極限過程，可知 Kummer 方程的另一個正則解為（這裡的 b 等同於上式的 c）：

　
: $z^{1-b}\,_{1}F_{1}(1+a-b;2-b;z)$

但是，傳統上並不把這個正則解定義為第二類合流超幾何函數。Tricomi 函數定義為它們的線性組合：

　
: $U(a,b,z)={\frac {\Gamma (1-b)}{\Gamma (a-b+1)}}M(a,b,z)+{\frac {\Gamma (b-1)}{\Gamma (a)}}z^{1-b}M(a-b+1,2-b,z).$

它與另一個廣義超幾何函數有下列關係：

　
: $U(a,b,z)=z^{-a}\cdot {}_{2}F_{0}(a,a-b+1;;-z^{-1})$

但此時上面的超幾何函數對應的級數不收斂，需要通過另外的方式來定義（如積分表達式）。更常見的是下面的表述，它將 2F0 對應的超幾何級數視為漸近級數。

　
: $U(a,b,z)\approx z^{-a}\cdot {}_{2}F_{0}(a,a-b+1;;-z^{-1}),\quad z\rightarrow \infty ,|\arg z|<{\frac {3\pi }{2}}$

Kummer 函數是整函數，而 Tricomi 函數一般有奇點 0。

### 可轉化為 Kummer 方程的二階線性常微分方程

大部分係數為自變量 z 的一次函數的二階線性常微分方程都可以通過變量代換轉換成 Kummer 方程。對方程

　
: $(A+Bz){\frac {d^{2}w}{dz^{2}}}+(C+Dz){\frac {dw}{dz}}+(E+Fz)w=0$

先將 A+Bz 用一個新的 z 代換，就可以將二階項前面的係數化為 Kummer 方程的形式：

　
: $z{\frac {d^{2}w}{dz^{2}}}+(C+Dz){\frac {dw}{dz}}+(E+Fz)w=0$

這裡的 C,D,E,F 是作代換後得到的新的值。然後將 z 用 (D2-4F)-1/2z 代換，並將整個式子乘以相同的常數，得到：

　
: $z{\frac {d^{2}w}{dz^{2}}}+\left(C+{\frac {D}{\sqrt {D^{2}-4F}}}z\right){\frac {dw}{dz}}+\left({\frac {E}{\sqrt {D^{2}-4F}}}+{\frac {F}{D^{2}-4F}}z\right)w=0$

它的解為，

　
: $w(z)=\exp[-(1+{\tfrac {D}{\sqrt {D^{2}-4F}}}){\tfrac {z}{2}}]f(z),\quad f(z)=k_{1}M(a,C,z)+k_{2}U(a,C,z),\quad a=(1+{\tfrac {D}{\sqrt {D^{2}-4F}}}){\tfrac {C}{2}}-{\tfrac {E}{\sqrt {D^{2}-4F}}},k_{1},k_{2}\in \mathbb {C} $

### 李代數參數與惠泰克方程

Kummer 方程的李代數參數定義為

　
: $\alpha =b-1,\theta =2a-b,$

其中第一個李代數參數是 z=0 處兩個正則解的指標之差。而第二個李代數參數對於 z=0 處的兩個正則解給出相同的值。這時 z=0 處的兩個正則解可以表示為

　
: $F_{\alpha ,\theta }(z){\text{ and }}z^{-\alpha }F_{-\alpha ,\theta }(z)$

惠泰克方程的形式為：

　
: ${\frac {\mathrm {d} ^{2}w}{\mathrm {d} z^{2}}}+\left(-{\frac {1}{4}}+{\frac {\kappa }{z}}+{\frac {1/4-\mu ^{2}}{z^{2}}}\right)w=0.$

它的兩個線性無關的解為惠泰克函數，與第一類、第二類合流超幾何函數有下列關係：

　
: $M_{\kappa ,\mu }\left(z\right)=\exp \left(-z/2\right)z^{\mu +{\tfrac {1}{2}}}M\left(\mu -\kappa +{\frac {1}{2}},1+2\mu ;z\right)$

　
: $W_{\kappa ,\mu }\left(z\right)=\exp \left(-z/2\right)z^{\mu +{\tfrac {1}{2}}}U\left(\mu -\kappa +{\frac {1}{2}},1+2\mu ;z\right)$

注意到

　
: $M_{\kappa ,\mu }\left(z\right)=\exp \left(-z/2\right)z^{\mu +{\tfrac {1}{2}}}F_{2\mu ,-2\kappa }(z)$

故惠泰克方程中的參數實際上與 Kummer 方程對應的李代數參數等價，兩者之間只差一個常數倍。

## 積分表示

合流超幾何函數的很多性質可以通過高斯超幾何函數得到，高斯超幾何函數的積分表示為：

　
: $\mathrm {B} (a,c-a)\,{}_{2}F_{1}(a,b;c;{\tfrac {z}{b}})=\int _{1}^{\infty }t^{b-c}(t-1)^{c-a-1}(t-{\tfrac {z}{b}})^{-b}\mathrm {d} t=\int _{1}^{\infty }t^{-c}(t-1)^{c-a-1}(1-{\tfrac {z}{bt}})^{-b}\mathrm {d} t,\Re (c)>\Re (a)>0,|\arg(1-{\tfrac {z}{b}})|<\pi $

式中的 Β 是 beta 函數。

兩邊取極限後就得到（第一類）合流超幾何函數的積分表示：

　
: $\mathrm {B} (a,c-a)\,{}_{1}F_{1}(a;c;z)=\int _{1}^{\infty }t^{-c}(t-1)^{c-a-1}e^{\tfrac {z}{t}}\mathrm {d} t,\Re (c)>\Re (a)>0$

第二類合流超幾何函數的積分表示為：

　
: $\Gamma (a)U(a,b,z)=\int _{0}^{\infty }e^{-zt}t^{a-1}(1+t)^{b-a-1}\,dt,\quad \Re (a)>0$

## 變換公式

高斯超幾何函數的 Pfaff 變換公式為：

　
: ${}_{2}F_{1}(a,b;c;{\tfrac {z}{b}})=(1-{\tfrac {z}{b}})^{-b}\,{}_{2}F_{1}(c-a,b;c;{\tfrac {1}{b}}{\tfrac {bz}{z-b}}),\quad |\arg(1-{\tfrac {z}{b}})|<\pi $

兩邊取極限得到（第一類）合流超幾何函數的 Kummer 變換公式：

　
: ${}_{1}F_{1}(a;c;z)=e^{z}\,{}_{1}F_{1}(c-a;c;-z)$

第二類合流超幾何函數的 Kummer 變換公式為：

　
: $U(a,b,z)=z^{1-b}U\left(1+a-b,2-b,z\right)$ .

## 特殊情形

很多特殊函數都是合流超幾何函數的特殊情形。

### 柱函數

第一類、第二類虛宗量貝索函數可以分別表示為：

　
: $I_{\nu }(z)={\frac {z^{\nu }}{2^{\nu }e^{z}\Gamma (\nu +1)}}M(\nu +{\frac {1}{2}},2\nu +1,z)$

　
: $K_{\nu }(z)={\sqrt {\pi }}(2z)^{\nu }e^{-z}U(\nu +{\frac {1}{2}},2\nu +1,z)$

### Γ, 誤差函數

不完全伽瑪函數可以表示為：

　
: $\gamma (a,z)={\frac {z^{a}}{a}}M(a,a+1,-z),\quad a\notin \mathbb {Z} _{0}^{-}$

　
: $\Gamma (a,z)=e^{-z}U(1-a,1-a,z)$

誤差函數可以表示為：

　
: $\operatorname {erf} (z)={\frac {2z}{\sqrt {\pi }}}M({\frac {1}{2}},{\frac {3}{2}},-z^{2})$

### 正交多項式及相關函數

拉蓋爾函數可以表示為：

　
: $L_{n}^{(\alpha )}(z)={n+\alpha  \choose n}M(-n,\alpha +1,z),\quad \alpha \notin \mathbb {Z} ^{-}$

其中的二項式係數用貝塔函數來定義。

（物理學上的）厄米多項式可以表示為：

　
: $H_{n}(z)=2^{n}U(-{\frac {n}{2}},{\frac {1}{2}},z^{2}),\quad n\in \mathbb {Z} _{0}^{+},\Re (z)>0$

## 注

## 參考文獻

* Chistova, E.A., c/c024700, Hazewinkel, Michiel (編), 数学百科全书，Springer, 2001, ISBN 978-1-55608-010-4
* Erdélyi, Arthur; Magnus, Wilhelm; Oberhettinger, Fritz & Tricomi, Francesco G. Higher transcendental functions. Vol. I. New York–Toronto–London: McGraw–Hill Book Company, Inc. 1953. MR 0058756.
* Kummer, Ernst Eduard. De integralibus quibusdam definitis et seriebus infinitis. Journal für die reine und angewandte Mathematik. 1837, **17**: 228–242 [2014-09-05]. ISSN 0075-4102. doi:10.1515/crll.1837.17.228. （原始內容存檔於 2014-08-19） （拉丁語）.
* Slater, Lucy Joan. Confluent hypergeometric functions. Cambridge, UK: Cambridge University Press. 1960. MR 0107026.
* Tricomi, Francesco G. Sulle funzioni ipergeometriche confluenti. Annali di Matematica Pura ed Applicata. Serie Quarta. 1947, **26**: 141–175. ISSN 0003-4622. MR 0029451. doi:10.1007/bf02415375 （義大利語）.
* Tricomi, Francesco G. Funzioni ipergeometriche confluenti. Consiglio Nazionale Delle Ricerche Monografie Matematiche **1**. Rome: Edizioni cremonese. 1954. ISBN 978-88-7083-449-9. MR 0076936 （義大利語）.

## 外部連結

* Wolfram 函數大全上的 Kummer 超幾何函數（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* Wolfram 函數大全上的 Tricomi 超幾何函數（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）