超幾何関数

超幾何関数（ちょうきかかんすう、英: hypergeometric function）は以下の超幾何級数で定義される特殊関数である（歴史的にC. F. Gaussがこの関数について詳しく調べたので彼の名前が冠されている）。

F(a,b;c;z):={_{2}F_{1}}\left[{\begin{matrix}a,b\\c\end{matrix}};z\right]=\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {(a)_{n}(b)_{n}}{(c)_{n}\;n!}}z^{n}

ただし、 $(x) n$ はポッホハマー記号で表した昇冪 $(x) 0 = 1$ 、 $(x) n = x (x +1) (x +2)\dots(x + n -1)$ である。

概要

超幾何関数は多くの初等関数や特殊関数を包含する。

{\begin{aligned}\log(1+z)&=z\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {(-1)^{n}}{n+1}}z^{n}=z\cdot {_{2}F_{1}}\left[{\begin{matrix}1,1\\2\end{matrix}};-z\right]\\\log \left({\frac {1+z}{1-z}}\right)&=2z\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {1}{2n+1}}z^{2n}=2z\cdot {_{2}F_{1}}\left[{\begin{matrix}{\frac {1}{2}},1\\{\frac {3}{2}}\end{matrix}};z^{2}\right]\\\sin ^{-1}z&=z\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {(2n-1)!!}{(2n)!!(2n+1)}}z^{2n}=z\cdot {_{2}F_{1}}\left[{\begin{matrix}{\frac {1}{2}},{\frac {1}{2}}\\{\frac {3}{2}}\end{matrix}};z^{2}\right]\\\tan ^{-1}z&=z\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {(-1)^{n}}{2n+1}}z^{2n}=z\cdot {_{2}F_{1}}\left[{\begin{matrix}{\frac {1}{2}},1\\{\frac {3}{2}}\end{matrix}};-z^{2}\right]\\\end{aligned}}

{\begin{aligned}K(k)&={\frac {\pi }{2}}\sum _{n=0}^{\infty }{\left({\frac {(2n-1)!!}{(2n)!!}}\right)^{2}k^{2n}}={\frac {\pi }{2}}\cdot {_{2}F_{1}}\left[{\begin{matrix}{\frac {1}{2}},{\frac {1}{2}}\\1\end{matrix}};k^{2}\right]\\E(k)&={\frac {\pi }{2}}\sum _{n=0}^{\infty }{\left({\frac {(2n-1)!!}{(2n)!!}}\right)^{2}{\frac {k^{2n}}{1-2n}}}={\frac {\pi }{2}}\cdot {_{2}F_{1}}\left[{\begin{matrix}{\frac {1}{2}},-{\frac {1}{2}}\\1\end{matrix}};k^{2}\right]\\\end{aligned}}

ガウスの超幾何関数はオイラー積分で表される^[1]^[2]。

F(a,b;c;z)={\frac {\Gamma (c)}{\Gamma (a)\Gamma (c-a)}}\int _{0}^{1}t^{a-1}(1-t)^{c-a-1}(1-tz)^{-b}dt\qquad (0<\Re {a}<\Re {c},|z|<1)

これは

{\begin{aligned}F(a,b;c;z)&={\frac {\Gamma (c)}{\Gamma (a)\Gamma (c-a)}}\cdot {\frac {\Gamma (a)\Gamma (c-a)}{\Gamma (c)}}\cdot \sum _{n=0}^{\infty }{\frac {(a)_{n}(b)_{n}}{(c)_{n}\;n!}}z^{n}\\&={\frac {\Gamma (c)}{\Gamma (a)\Gamma (c-a)}}\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {\Gamma (a+n)\Gamma (c-a)(b)_{n}}{\Gamma (c+n)\;n!}}z^{n}\\&={\frac {\Gamma (c)}{\Gamma (a)\Gamma (c-a)}}\sum _{n=0}^{\infty }\mathrm {B} (a+n,c-a){\frac {(b)_{n}}{n!}}z^{n}\\&={\frac {\Gamma (c)}{\Gamma (a)\Gamma (c-a)}}\sum _{n=0}^{\infty }\left(\int _{0}^{1}t^{a+n-1}(1-t)^{c-a-1}dt\right){\frac {(b)_{n}}{n!}}z^{n}\\&={\frac {\Gamma (c)}{\Gamma (a)\Gamma (c-a)}}\int _{0}^{1}t^{a-1}(1-t)^{c-a-1}\left(\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {(b)_{n}}{n!}}(tz)^{n}\right)dt\\&={\frac {\Gamma (c)}{\Gamma (a)\Gamma (c-a)}}\int _{0}^{1}t^{a-1}(1-t)^{c-a-1}(1-tz)^{-b}dt\\\end{aligned}}

として導かれる。

ガウスの超幾何関数のオイラー積分表示に $z=1$ を代入するとガウスの超幾何定理を得る^[2]^[3]。

{\begin{aligned}F(a,b;c;1)&={\frac {\Gamma (c)}{\Gamma (a)\Gamma (c-a)}}\int _{0}^{1}t^{a-1}(1-t)^{c-a-b-1}dt\\&={\frac {\Gamma (c)\mathrm {B} (a,c-a-b)}{\Gamma (a)\Gamma (c-a)}}\\&={\frac {\Gamma (c)\Gamma (c-a-b)}{\Gamma (c-a)\Gamma (c-b)}}\qquad (\Re {a}+\Re {b}<\Re {c},c\not \in \mathbb {Z} \setminus \mathbb {N} )\\\end{aligned}}

となる。更に $a=-n$ を代入するとヴァンデルモンドの恒等式（英語版）を得る^[4]。

F(-n,b;c;1)={\frac {\Gamma (c)\Gamma (c-b+n)}{\Gamma (c+n)\Gamma (c-b)}}={\frac {(c-b)_{n}}{(c)_{n}}}

^ 原岡喜重. (2002). 超幾何関数. 朝倉書店.
^ ^a ^b 時弘哲治. (2006). 工学における特殊関数. 共立出版.
^ Weisstein, Eric W. "Gauss's Hypergeometric Theorem". mathworld.wolfram.com (英語).
^ Weisstein, Eric W. "Chu-Vandermonde Identity". mathworld.wolfram.com (英語).

西本敏彦『超幾何・合流型超幾何微分方程式』共立出版、1998年11月。ISBN 978-4-320-01593-7。
福原満洲雄『常微分方程式』（第2版）岩波書店〈岩波全書 116〉、1980年5月23日。ISBN 978-4-00-021234-2。
齋藤利弥：「常微分方程式論」、朝倉書店（近代数学講座5）（1967年8月25日) ※第4章：'複素領域における微分方程式'。
坂井秀隆：「常微分方程式」、東京大学出版会、ISBN 978-4-13-062960-7（2015年8月24日) ※ 第2章3節'超幾何函数と超幾何微分方程式'。
青本和彦、喜多通武：「超幾何関数論」、シュプリンガー・フェアラーク東京、ISBN 4-431-70662-3 (1994年8月23日).　※ 多変数超幾何関数論の解説。
原岡喜重：「超幾何関数」、朝倉書店、ISBN 978-4-254-11557-4 (2002年10月25日).