1 Предварительные сведения
Рассмотрим некоторые функции и их свойства, которые понадобятся в этой статье.
Определение 1. Функция вида , где , называется гамма-функцией от параметра или эйлеровым интегралом второго рода [1; 4; 7]:
(1)
В настоящей статье мы будем использовать известное свойство эйлерова интеграла второго рода, называемое первым функциональным уравнением [1; 4; 7]:
(2)
Определение 2. Интеграл вида , где , , называется бета-функцией или эйлеровым интегралом первого рода [1; 4; 7]:
(3)
Ниже нами будут использованы следующие свойства бета-функции [1; 4; 7]:
(4)
(5)
а также формула связи бета- и гамма-функций [1; 4; 7]:
(6)
Определение 3. Функция
(7)
где , параметры , и принадлежат пространству действительных чисел, параметр отличен от нуля и целых отрицательных чисел, называется гипергеометрической функцией Гаусса [1; 4; 6].
Здесь
(8)
является символом Похгаммера [5] или убывающим факториалом,
(9)
Ниже нам понадобятся следующие рекуррентные формулы Гаусса, связывающие значения гипергеометрической функции Гаусса с различными параметрами [4]:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13. null
14.
15.
16.
17.
18.
Определение 4. Функция
(10)
где , параметры , , , и принадлежат пространству действительных чисел, причём параметры и отличны от нуля и целых отрицательных чисел, называется функцией или функцией Клаузена [4; 6; 10]. Заметим, что функция широко применима при исследовании уравнений движения в практических задачах [5].
Определение 5. Функция вида , где , , параметры , , , , и принадлежат пространству действительных чисел, а параметры и отличны от нуля и целых отрицательных чисел, называется гипергеометрической функцией двух аргументов [3]:
(11)
Указанная функция появляется в результате решения некоторых краевых задач.
Функция связана с гипергеометрической функцией Гаусса соотношением [3]:
(12)
Если , то справедливо интегральное выражение [3]:
(13)
Функции Клаузена и связывает формула [3]:
(14)
справедливая при
2 Рекуррентные тождества для функции
Суть решения задачи покажем на нескольких примерах. Для вывода первой части тождеств для функции была использована формула (12). Возьмём, например, последнюю из рекуррентных формул Гаусса:
Чтобы привести гипергеометрические функции, участвующие в этой формуле, к тому виду, который функция Гаусса имеет в (1.12), обозначим
(1)
Будем иметь:
Умножим обе части полученного равенства на
(2)
и просуммируем по от нуля до бесконечности. В результате придем к следующему равенству:
Воспользовавшись представлением (7), перепишем все функции Гаусса в последнем равенстве через суммы ряда. Получим:
Или
(3)
Отметим, что, согласуясь с формулой (8), можно упростить:
(4)
(5)
null (6)
(7)
Подставим полученные выражения в равенство (3):
Умножим обе части на и воспользуемся формулой (11), чтобы записать суммы, стоящие в левой части тождества, через функцию . Получим рекуррентное тождество:
(8)
Чтобы проверить справедливость тождества (8), разложим каждую гипергеометрическую функцию в ряд по формуле (11):
Отсюда
Левая часть уравнения равна нулю только в том случае, когда равно нулю каждое из выражений, стоящих в скобках при любых допустимых значениях n и m, то есть
Распишем все символы Похгаммера в левой части по формуле (8):
В первом слагаемом сократим общий множитель y в числителе и знаменателе, затем вынесем за скобку общие множители в левой сумме:
Очевидно, для того чтобы полученное тождество было справедливо, необходимо, чтобы выражение в скобках было тождественным нулем. Чтобы это проверить, приведем его к общему знаменателю и упростим полученный числитель:
Как видим, при любых допустимых значениях n, m и y (напомним, что по определению функции параметр y отличен от нуля и целых отрицательных чисел) последнее равенство, а значит и тождество (8), верно.
Вывод этого тождества достаточно прост, поскольку множители при функциях Гаусса в использованном рекуррентном тождестве не содержат независимой переменной. Попробуем теперь произвести те же действия, например, с четырнадцатым тождеством. Так же, как и раньше, воспользуемся обозначениями (1), умножим обе части тождества на (2) и просуммируем от нуля до бесконечности, затем представим функции Гаусса в виде рядов. В результате всех этих действий придём к следующему равенству:
(9)
Первые две суммы легко преобразуются с помощью формул (8) и (11). Рассмотрим отдельно последнее слагаемое из (5). Обозначим его через s и разобьем на две части следующим образом:
Применим формулы (4) и (7), во второй сумме распишем суммирование по n:
В первом слагаемом заменим сумму на соответствующее значение функции по формуле (11), во втором слагаемом вынесем за скобку, стоящую под знаком суммы, множитель , а затем произведем его упрощение:
Подставив полученное выражение в формулу (9), умножим обе части на и придем к рекуррентному тождеству:
(10)
Приведём доказательство полученного тождества. Для этого так же, как и в предыдущем случае, используя формулу (11), представим все участвующие в тождестве функции в форме бесконечных гипергеометрических рядов:
Запишем выражение, стоящее слева так, чтобы было понятно, в каких степенях находятся независимые переменные x и y:
Во втором, четвёртом и пятом слагаемых положим , в шестом слагаемом , :
Положим теперь , и перепишем суммы так, чтобы и n, и m в символе суммирования начинались с единицы:
Сгруппируем соответствующие суммы и вынесем за скобки общие множители:

Упростив выражения в скобках, получим тождественный нуль при выполнении заданных на параметры условий, а именно того, что , , , , y и принадлежат пространству действительных чисел, а параметры y и отличны от нуля и целых отрицательных чисел. Таким образом, выполнение тождества (10) доказано.
Подобным образом из восемнадцати тождеств Гаусса получаем следующие восемнадцать рекуррентных формул для функции , справедливых для действительных параметров , , , , y
, и отличных от нуля и целых отрицательных числах y и , в первой формуле :
1. 
2. 
3. 
4. 
5. 
6. 
7. 
8. 
9. 
10. 
11. 
12. 
13. 
14. 
15. 
16. 
17. 
18.
Для вывода второй части тождеств для функции используем формулу (13). Для примера воспользуемся первым из рекуррентных тождеств Гаусса:
Для параметров и переменной введём следующие обозначения: , , , . Затем умножим обе части тождества на
и проинтегрируем по переменной t от нуля до единицы. В результате придем к следующему равенству:
Преобразуем выражения, стоящие под знаком интеграла так, чтобы под интегралом находились только произведение степеней t, , и гипергеометрическая функция Гаусса:
(11)
Обозначим слагаемые в левой части , , , и соответственно и вычислим их отдельно. К первому слагаемому фактически просто применим формулу (13). Во втором слагаемом под интегралом в показателе степени t стоит a, а не . Поэтому, чтобы привести его к формуле (13), требуются некоторые преобразования. Для упрощения бета-функцию распишем через гамма-функции по формуле (6) и преобразуем подынтегральное выражение:
Преобразования гамма-функций осуществим при помощи формулы (2), после чего снова сконструируем из них бета-функцию по формуле (6):
Теперь можем применить к интегралу формулу (13):
Аналогично

Подставим значения интегралов и в равенство (11):

умножим обе части на
и получим новое тождество:
(12)
Доказательство справедливости тождества (12) подобно тем, что даны для тождеств (8) и (10), поэтому приводить его здесь не будем. Аналогично предыдущему выводим оставшиеся семнадцать тождеств. Выпишем полученные тождества (начиная с девятнадцатого номера), которые имеют место при a, , , , y, и отличных от нуля и целых отрицательных числах y и , в первой формуле :
1. 
2. 
3. 
4. 
5. 
6. 
7. 
8. 
9. 
10. 
11. 
12. 
13. 
14. 
15. 
16. 
17. 
18.
Таким образом, нами получены 36 рекуррентных формул для функции . В каждой из них присутствуют от 3 до 5 слагаемых. Отметим, что в практических целях удобнее применять тождества, состоящие из трёх или четырёх слагаемых, поскольку чаще всего преобразовывают именно две или три функции с разными параметрами в одну.
3 Рекуррентные тождества для функции Клаузена
Для вывода тождеств для функции Клаузена воспользуемся соотношением (14) и теми 36 формулами, которые были выведены в предыдущем разделе для функции . Возьмём, например, первое из них:

Положим :

и к каждой функции внутри полученного тождества применим выражение (14):
Согласно формуле (2), в первом слагаемом левой части перепишем выражение

во втором слагаемом

в первом и втором слагаемом
Затем вынесем за скобку

и сократим на это выражение обе части тождества:
Обозначим , , , , :
Преобразуем по формуле (2)
вынесем за скобку дробь

и сократим на нее обе части последнего тождества:

Умножим обе части на :

Для упрощения формулы положим и окончательно получим
(1)
Заметим, что эта формула справедлива при действительных параметрах a, b, c, d и e, кроме того, параметр d должен быть отличен от нуля и целых отрицательных чисел, а параметр e не должен равняться единице, нулю и целым отрицательным числам. Проведем доказательство справедливости тождества (1). Для этого, воспользовавшись формулой (10), разложим функции Клаузена в гипергеометрические ряды:
(2)
В первом слагаемом выражения (2) преобразуем символ Похгаммера. Для этого воспользуемся формулой (8). Здесь
Далее в первых двух слагаемых в левой части выражения (2) вынесем общие множители за скобку, поставив их под один знак суммы:
После упрощения первого слагаемого придем к уравнению
Заметим, что первое слагаемое первой суммы (то есть выражение под знаком суммы при n=0) равно нулю, поэтому можно начать суммирование с n=1, то есть предыдущее выражение эквивалентно следующему:
(3)
Преобразуем первое слагаемое выражения (3), воспользовавшись для этого формулами (8) и (9):
В конце заменили все n-1 на n, тогда суммирование начинается с нуля. Подставив полученное выражение в равенство (3), приходим к тождеству, что и доказывает справедливость формулы (1).
Подобным образом выводим оставшиеся рекуррентные тождества для функции Клаузена, справедливые при действительных значениях параметров a, b, c, d, e и отличных от нуля и целых отрицательных числах параметров d и e. Кроме того, в формулах 1, 6, 7, 8, 17, 18, 19 и в формулах 2, 9, 10, 11, 14, 15, 16:
1.
2. 2
3.
4.
5.
6. 
7. 
8. 
9. 
10.
11.
12. 
13.
14. 
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
23.
24. 
25.
26.
27.
28.
29.
30.
31.
32.
33.
34.
35.
36.
Выводы
В настоящей статье были выведены рекуррентные тождества для двух специальных функций гипергеометрического типа. Производя арифметические действия над выведенными тождествами, можно прийти к новым формулам. Как уже было сказано выше, удобнее всего пользоваться тождествами, состоящими из трёх или четырёх слагаемых. Поэтому в заключение запишем тождества, состоящие из трёх слагаемых вместе с выведенными в результате действий над записанными ранее.
Если параметры a, , , , y, принадлежат пространству действительных чисел, параметры y и не равны нулю и целым отрицательным числам, то справедливы рекуррентные формулы для функции :
1. 
2. 
3. 
4. 
5. 
6. 
7. 
8. 
9. 
10. 
11. 
12. 
13.
Если a, b, c, d и e принадлежат множеству действительных чисел, и при этом d и c не равны нулю и целым отрицательным числам, то
1. 
2. 
3. 
4. 
5. 
6. 
7. 
8. 
9. 
10. 
11. 
12. 
13. 
14. 
15. 
16. 
17. 
18. 
19. 
20. 
21. 
22. 
23. 
24. 
25.