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DLMF: §15.8 Transformations of Variable ‣ Properties ‣ Chapter 15 Hypergeometric Function
§15.8 Transformations of Variable
Contents
§15.8(i) Linear Transformations
§15.8(ii) Linear Transformations: Limiting Cases
§15.8(iii) Quadratic Transformations
§15.8(iv) Quadratic Transformations (Continued)
§15.8(v) Cubic Transformations
§15.8(i) Linear Transformations
All functions in this subsection and §15.8(ii) assume their
principal values.
15.8.1
𝐅 ( a , b c ; z ) = ( 1 − z ) − a 𝐅 ( a , c − b c ; z z − 1 ) = ( 1 − z ) − b 𝐅 ( c − a , b c ; z z − 1 ) = ( 1 − z ) c − a − b 𝐅 ( c − a , c − b c ; z ) ,
| ph ( 1 − z ) | < π .
15.8.2
sin ( π ( b − a ) ) π 𝐅 ( a , b c ; z )
= ( − z ) − a Γ ( b ) Γ ( c − a ) 𝐅 ( a , a − c + 1 a − b + 1 ; 1 z ) − ( − z ) − b Γ ( a ) Γ ( c − b ) 𝐅 ( b , b − c + 1 b − a + 1 ; 1 z ) ,
| ph ( − z ) | < π .
15.8.3
sin ( π ( b − a ) ) π 𝐅 ( a , b c ; z )
= ( 1 − z ) − a Γ ( b ) Γ ( c − a ) 𝐅 ( a , c − b a − b + 1 ; 1 1 − z ) − ( 1 − z ) − b Γ ( a ) Γ ( c − b ) 𝐅 ( b , c − a b − a + 1 ; 1 1 − z ) ,
| ph ( − z ) | < π .
15.8.4
sin ( π ( c − a − b ) ) π 𝐅 ( a , b c ; z )
= 1 Γ ( c − a ) Γ ( c − b ) 𝐅 ( a , b a + b − c + 1 ; 1 − z ) − ( 1 − z ) c − a − b Γ ( a ) Γ ( b ) 𝐅 ( c − a , c − b c − a − b + 1 ; 1 − z ) ,
| ph z | < π , | ph ( 1 − z ) | < π .
15.8.5
sin ( π ( c − a − b ) ) π 𝐅 ( a , b c ; z )
= z − a Γ ( c − a ) Γ ( c − b ) 𝐅 ( a , a − c + 1 a + b − c + 1 ; 1 − 1 z ) − ( 1 − z ) c − a − b z a − c Γ ( a ) Γ ( b ) 𝐅 ( c − a , 1 − a c − a − b + 1 ; 1 − 1 z ) ,
| ph z | < π , | ph ( 1 − z ) | < π .
§15.8(ii) Linear Transformations: Limiting Cases
With m = 0 , 1 , 2 , … , polynomial cases of (15.8.2 )–(15.8.5 ) are given by
15.8.6
F ( − m , b c ; z )
= ( b ) m ( c ) m ( − z ) m F ( − m , 1 − c − m 1 − b − m ; 1 z ) = ( b ) m ( c ) m ( 1 − z ) m F ( − m , c − b 1 − b − m ; 1 1 − z ) ,
15.8.7
F ( − m , b c ; z )
= ( c − b ) m ( c ) m F ( − m , b b − c − m + 1 ; 1 − z ) = ( c − b ) m ( c ) m z m F ( − m , 1 − c − m b − c − m + 1 ; 1 − 1 z ) ,
with the understanding that if b = − ℓ , ℓ = 0 , 1 , 2 , … , then
m ≤ ℓ .
When b − a is an integer limits are taken in (15.8.2 ) and
(15.8.3 ) as follows.
If b − a is a nonnegative integer, then
15.8.8
𝐅 ( a , a + m c ; z ) = ( − z ) − a Γ ( a + m ) ∑ k = 0 m − 1 ( a ) k ( m − k − 1 ) ! k ! Γ ( c − a − k ) z − k + ( − z ) − a Γ ( a ) ∑ k = 0 ∞ ( a + m ) k k ! ( k + m ) ! Γ ( c − a − k − m ) ( − 1 ) k z − k − m × ( ln ( − z ) + ψ ( k + 1 ) + ψ ( k + m + 1 ) − ψ ( a + k + m ) − ψ ( c − a − k − m ) ) ,
| z | > 1 , | ph ( − z ) | < π ,
15.8.9
𝐅 ( a , a + m c ; z ) = ( 1 − z ) − a Γ ( a + m ) Γ ( c − a ) ∑ k = 0 m − 1 ( a ) k ( c − a − m ) k ( m − k − 1 ) ! k ! ( z − 1 ) − k + ( − 1 ) m ( 1 − z ) − a − m Γ ( a ) Γ ( c − a − m ) ∑ k = 0 ∞ ( a + m ) k ( c − a ) k k ! ( k + m ) ! ( 1 − z ) − k × ( ln ( 1 − z ) + ψ ( k + 1 ) + ψ ( k + m + 1 ) − ψ ( a + k + m ) − ψ ( c − a + k ) ) ,
| z − 1 | > 1 , | ph ( 1 − z ) | < π .
In (15.8.8 ) when c − a − k − m is a nonpositive integer
ψ ( c − a − k − m ) / Γ ( c − a − k − m ) is interpreted as
( − 1 ) m + k + a − c + 1 ( m + k + a − c ) ! . Also, if a is a nonpositive integer, then
(15.8.6 ) applies.
Alternatively, if b − a is a negative integer, then we interchange a and b
in 𝐅 ( a , b ; c ; z ) .
In a similar way, when c − a − b is an integer limits are taken in
(15.8.4 ) and (15.8.5 ) as follows.
If c − a − b is a nonnegative integer, then
15.8.10
𝐅 ( a , b a + b + m ; z ) = 1 Γ ( a + m ) Γ ( b + m ) ∑ k = 0 m − 1 ( a ) k ( b ) k ( m − k − 1 ) ! k ! ( z − 1 ) k − ( z − 1 ) m Γ ( a ) Γ ( b ) ∑ k = 0 ∞ ( a + m ) k ( b + m ) k k ! ( k + m ) ! ( 1 − z ) k × ( ln ( 1 − z ) − ψ ( k + 1 ) − ψ ( k + m + 1 ) + ψ ( a + k + m ) + ψ ( b + k + m ) ) ,
| z − 1 | < 1 , | ph ( 1 − z ) | < π ,
15.8.11
𝐅 ( a , b a + b + m ; z ) = z − a Γ ( a + m ) ∑ k = 0 m − 1 ( a ) k ( m − k − 1 ) ! k ! Γ ( b + m − k ) ( 1 − 1 z ) k − z − a Γ ( a ) ∑ k = 0 ∞ ( a + m ) k k ! ( k + m ) ! Γ ( b − k ) ( − 1 ) k ( 1 − 1 z ) k + m × ( ln ( 1 − z z ) − ψ ( k + 1 ) − ψ ( k + m + 1 ) + ψ ( a + k + m ) + ψ ( b − k ) ) ,
ℜ z > 1 2 , | ph z | < π , | ph ( 1 − z ) | < π .
In (15.8.11 ) when b − k is a nonpositive integer,
ψ ( b − k ) / Γ ( b − k ) is interpreted as
( − 1 ) k − b + 1 ( k − b ) ! . Also, if a or b or both are nonpositive
integers, then (15.8.7 ) applies.
Lastly, if c − a − b is a negative integer, then we first apply the
transformation
15.8.12
𝐅 ( a , b ; a + b − m ; z ) = ( 1 − z ) − m 𝐅 ( a ~ , b ~ ; a ~ + b ~ + m ; z ) ,
a ~ = a − m , b ~ = b − m .
§15.8(iii) Quadratic Transformations
A quadratic transformation relates two hypergeometric functions, with the
variable in one a quadratic function of the variable in the other, possibly
combined with a fractional linear transformation.
A necessary and sufficient condition that there exists a quadratic
transformation is that at least one of the equations shown in Table
15.8.1 is satisfied.
Table 15.8.1: Quadratic transformations of the hypergeometric function.
The hypergeometric functions that correspond to Groups 1 and 2 have z as
variable. The hypergeometric functions that correspond to Groups 3 and 4 have
a nonlinear function of z as variable. The transformation formulas between
two hypergeometric functions in Group 2, or two hypergeometric functions in
Group 3, are the linear transformations (15.8.1 ).
In the equations that follow in this subsection all functions take their
principal values.
Group 1 ⟶ Group 3
15.8.13
F ( a , b 2 b ; z )
= ( 1 − 1 2 z ) − a F ( 1 2 a , 1 2 a + 1 2 b + 1 2 ; ( z 2 − z ) 2 ) ,
| ph ( 1 − z ) | < π ,
15.8.14
F ( a , b 2 b ; z )
= ( 1 − z ) − a / 2 F ( 1 2 a , b − 1 2 a b + 1 2 ; z 2 4 z − 4 ) ,
| ph ( 1 − z ) | < π .
Group 2 ⟶ Group 3
15.8.15
F ( a , b a − b + 1 ; z )
= ( 1 + z ) − a F ( 1 2 a , 1 2 a + 1 2 a − b + 1 ; 4 z ( 1 + z ) 2 ) ,
| z | < 1 ,
15.8.16
F ( a , b a − b + 1 ; z )
= ( 1 − z ) − a F ( 1 2 a , 1 2 a − b + 1 2 a − b + 1 ; − 4 z ( 1 − z ) 2 ) ,
| z | < 1 .
15.8.17
F ( a , b 1 2 ( a + b + 1 ) ; z )
= ( 1 − 2 z ) − a F ( 1 2 a , 1 2 a + 1 2 1 2 ( a + b + 1 ) ; 4 z ( z − 1 ) ( 1 − 2 z ) 2 ) ,
ℜ z < 1 2 ,
15.8.18
F ( a , b 1 2 ( a + b + 1 ) ; z )
= F ( 1 2 a , 1 2 b 1 2 ( a + b + 1 ) ; 4 z ( 1 − z ) ) ,
ℜ z < 1 2 .
15.8.19
F ( a , 1 − a c ; z )
= ( 1 − 2 z ) 1 − a − c ( 1 − z ) c − 1 F ( 1 2 ( a + c ) , 1 2 ( a + c − 1 ) c ; 4 z ( z − 1 ) ( 1 − 2 z ) 2 ) ,
ℜ z < 1 2 ,
15.8.20
F ( a , 1 − a c ; z )
= ( 1 − z ) c − 1 F ( 1 2 ( c − a ) , 1 2 ( a + c − 1 ) c ; 4 z ( 1 − z ) ) ,
ℜ z < 1 2 .
Group 2 ⟶ Group 1
15.8.21
F ( a , b a − b + 1 ; z )
= ( 1 + z ) − 2 a F ( a , a − b + 1 2 2 a − 2 b + 1 ; 4 z ( 1 + z ) 2 ) ,
| ph z | < π , | z | < 1 .
15.8.22
F ( a , b 1 2 ( a + b + 1 ) ; z )
= ( 1 − z − 1 − 1 1 − z − 1 + 1 ) a F ( a , 1 2 ( a + b ) a + b ; 4 1 − z − 1 ( 1 − z − 1 + 1 ) 2 ) ,
| ph ( − z ) | < π , ℜ z < 1 2 .
15.8.23
F ( a , 1 − a c ; z ) = ( 1 − z − 1 − 1 ) 1 − a ( 1 − z − 1 + 1 ) a − 2 c + 1 ( 1 − z − 1 ) c − 1 F ( c − a , c − 1 2 2 c − 1 ; 4 1 − z − 1 ( 1 − z − 1 + 1 ) 2 ) ,
| ph ( − z ) | < π , ℜ z < 1 2 .
Group 2 ⟶ Group 4
15.8.24
F ( a , b a − b + 1 ; z ) = ( 1 − z ) − a Γ ( a − b + 1 ) Γ ( 1 2 ) Γ ( 1 2 a + 1 2 ) Γ ( 1 2 a − b + 1 ) F ( 1 2 a , 1 2 a − b + 1 2 1 2 ; ( z + 1 z − 1 ) 2 ) + ( 1 + z ) ( 1 − z ) − a − 1 Γ ( a − b + 1 ) Γ ( − 1 2 ) Γ ( 1 2 a ) Γ ( 1 2 a − b + 1 2 ) F ( 1 2 a + 1 2 , 1 2 a − b + 1 3 2 ; ( z + 1 z − 1 ) 2 ) ,
| ph ( − z ) | < π .
15.8.25
F ( a , b 1 2 ( a + b + 1 ) ; z ) = Γ ( 1 2 ( a + b + 1 ) ) Γ ( 1 2 ) Γ ( 1 2 a + 1 2 ) Γ ( 1 2 b + 1 2 ) F ( 1 2 a , 1 2 b 1 2 ; ( 1 − 2 z ) 2 ) + ( 1 − 2 z ) Γ ( 1 2 ( a + b + 1 ) ) Γ ( − 1 2 ) Γ ( 1 2 a ) Γ ( 1 2 b ) F ( 1 2 a + 1 2 , 1 2 b + 1 2 3 2 ; ( 1 − 2 z ) 2 ) ,
| ph z | < π , | ph ( 1 − z ) | < π .
15.8.26
F ( a , 1 − a c ; z ) = ( 1 − z ) c − 1 Γ ( c ) Γ ( 1 2 ) Γ ( 1 2 ( c − a + 1 ) ) Γ ( 1 2 c + 1 2 a ) F ( 1 2 c − 1 2 a , 1 2 c + 1 2 a − 1 2 1 2 ; ( 1 − 2 z ) 2 ) + ( 1 − 2 z ) ( 1 − z ) c − 1 Γ ( c ) Γ ( − 1 2 ) Γ ( 1 2 c − 1 2 a ) Γ ( 1 2 ( c + a − 1 ) ) F ( 1 2 c − 1 2 a + 1 2 , 1 2 c + 1 2 a 3 2 ; ( 1 − 2 z ) 2 ) ,
| ph z | < π , | ph ( 1 − z ) | < π .
Group 4 ⟶ Group 2
15.8.27
2 Γ ( 1 2 ) Γ ( a + b + 1 2 ) Γ ( a + 1 2 ) Γ ( b + 1 2 ) F ( a , b ; 1 2 ; z ) = F ( 2 a , 2 b ; a + b + 1 2 ; 1 2 − 1 2 z ) + F ( 2 a , 2 b ; a + b + 1 2 ; 1 2 + 1 2 z ) ,
| ph z | < π , | ph ( 1 − z ) | < π .
15.8.28
2 z Γ ( − 1 2 ) Γ ( a + b − 1 2 ) Γ ( a − 1 2 ) Γ ( b − 1 2 ) F ( a , b ; 3 2 ; z ) = F ( 2 a − 1 , 2 b − 1 ; a + b − 1 2 ; 1 2 − 1 2 z ) − F ( 2 a − 1 , 2 b − 1 ; a + b − 1 2 ; 1 2 + 1 2 z ) ,
| ph z | < π , | ph ( 1 − z ) | < π .
§15.8(iv) Quadratic Transformations (Continued)
When the intersection of two groups in Table 15.8.1 is not empty
there exist special quadratic transformations, with only one free parameter,
between two hypergeometric functions in the same group.
Examples
b = 1 3 a + 1 3 , c = 2 b = a − b + 1 in Groups 1 and 2.
(15.8.21 ) becomes
15.8.29
F ( a , 1 3 a + 1 3 2 3 a + 2 3 ; z ) = ( 1 + z ) − 2 a F ( a , 2 3 a + 1 6 4 3 a + 1 3 ; 4 z ( 1 + z ) 2 ) .
This is a quadratic transformation between two cases in Group 1.
We can also use (15.8.13 ), followed by the inverse of
(15.8.15 ), and obtain
15.8.30
( 1 − 1 2 z ) − a F ( 1 2 a , 1 2 a + 1 2 1 3 a + 5 6 ; ( z 2 − z ) 2 ) = F ( a , 1 3 a + 1 3 2 3 a + 2 3 ; z ) = ( 1 + z ) − a F ( 1 2 a , 1 2 a + 1 2 2 3 a + 2 3 ; 4 z ( 1 + z ) 2 ) ,
which is a quadratic transformation between two cases in Group 3.
For further examples see Andrews et al. (1999 , pp. 130–132 and 176–177) .
§15.8(v) Cubic Transformations
Examples
15.8.31
F ( 3 a , 3 a + 1 2 4 a + 2 3 ; z ) = ( 1 − 9 8 z ) − 2 a F ( a , a + 1 2 2 a + 5 6 ; 27 z 2 ( z − 1 ) ( 9 z − 8 ) 2 ) ,
ℜ z < 8 9 .
With ζ = e 2 π i / 3 ( 1 − z ) / ( z − e 4 π i / 3 )
15.8.32
( 1 − z 3 ) a ( − z ) 3 a ( 1 Γ ( a + 2 3 ) Γ ( 2 3 ) F ( a , a + 1 3 2 3 ; z − 3 ) + e 1 3 π i z Γ ( a ) Γ ( 4 3 ) F ( a + 1 3 , a + 2 3 4 3 ; z − 3 ) ) = 3 3 2 a + 1 2 e 1 2 a π i Γ ( a + 1 3 ) ( 1 − ζ ) a 2 π Γ ( 2 a + 2 3 ) ( − ζ ) 2 a F ( a + 1 3 , 3 a 2 a + 2 3 ; ζ − 1 ) ,
| z | > 1 , | ph ( − z ) | < 1 3 π .
Ramanujan’s Cubic Transformation
15.8.33
F ( 1 3 , 2 3 1 ; 1 − ( 1 − z 1 + 2 z ) 3 ) = ( 1 + 2 z ) F ( 1 3 , 2 3 1 ; z 3 ) ,
provided that z lies in the intersection of the open disks
| z − 1 4 ± 1 4 3 i | < 1 2 3 ,
or equivalently, | ph ( ( 1 − z ) / ( 1 + 2 z ) ) | < π / 3 . This is used in a
cubic analog of the arithmetic-geometric mean. See Borwein and Borwein (1991 ) ,
and also Berndt et al. (1995 ) .
For further examples and higher-order transformations see
Goursat (1881 ) , Watson (1910 ) , Vidūnas (2005 ) ,
and Tu and Yang (2013 ) ; see also Erdélyi et al. (1953a , pp. 67 and 113–114) .