Научная статья на тему 'Асимптотика равномерной нормы присоединенных функций Лежандра Pkn (случай n- k ≪ n)'

Асимптотика равномерной нормы присоединенных функций Лежандра Pkn (случай n- k ≪ n) Текст научной статьи по специальности «Математика»

CC BY
125
25
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ПРИСОЕДИНЕННЫЕ ФУНКЦИИ ЛЕЖАНДРА / РАВНОМЕРНАЯ И СРЕДНЕКВАДРАТИЧЕСКАЯ НОРМА / АСИМПТОТИКА / ASSOCIATED LEGENDRE FUNCTIONS / UNIFORM AND MEAN-SQUARED NORM / ASYMPTOTICS

Аннотация научной статьи по математике, автор научной работы — Холшевников К. В., Шайдулин В. Ш.

Исследуется равномерная (чебышёвская) норма присоединенных функций Лежандра Pkn (x) на промежутке ортогональности -1 ≤ x ≤ 1. Основное внимание уделено асимптотике при стремлении нижнего индекса к бесконечности. В этой статье предполагается, что разность индексов s = п к фиксирована или растет медленнее, чем √n. Установлено, что норма растет асимптотически, как ϒs(2n/e)n-s/2. Зависящий от s коэффициент ϒs выражен через наибольшее по y в области (s + 2)-2y значение модуля некоторой функции Ф3(s,y) = ѡ(s,y)Ф1(s,y), где ѡ элементарна, а Ф1 представляет собой обобщенный гипергеометрический многочлен 2F0(б, в, 4y). Параметры многочлена равны б = -s/2, в = (s-1)/2. Для первых значений s вычислены точные значения нормы и коэффициента ϒs при главном члене асимптотики.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Asymptotics of the uniform norm of associated Leg-endre functions (the case n - k ≪ n)

The uniform (Chebyshevian) norm of the associated Legendre harmonics Pkn (x) on the orthogonality segment -1 ≤ x ≤ 1 is investigated. The main goal is to examin an asymptotic behaviour while the subscript tends to infinity. In this paper the difference s = n k is supposed to be fixed or increasing slower than √n. It is obtained that the norm increases asymptotically as ϒs(2n/e)n-s/2. Depending on s coefficient ϒs is expressed via the greatest (with respect to y in the interval (s + 2)-2y s/4) value of the modulus of a function Ф3(s,y) = ѡ(s,y)Ф1(s,y), ѡ being an elementary function, and Ф1 being a generalized hypergeometric polynomial 2F0(б, в, 4y). Polynomial's parameters are equal to б = -s/2, в = (s-1)/2. Exact values of the norm and the coefficient ϒs of the main term of the asymptotics are calculated for the first values of s.

Текст научной работы на тему «Асимптотика равномерной нормы присоединенных функций Лежандра Pkn (случай n- k ≪ n)»

УДК 517.586

Вестник СПбГУ. Сер. 1, 2009, вып. 3

АСИМПТОТИКА РАВНОМЕРНОЙ НОРМЫ

ПРИСОЕДИНЕННЫХ ФУНКЦИЙ ЛЕЖАНДРА (СЛУЧАЙ n — k < n)*

К. В. Холшевников1, В. Ш. Шайдулин2

1. С.-Петербургский государственный университет, д-р физ.-мат. наук, профессор, kvk@astro.spbu.ru

2. С.-Петербургский государственный университет, аспирант, shvak@yandex.ru

Введение. В настоящей работе продолжено исследование асимптотического поведения равномерной (чебышёвской) нормы (P¿) присоединенных функций Лежанд-ра при стремлении нижнего индекса к бесконечности. В статье [1] рассмотрен случай к <С п, точнее к = о(п2/3). Установлено, что (Р£) ~ Jknk, где Jk —наибольшее значение функции Бесселя порядка k. Символ используется для обозначения эквивалентности переменных при n ^ ж.

Здесь мы рассмотрим случай s ^ n, где s = n — k. Точнее, считаем далее

s = о(а/п) при п —> оо. (1)

При условии (1) также удалось найти асимптотику (P^-s), оказавшуюся отличной от полученной при малых k.

Нормы присоединенных функций Лежандра. Рассмотрим присоединенную функцию Лежандра

p4x) = (l-x2)^dkPn[X\ О^к^п, (2)

dxk

где Pn — многочлен Лежандра со стандартной нормировкой Pn (1) = 1.

Нас интересуют равномерная и среднеквадратичная (евклидова) нормы Рк, чаще всего употребляемые на практике. Если f — произвольная непрерывная на отрезке [—1,1] функция, то по определению

</)=тах|/(х)|, \\п2 = \ J\f(x)\2dx. (3)

Наибольшее значение и интеграл здесь и ниже берутся на основном отрезке [—1,1]. Нормировка в (3) выбрана из условия (c) = ||c|| = |c|.

Евклидова норма и оценка чебышёвской нормы известны (см. [2, 1]):

J 1 (n + fc)!=||pfe|| ^ /pfc) ^ J2n+1 npfcll (4)

у 2n + 1 (n — k)\ ^ ^ V 2-4o " W

где Skо — символ Кронекера.

* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант №09-02-00230) и Совета по грантам Президента РФ для государственной поддержки молодых российских ученых и ведущих научных школ (грант №НШ-1323.2008.2).

© К. В. Холшевников, В. Ш. Шайдулин, 2009

Положим к = п — в. Поскольку при в = п задача тривиальна: (Рп) = 1, считаем ниже

в < п. (5)

Неравенства (4) преобразуем к виду

1 (6)

2п +1 в! 11 п 11 " ' п ' ^ V 2в!

Применяя к содержащему п факториалу приведенную в Приложении 2 формулу (45) с учетом условия (1), получим асимптотические оценки

/ 2п\n-V2-V4 , с чп-я/2+1/4

\\П\ <(Рп-в)<Мв1^-) . (7)

Здесь

л/27г/е _ _ /7

^^ V 2

Символ «<<» означает оценку главных членов асимптотики при п ^ то. Покажем, что (РП-Я) растет как (2п/е)п-я/2 и найдем константу

-п+я/2

п—у е /

За основу возьмем разложение Рп(х) по степеням х (см. [2, 3]):

,Х2)(п-«)/^ (_ 1)тЬпятх»-2т

Р"-Я(х) = (1 — х2)(п-я)/2 ^ ( — 1)т6п8тх8-2т, (8)

т=0

= (1 - х2)("-8-2)/2д„8(х). (9)

Здесь

К«+1)/2]

т=0

причем

дп8(х)= (—1)т+1&п8тх8+1-2т, (10)

(2п - 2т)! пят 2п т!(п — т)!(в — 2т)!'

, _ (2п - 2т)![п(в + 2т + 1) - 2тв] пят = 2™т!(п — т)!(в + 1 — 2т)! "

Для нахождения (Р,п-я) следует найти вещественные корни многочлена (10) и выбрать среди них дающий наибольшее значение величине |Р"-Я(х)|. Как известно [2], функция Р"-Я(х) в интервале —1 < х < 1 имеет ровно в корней. Следовательно, Р"-Я(х) на отрезке —1 ^ х ^ 1 имеет ровно в + 2 корня. По теореме Ролля производная (9) имеет при х € ( — 1,1) ровно в + 1 корень. Поэтому все корни многочлена <5пя степени в + 1 вещественны и лежат в интервале ( — 1,1). По симметрии можно ограничиться промежутком [0,1).

Несколько первых значений в. Для 0 ^ в ^ 4 нетрудно получить точные выра-

жения чебышёвской нормы Р'] Пусть в = 0,

и —в и •

<ЗпоИ = -пВпх, Р"(ж) = Р>„( 1 - Х^) 2 при £>

(2п)! 2™п!

(2п - 1)!!. (11)

Отсюда х = 0 и

(РП) = В

Пусть в = 1. Согласно (5) можно считать п ^ 2,

Яп1(х) = -£п(пх2 - 1), РП—'(х) = Япх(1 - х2)(п—1)/2.

Отсюда ж = 1 /а/п и

пп

(п—1)/2

Пусть в = 2, п ^ 3. Тогда

(12)

(13)

.2) (и — 2)/2

Максимум модуля Р" 2 достигается или в точке хо = 0, или в точке

Ж'

I Ъп - 4 п(2п - 1)

< 1,

причем

Р„п—2(хо)|

В

2(2п - 1) '

РГ2(Ж1)

2(та-1)Дп

п(2п - 1)

2(п — 1)(п — 2) п(2п - 1)

( -2)/2

Сравним значения Р" в точках хо и Ж1. Обозначим

д(п)

Рп—2(Х1)

РП—2(хо)

4(п - 1)

2(п - 1)(п - 2)

п(2п - 1)

( -2)/2

В Приложении 1, п. 1 установлено, что д(п) > 1. Поэтому наибольшее значение Р, принимает в точке Ж1:

п—2 п

(Р"—2) = 2В„

п - 1

1(2 п- 1)

1

5п - 4 ъ{2п — 1)_

( -2)/2

(14)

Пусть в = 3, п ^ 4. Тогда

Я пз(х) = -

В

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

4 9(п - 1) 2 3 пж----—ж +

2п - 1

рп—а/ \ _ " I 'а__^

п [Х) - 6 Ж г ~ 2п- 1

2п 1

В

Многочлен д„з (х) имеет два положительных корня

19(п — 1) — и 2п(2п - 1) '

Х2

/9(п - 1) 2п(2п — 1)

где и = а/57п2 — 150п + 81.

Легко показать, что 3п — 9 < и < 9(п — 1), и при этом

0 < Х1 < Х2 < 1. Вычислим интересующую нас функцию в точках хг, г = 1, 2:

РТ3(Хг )

Обозначим

Опу/9п-9+ (-1)ги[3п - 9 + (-1 )ги] 12п(2п - \)^2п(2п- 1)

1

9п-9 + (-1)гм 2п(2п - 1)

(п-3)/2

. (15)

51 (п) =

р п рп

3

(х2 )

[РП-3(Х1)]

(9п — 9 + и)(и + 3п — 9)2 /4п2 — 11п +9 — и

(9п — 9 — и) (и — 3п + 9)2 V 4п2 — 11п + 9 +

3

В Приложении 1, п. 2 показано, что 51 (п) > 1. Поэтому

/рп-3\ _ ОпЛ/9п - 9 + м(3п - 9 + и)

\ п 1

12п(2п - 1)у/2п{2п- 1)

1

9п - 9 + и 2п(2п - 1)

(п-3)/2

Перейдем к случаю в = 4, п ^ 5:

^п4(х) = —

Аг 24

2п — 1 (2п — 1)(2п — 3)

3

рп—4 ( \ _ £п ( 4 _ 6 т2 ,__

п 24 у 2п — 1 (2п—1)(2п —3)

где

хо =0, Х1 =

V = 2

17п-8-у п(2п - 1)

х2 =

)(1 — х2)(

¡7п — 8 + V п(2п - 1)

2)(п-4)/2

(п — 2)(11п2 — 40п + 24)

2п — 3

Легко показать, что V < 7п — 8 , (2п — 3)« > 2(4п2 — 17п + 12), и что

0 = хо < х1 < х2 < 1.

Вычислим интересующую нас функцию в точках хо, хг, г = 1, 2:

рп-4( ) = -^-

" К ' 8(2п — 1)(2п — 3)

(16)

РТ4(хг)

£>„(п - 2)[8п2 - 34п + 24 + (2п - 3)(-1)гг;] Зп2(2п — 1)2(2п — 3)

1

7п — 8 + ( —1)г-у п(2п - 1)

( -4)/2

2

и

и образуем отношения

92 (п) =

РГ4(*1)

Р

Р 7

и —4

(хо)

8(п - 2) [(2п - 3)г; - (8п2 - 34п + 24)] Зп2(2п- 1)

2п2 - 8п + 8 + V

п(2п - 1)

(и-4)/2

93 (п) =

Р„и-4(Х2)

Рпи-4(Х1)

(2п - 3)г; + (8п2 - 34п + 24) /2п2 - 8п + 8 - у\(п 4)/2 (2п - 3)г; - (8п2 - 34п + 24) ^2п2 - 8п + 8 + '

В Приложении 1, пп. 3 и 4 показано, что 92 (п) > 1, 93 (п) > 1, так что

0 < Р7и-4(хо) < |Р„ (Х1)| < Р„и-4(Х2).

Поэтому

(РГ4) =

£>„(п - 2)[8п2 - 34п + 24 + (2п - 3)«] Зп2(2п — 1)2(2п — 3)

1

7п - 8 + V

г(2п - 1) _

( -4)/2

(17)

Асимптотика для нескольких первых значений в. Полученные значения (Р"-я) оказались весьма громоздкими. Найдем асимптотику (Р"-я) и

А и-

(РГЯ)11РГ1-1-

Среднеквадратичная норма и ее асимптотика определены формулами (6), (7), так что

Аи-я =

Аи =

(2п — в)! ' М3 \2п) К п Л

(18)

Величина (Р™ я) согласно (12), (13), (14), (16), (17) пропорциональна Ви. В силу (11), (47),

(19)

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Для степенно-показательных множителей используем класические разложения типа

п 2 \ п

11 -- + ---Ь

2 4п

1

1 \(и-1)/2

1/2.

В результате убеждаемся, что справедлива следующая

Теорема 1. При 0 ^ в ^ 4 равномерная норма и отношение равномерной и среднеквадратичной нормы присоединенных функций Лежандра удовлетворяют асимптотическим (при п ^ ж) соотношениям

'2п\ и-з/2

(РГ8)- 7.(^1

\и-в п

(20)

где коэффициенты зависят лишь от в.

~ е

п

а

Величины 73 и ё,3 связаны равенством

д/ С !е8

6а=ъ^, (21) у п

так что достаточно привести значения 78:

/- 2

7о = V 2, 71 = 72 = е

73 = _1( з + + 74 = ^1 + ^/22) е_(15+^2)/4^ (22)

Численные значения 78, ¿8 для первых в представим таблицей.

Значения 73, при 0 ^ « ^ 4

8 0 1 2 3 4

1.4142 0.7358 0.2981 0.1008 0.02982

1.0623 0.9112 0.8608 0.8314 0.8109

Асимптотика. Найдем асимптотику {Р"-8) и А"-8 при п ^ <х и произвольном в, удовлетворяющем условию (1).

Согласно (45) с учетом то = С(в) = о(л/п)

(2п — 2т)! 02п-2Ш+1/2„-пп-т

—--т— ~ / ' е п ,

(п — т)!

поэтому (8), (9) влекут

п |.з/2]

т_о то!(в - 2то)!(4п)т ' К* + 1)/2]

— (1_ж2)("-«)/2 у ^ ж , (23)

п \ е / у 7 ^ т.!(я — 2т)! (4п )т у /

~ (22)" ,1 1 V ' (-«г+,<.+2- + «*•«->-

ах \ е )

\ / т=п

~ ^ ■=■«-**>™ >' ' "'„к.; •(24)

При четном в одним из корней производной от Р" 8 служит х = 0, и в этой точке

Р„ (0)-(-1) ьпя,в/2 - 2П(8/2)!(П_8/2)! - (8/2)!(2е)в/2 [т) ' (25)

Для 0 < х < 1 введем переменную

1 1

У

Апх2 ' 2д/пу

Формулы (23), (24) принимают вид

о / 1 \(™-8)/2 /о„\"-»/2

(-) *.<•.»>. (ад

(п-8-2)/2 , 2п х п-(8-1)/2

^ \1 2(2еуУ+1 Апу) V"

Здесь

т=0

К« + 1)/2]

ж / \ х- 1)т(з + 2т + 1)ут

Ф2 {■%у)= > ---• 29

т!(в + 1 — 2т)!

т=0 4 '

Суммы в двух последних формулах сводятся к обобщенным гипергеометрическим многочленам

= (30)

в!

где

т!

т=0

причем одно из чисел а, в является целым неположительным. Если в = 0, то согласно (12), (19), (18)

/2 п\п

при 70 = а/2, ¿о = \/4/7г в согласии с (20)-(22).

Пусть в ^ 1. Обозначим через положительные корни уравнения

Ф2(в,у) = 0,

а через —корень, для которого |Фз(в, уя)| ^ |Фз(в, )| при всех Здесь Фз(в,у) — правая часть (26). Пусть

Ф4 (в) = |Ф1(в,уя)|.

Ниже мы убедимся, что (в + 2)-2 < у^- < в/4, так что соответствующие значения х^-имеют границы

1 в + 2 2 у/пуТ] 2 л/п

По условию (1) правая часть (32) меньше единицы, поэтому все х^- лежат в нужном интервале (0, 1). При фиксированном в

/ 1 \ (п-я)/2

п—то у 4пуг

Несложно показать, что при в = о(^/п)

1 в +2 , о < х3э = ^ < . (32)

1 \ (п-8)/2 1-— ] _ е-1/(8У,).

4пуя

В результате

( 2п\ "-я/2

где

|Ф3(8,Ув)|~7в( —) , (33)

7« = ^2(2еу8)-8/2е-1/(8^)ф4(5).

Таким образом, справедлива

Теорема 2. При условии (1) равномерная норма и отношение равномерной и среднеквадратичной нормы присоединенных функций Лежандра удовлетворяют асимптотическим (при п ^ ж) соотношениям (20), где 7Я = 7Я при нечетном в, а при четном

7*=таХ{^ (а/2)!(1)'/2 }; (34)

коэффициент 68 дается формулой (21).

Оценим границы промежутка, содержащего все вещественные корни многочлена Ф2. Очевидно, все они положительны. Образуем модуль г отношения последующего члена суммы (29) к предыдущему

(в + 2т + 3)(в + 1 - 2т)(в - 2т)

-г = -;-ГТ-;-V =

(в + 2т+1)(т + 1)

(в + 1 - 2т)(в - 2т) 2(в + 1 - 2т)(в - 2т) (т+1) + (в + 2т+1)(т + 1)

что убывает с ростом т.

Предположим, что у ^ 1/(в + 2)2. Тогда

в(в + 3)

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

г < г т=о = « « + 3)у < -г—4 < 1-

(в + 2)2

Таким образом, конечный ряд (29) имеет лейбницевский тип, так что Ф2(в, у) > 0. Определим теперь, при каких у значение г будет не меньше единицы. Достаточно, чтобы это было выполнено для отношения последнего члена суммы к предыдущему. Пусть в четно:

12(2в +1) в(2в - 1)

Если в нечетно, то

в(2в - 1) ^ У ^ 12(2в + 1)'

4у в

— > 1 У > 7.

в 4

При у ^ в/4 сумма (29) имеет лейбницевский тип, если поменять порядок суммирования на обратный. Поэтому Ф2(в,у) = 0. Итак, все вещественные корни многочлена Ф2(в, у) лежат в интервале (в + 2)-2 < у < в/4.

Для в = 1, 2,..., 30 были проведены численные расчеты. Оказалось, что многочлен Ф2(в, у) степени в = [(в + 1)/2] имеет в положительных корней (в + 2)-2 < уЯ1 < уЯ2 < ... < уЯ5 < в/4, причем уа = уя1, 7Я = 7Я. Напомним, что наименьшее из чисел у^-отвечает наибольшему из xsj.

На рисунке представлены результаты расчетов. Значения уа убывают, соответственно критическое значение х возрастает вместе с в при фиксированном п. Значения 68 хорошо ложатся на кривую

бя =

со

(в + С1)с '

(35)

где постоянные оцениваются по методу наименьших квадратов

с0 = 0.9233 ± 0.0008, с1 = 0.2086 ± 0.0040, с = 0.0897 ± 0.0003. (36)

Естественно высказать гипотезу, что таково поведение уа, 68 при произвольных в, и что

7я = 7«.

Приложение 1: вспомогательные оценки.

1. Пусть при п ^ 3

9(п) =

4(п - 1)

2(п - 1)(п - 2)

г(2п - 1)

( -2)/2

Оценим 9(п) снизу. Логарифмируя и дифференцируя, получим

, ^ , 4(п - 1) п - 2 2(п - 1)(п - 2) 1п д(п) = 1п —-- Н--1п ——-—-—-—-,

УК ' п 2 п(2п- 1) '

2(п - 1)(п - 2)

2

d 1п 9(п) ¿п

5п - 4

(п - 1)(2п - 1)

+ 1п

п(2п - 1) '

2

1п 9(п) - 10п2 + 16п - 7

¿п2

+

5п2 - 8п + 2

5п3 - 6п2 + 2

(п - 1)2(2п - 1)2 п(п - 1)(п - 2)(2п - 1) п(п - 1)2(п - 2)(2п - 1)2

Последняя дробь положительна при п ^ 3, поэтому производная от 1п 9(п) возрастает и остается меньшей своего предельного значения

сПпд(п) Ит й\пд{п) = р

¿п

¿п

п—>оо

Поэтому ln g(n) убывает и остается большим предельного значения

5

Inд(п) > lim Inд(п) = 1п4 — — = 0.136 . .., д(п) > 1.

n—4

2. Рассмотрим при n ^ 4 функцию

gi(n, u) = hi(n, u)h-2(n, u),

где

(9n - 9 + u)(u + 3n - 9)2 /4n2 - 11n + 9 -

h\{n,u) = --—-, h,2(n,u)

n —3

(9п — 9 — и)(и — 3п + 9)2' ' ' \4п2 — 11п + 9 + '

Оценим 51 снизу при и = а/57 п2 — 150п + 81. Выгоднее считать и независимой переменной в промежутке

7п — 9 < и < Ь(п — &1), Ь= а/57 = 7.549..., 61 = 25/19 = 1.315... (37)

Для оценки Л-2 воспользуемся неравенством

о

(1 -х)у > е-^+^У, 0 < х < у> 0 (38)

5

при

2 и

у = п — 3.

4п2 — 11 п + 9 + и При фиксированном п величина х возрастает вместе с и, так что

2Ь(п — Ь1) Ь

х <_-_-_ < _

4п2 - (11 - Ъ)п — {ЪЪ\ — 9) 2п ' что меньше 3/5 при п ^ 7. Далее,

+ ж2)у < Ь(2п + Ь)(п-3) < Ь(п + 1) ^ > е_ь(п+1)/(2п)

4п2 2п

При п ^ 63 получаем

/¿2(п, и) > е-32Ь/63 = (46.285 .. .)-1.

Обратимся к hi. Вычислим производную

dhi (n, u) 6(u + 3n - 9)

du (9n - 9 - u)2(u - 3n + 9)3

при

h3(n, u)

h3(n, u) = u2(5n - 9) - 27(n - 1)(n - 3)(7n - 9) Подставляя 7n - 9 вместо u, получим

h3(n, u) > 8n2(7n - 9) > 0.

Поэтому

, , , , , , (8n - 9)(5n - 9)2

4n3

u

Последняя величина возрастает вместе с п, так что при п ^ 63 выполнено /^(п, и) > 46.341, откуда

91(п,и) > 1. (39)

Справедливость (39) при 4 ^ п ^ 62 устанавливается прямыми вычислениями. 3. Рассмотрим при п ^ 5 функцию

92(п, V) = /-4(п, v)h5(n, V),

где

/4 (п, V) :

8(п - 2) [(2п - 3)v - (8п2 - 34п + 24)]

3п2(2п - 1)

, /5 (п, V):

2п2 - 8п + 8 + V

п(2п - 1)

( -4)/2

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Оценим 92 снизу при

V = 2

(п - 2)(11п2 - 40п + 24)

2п - 3

Считаем V независимой переменной, изменяющейся в промежутке

62 (п - 63) < V < 62 (п - 64),

23

Ь2 = "\/22 = 4.69041..., Ь3 = — = 2.09090

Неравенство снизу верно при п ^ 25, сверху — при п ^ 5. Для оценки /5 воспользуемся неравенством (38) при

7п — 8 — V 7п — 8 — Ь2(п — Ьз) 7 — 62

(40)

91

Ь4 = — = 2.06818...

4 44

п(2п - 1)

п(2п - 1)

<

п4

2(п - 2) 5 '

у=

Далее,

2 (7 - б2)(2п + 3 - 62) 7 - 62

Ж + Ж < -77-- <

4(п - 2)2 2(п - 4)

/5(п, V) > е-(7-Ь2)/4 = (1.78139 .. .)-1. Обратимся к /4. Подставляя 62 (п - 63) вместо V, получим

/4(п, V) >

8(п - 2) [(262 - 8)п2 + (34 - 26263 - 362)п + (36263 - 24)]

3п2(2п - 1)

>

>

16(Ь2 -4)(та-2) 3(2п — 1)

(41)

Правая часть (41) возрастает вместе с п, поэтому /^(п, V) > 1.78531... при п ^ 50,

92 (п, V) > 1. (42)

Справедливость (42) при 5 ^ п ^ 49 устанавливается прямыми вычислениями. 4. Рассмотрим при п ^ 5 функцию

93(п, V) = /б(п, v)h7(n, V),

3

где

, , , (2п — 3> + (8п2 — 34п + 24) , (2п2 — 8п + 8 — V N (п 4)/2

= —---—-———— , кг(п,ь)=1

(2п — 3)« — (8п2 — 34п + 24)' 7 V2n2 — 8п + 8 +

Считаем V изменяющейся в промежутке (40) при п ^ 25. Для оценки Л-7 воспользуемся неравенством (38) при

2« 262(п — Ь4) п — 4 <77-^-7Б-гт:-7ГТ-£7, У =

2п2 — 8п + 8 + V 2п2 — (8 — 62)п — (6264 — 8)

Легко показать, что

Ь2 3 . 2. 62(п + 1) , 2ч Ь2(п + 1) X < — < - , х + х2 < ^ > (х + х2)у < 2\^ ] .

п 5 у 7 п(п — 4) у ' 2п

При п ^ 37 получаем

< ^7(п, V) > е-19Ь2/37 = (11.118 .. .)-1.

Обратимся к убывающей функции от V:

(262 + 8)п2 - (25254 + 362 + 34)п + (36264 + 24) 6 > (2Ь2-8)п2 + (34 - 2Ь2Ь4-ЗЬ2)п +(ЗЬ2Ь4 - 24) ' ^ '

Легко показать, что правая часть (43) возрастает вместе с п, так что ^б(п, V) > 11.149 ... при п ^ 37.

Таким образом, при п ^ 37

(п, V) > 1. (44)

Справедливость (44) при 5 ^ п ^ 36 устанавливается прямыми вычислениями.

Приложение 2: некоторые формулы для гамма-функции. При фиксированном вещественном в и х > |в| справедливо обобщенное представление Стирлинга [5, §1.1]

1пГ(ж + 0)= ( х + в- - ) \пх - х + - \п2тт + Р(в,х), (45)

22 где для Р справедливо асимптотическое разложение

Р(в х) х V (~1)т+1Бт+1(^ (46)

у ' ' т(т + 1)хт ' у '

т=1

Здесь Вк(в) — многочлены Бернулли [4, гл.2, §7], [5, §1.5.1] степени к. В частности,

1 1 3 1

во(0) = 1, в1{в) = е--, в2(в) = в2 - в +в3(в) = в3--в2 + -в.

Поскольку

— ОпГ(п 4- П Г9-п _ ПИ — _

2п~1г{п) ура

Г(2п) 2п

(2п)\\ = 2пТ(п + 1), (2п - 1)!! = -^-Ц = -=Г(п + 1/2),

то для двойных факториалов получаем

(2n)H ~ \plwn (—\1, (47)

\ e ) \ e / (2n)!! л/nn

Литература

1. Холшевников К. В., Шайдулин В. Ш. Асимптотика равномерной нормы присоединенных функций Лежандра P^ (случай k -С n) // Вестн. С.-Петерб. ун-та. Сер. 1. Вып. 2. 2009. С. 8591.

2. Гобсон Е. В. Теория сферических и эллипсоидальных функций. М.: ИЛ, 1952. 476 с.

3. Антонов В. А., Тимошкова Е. И., Холшевников К. В. Введение в теорию ньютоновского потенциала. М.: Наука, 1988. 270 с.

4. Жук В. В. Лекции по теории аппроксимации. СПб.: ВВМ, 2008. 396 с.

5. Magnus W., Oberhettinger F., Soni R. P. Formulas and Theorems for the Special Functions of Mathematical Physics, Third Edition. Berlin; Heidelberg; New York; Springer, 1966. 508 p.

Статья поступила в редакцию 19 марта 2009 г.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.