F. Норма полиномов Лежандра

Для вычисления нормы решения уравнения для геометрии необходимо вычислить норму присоединённого полинома Лежандра, которая определяется следующим образом

11[Pk(m)(z)]2dz,\int_{-1}^1 \left[ P_k^{(m)}(z) \right]^2 \,dz,
(F.1)

где Pk(m)(z)=(1z2)m2dmdzmPk(z)P_k^{(m)}(z) = (1 - z^2)^{\frac{\displaystyle m}{\displaystyle 2}} \cdot \frac{\displaystyle d^m}{\displaystyle dz^m} P_k(z) — присоединённый полином Лежандра. Подставим это определение в интеграл (F.1):

11[Pk(m)(z)]2dz=11(1z2)m[dmdzmPk(z)]2dz.\int_{-1}^1 \left[ P_k^{(m)}(z) \right]^2 \,dz = \int_{-1}^1 (1 - z^2)^m \left[ \frac{d^m}{dz^m} P_k(z) \right]^2 \,dz.

Подставим формулу Родрига (E.2) в интеграл и вынесем всё, что не зависит от zz:

11(1z2)m[dmdzmPk(z)]2dz=122k(k!)211(1z2)m[dk+mdzk+m(z21)k]2dz.\int_{-1}^1 (1 - z^2)^m \left[ \frac{d^m}{dz^m} P_k(z) \right]^2 \,dz = \frac{\displaystyle 1}{\displaystyle 2^{2k} \cdot (k!)^2} \cdot \int_{-1}^1 (1 - z^2)^m \cdot \left[ \frac{d^{k+m}}{dz^{k+m}} \left(z^2 - 1 \right)^k \right]^2 \,dz.
(F.2)

Понятно, что mkm \leq k: в противном случае порядок производной k+mk + m превышает степень полинома 2k2 \cdot k, и подынтегральная функция тождественно равна нулю. Сначала вычислим вспомогательный интеграл, отвечающий случаю m=0m = 0

122k(k!)211[dkdzk(z21)k]2dz.\frac{\displaystyle 1}{\displaystyle 2^{2k} \cdot (k!)^2} \cdot \int_{-1}^1 \left[ \frac{d^k}{dz^k} \left(z^2 - 1 \right)^k \right]^2 \,dz.
(F.3)

Возьмём его по частям:

11[dkdzk(z21)k]2dz=u=dkdzk(z21)k,du=dk+1dzk+1(z21)kdzdv=dkdzk(z21)kdz,v=dk1dzk1(z21)k\begin{aligned}\int_{-1}^1 \left[ \frac{d^k}{dz^k} \left(z^2 - 1 \right)^k \right]^2 \,dz = \left | \begin{array}{ll} u = \frac{d^k}{dz^k} \left(z^2 - 1 \right)^k, &du = \frac{d^{k+1}}{dz^{k+1}} \left(z^2 - 1 \right)^k \,dz\\ dv = \frac{d^k}{dz^k} \left(z^2 - 1 \right)^k \,dz, &v = \frac{d^{k-1}}{dz^{k-1}} \left(z^2 - 1 \right)^k \end{array} \right |\end{aligned}

Внеинтегральные члены равны нулю: производные didzi(z21)k\frac{\displaystyle d^i}{\displaystyle dz^i} \left(z^2 - 1 \right)^k при i<ki < k обращаются в нуль на концах отрезка. После применения формулы интегрирования по частям kk раз (каждое применение меняет знак) получаем

122k(k!)211[dkdzk(z21)k]2dz=(1)k22k(k!)211(z21)kd2kdz2k(z21)kdz,\frac{\displaystyle 1}{\displaystyle 2^{2k} \cdot (k!)^2} \cdot \int_{-1}^1 \left[ \frac{d^k}{dz^k} \left(z^2 - 1 \right)^k \right]^2 \,dz = \frac{\displaystyle (-1)^k}{\displaystyle 2^{2k} \cdot (k!)^2} \cdot \int_{-1}^1 \left(z^2 - 1 \right)^k \cdot \frac{d^{2k}}{dz^{2k}} \left(z^2 - 1 \right)^k \,dz,

теперь из формулы бинома Ньютона становится очевидно, что d2kdz2k(z21)k=(2k)!\frac{d^{2k}}{dz^{2k}} \left(z^2 - 1 \right)^k = (2k)!: полином имеет максимальную степень 2k2 \cdot k, производная такого порядка зануляет все члены, кроме старшего, а коэффициент при нём равен (2k)!(2k)!.

Осталось вычислить интеграл

11(z21)kdz=u=(z21)k,du=2kz(z21)k1dzdv=dz,v=z\begin{aligned}\int_{-1}^1 \left(z^2 - 1 \right)^k \,dz = \left | \begin{array}{ll} u = \left(z^2 - 1 \right)^k, &du = 2 \cdot k \cdot z \cdot (z^2 - 1)^{k-1} \,dz\\ dv = dz, &v = z \end{array} \right |\end{aligned}

очевидно, что внеинтегральный член равен нулю, поэтому

11(z21)kdz=2k11z2(z21)k1dz,\int_{-1}^1 \left(z^2 - 1 \right)^k \,dz = -2 \cdot k \cdot \int_{-1}^1 z^2 \cdot (z^2 - 1)^{k-1} \,dz,

заменим z2z^2 на z21+1z^2 - 1 + 1 и получим

11(z21)kdz=2k2k+111(z21)k1dz,\int_{-1}^1 \left(z^2 - 1 \right)^k \,dz = - \frac{\displaystyle 2 \cdot k}{\displaystyle 2 \cdot k + 1} \cdot \int_{-1}^1 \left(z^2 - 1 \right)^{k-1} \,dz,

применяя эту рекуррентную формулу ещё k1k - 1 раз, получим

11(z21)kdz=(1)k2k2k+12(k1)2(k1)+12(k2)2(k2)+12121+12,\int_{-1}^1 \left(z^2 - 1 \right)^k \,dz = (-1)^k \cdot \frac{\displaystyle 2 \cdot k}{\displaystyle 2 \cdot k + 1} \cdot \frac{\displaystyle 2 \cdot (k - 1)}{\displaystyle 2 \cdot (k - 1) + 1} \cdot \frac{\displaystyle 2 \cdot (k - 2)}{\displaystyle 2 \cdot (k - 2) + 1} \cdot \cdots \cdot \frac{\displaystyle 2 \cdot 1}{\displaystyle 2 \cdot 1 + 1} \cdot 2,
11(z21)kdz=(1)k22kk!2kk!(2k+1)!.\int_{-1}^1 \left(z^2 - 1 \right)^k \,dz = (-1)^k \cdot 2 \cdot \frac{\displaystyle 2^k \cdot k! \cdot 2^k \cdot k!}{\displaystyle (2 \cdot k + 1)!}.

В итоге множители (1)k(-1)^k сокращаются, и получаем

122k(k!)211[dkdzk(z21)k]2dz=22k+1.\frac{\displaystyle 1}{\displaystyle 2^{2k} \cdot (k!)^2} \cdot \int_{-1}^1 \left[ \frac{d^k}{dz^k} \left(z^2 - 1 \right)^k \right]^2 \,dz = \frac{\displaystyle 2}{\displaystyle 2 \cdot k + 1}.
(F.4)

Запишем общеизвестную рекуррентную формулу для присоединённых полиномов Лежандра, которая потребуется для следующего интегрирования по частям

2mzPk(m)(z)=1z2[Pk(m+1)(z)+(k+m)(km+1)Pk(m1)(z)],2 \cdot m \cdot z \cdot P_k^{(m)}(z) = \sqrt{1 - z^2} \cdot \left[ P_k^{(m+1)}(z) + (k+m) \cdot (k-m+1) \cdot P_k^{(m-1)}(z) \right],
(F.5)

для небольшого упрощения обозначим ϵ=(k+m)(km+1)\epsilon = \left( k + m \right) \cdot \left( k - m + 1 \right).

Вернёмся к интегралу (F.2) и выполним интегрирование по частям:

11(1z2)m[dmdzmPk(z)]2dz=u=(1z2)mdmdzmPk(z)du=(1z2)(m/2)1[2mzPk(m)(z)+1z2Pk(m+1)(z)]dz=(1z2)m12[Pk(m+1)(z)ϵPk(m1)(z)+Pk(m+1)(z)]dz=(1z2)m12ϵPk(m1)(z)dzdv=dmdzmPk(z)dz,v=dm1dzm1Pk(z)=(1z2)1m2Pk(m1)(z)\begin{aligned} &\int_{-1}^1 \left( 1 - z^2 \right)^m \cdot \left[ \frac{\displaystyle d^m}{\displaystyle dz^m} P_k(z) \right]^2 \,dz =\\ &\left | \begin{aligned} &u = \left( 1 - z^2 \right)^m \cdot \frac{\displaystyle d^m}{\displaystyle dz^m} P_k(z)\\ &du = \left( 1 - z^2 \right)^{(m/2)-1} \cdot \left[ -2 \cdot m \cdot z \cdot P_k^{(m)}(z) + \sqrt{1 - z^2} \cdot P_k^{(m+1)}(z) \right] \,dz=\\ &\left( 1 - z^2 \right)^{\frac{\displaystyle m-1}{\displaystyle 2}} \cdot \left[ - P_k^{(m+1)}(z) - \epsilon \cdot P_k^{(m-1)}(z) + P_k^{(m+1)}(z) \right] \,dz=\\ &- \left( 1 - z^2 \right)^{\frac{\displaystyle m-1}{\displaystyle 2}} \cdot \epsilon \cdot P_k^{(m-1)}(z) \,dz\\ &dv = \frac{\displaystyle d^m}{\displaystyle dz^m} P_k(z) \,dz,\\ &v = \frac{\displaystyle d^{m-1}}{\displaystyle dz^{m-1}} P_k(z) = \left( 1 - z^2 \right)^{\frac{\displaystyle 1-m}{\displaystyle 2}} \cdot P_k^{(m-1)}(z) \end{aligned} \right | \end{aligned}

внеинтегральный член содержит множитель 1z2\sqrt{1 - z^2} и обращается в нуль на концах отрезка, тогда получаем

11Pk(m)(z)Pk(m)(z)dz=(k+m)(km+1)11Pk(m1)(z)Pk(m1)(z)dz,\int_{-1}^1 P_k^{(m)}(z) \cdot P_k^{(m)}(z) \,dz = (k+m) \cdot (k-m+1) \cdot \int_{-1}^1 P_k^{(m-1)}(z) \cdot P_k^{(m-1)}(z) \,dz,

последовательно применяя интегрирование по частям ещё m1m - 1 раз и принимая во внимание (F.4), получаем

11Pk(m)(z)Pk(m)(z)dz=22k+1(k+m)(km+1)(k+m1)(km+2),\int_{-1}^1 P_k^{(m)}(z) \cdot P_k^{(m)}(z) \,dz = \frac{\displaystyle 2}{\displaystyle 2 \cdot k + 1} \cdot (k+m) \cdot (k-m+1) \cdot (k+m-1) \cdot (k-m+2) \cdots,

множители с плюсом убывают от k+mk + m до k+1k + 1, множители с минусом возрастают от km+1k - m + 1 до kk (здесь важно условие mkm \leq k), поэтому

(k+m)(km+1)(k+m1)(km+2)=(k+m)!k!k!(km)!=(k+m)!(km)!.(k+m) \cdot (k-m+1) \cdot (k+m-1) \cdot (k-m+2) \cdots = \frac{\displaystyle (k+m)!}{\displaystyle k!} \cdot \frac{\displaystyle k!}{\displaystyle (k-m)!} = \frac{\displaystyle (k+m)!}{\displaystyle (k-m)!}.

Итоговая норма присоединённого полинома Лежандра имеет вид

11[Pk(m)(z)]2dz=22k+1(k+m)!(km)!,mk.\int_{-1}^1 \left[ P_k^{(m)}(z) \right]^2 \,dz = \frac{\displaystyle 2}{\displaystyle 2 \cdot k + 1} \cdot \frac{\displaystyle (k+m)!}{\displaystyle (k-m)!}, \quad m \leq k.
(F.6)