Дифференциальное уравнение Римана

Дифференциа́льное уравне́ние Ри́мана — обобщение гипергеометрического уравнения, позволяющее получить регулярные сингулярные точки (англ.)русск. в любой точке сферы Римана. Названо в честь математика Бернхарда Римана.

Определение

Дифференциальное уравнение Римана определяется как

$\frac{d^2w}{dz^2} + \left[ \frac{1-\alpha-\alpha'}{z-a} + \frac{1-\beta-\beta'}{z-b} + \frac{1-\gamma-\gamma'}{z-c} \right] \frac{dw}{dz}$

$+\left[ \frac{\alpha\alpha' (a-b)(a-c)} {z-a} +\frac{\beta\beta' (b-c)(b-a)} {z-b} +\frac{\gamma\gamma' (c-a)(c-b)} {z-c} \right] \frac{w}{(z-a)(z-b)(z-c)}=0.$

Его регулярными сингулярными точками будут a, b и c. Их степени $\alpha$ и $\alpha'$, $\beta$ и $\beta'$, $\gamma$ и $\gamma'$ соответственно. Они удовлетворяют условию

$\alpha+\alpha'+\beta+\beta'+\gamma+\gamma'=1. \,$

Решения уравнения

Решения уравнения Римана записываются через P-символ Римана

$w=P \left\{ \begin{matrix} a & b & c & \; \\ \alpha & \beta & \gamma & z \\ \alpha' & \beta' & \gamma' & \; \end{matrix} \right\}$

Обычная гипергеометрическая функция может быть записана как

$\;_2F_1(a,b;c;z) = P \left\{ \begin{matrix} 0 & \infty & 1 & \; \\ 0 & a & 0 & z \\ 1-c & b & c-a-b & \; \end{matrix} \right\}$

P-функции подчиняются ряду тождеств, одно из которых позволяет обобщить их в терминах гипергеометрических функций. А именно, выражение

$P \left\{ \begin{matrix} a & b & c & \; \\ \alpha & \beta & \gamma & z \\ \alpha' & \beta' & \gamma' & \; \end{matrix} \right\} = \left(\frac{z-a}{z-b}\right)^\alpha \left(\frac{z-c}{z-b}\right)^\gamma P \left\{ \begin{matrix} 0 & \infty & 1 & \; \\ 0 & \alpha+\beta+\gamma & 0 & \;\frac{(z-a)(c-b)}{(z-b)(c-a)} \\ \alpha'-\alpha & \alpha+\beta'+\gamma & \gamma'-\gamma & \; \end{matrix} \right\}$

позволяет записать решение уравнения в виде

$w= \left(\frac{z-a}{z-b}\right)^\alpha \left(\frac{z-c}{z-b}\right)^\gamma \;_2F_1 \left( \alpha+\beta +\gamma, \alpha+\beta'+\gamma; 1+\alpha-\alpha'; \frac{(z-a)(c-b)}{(z-b)(c-a)} \right)$

Преобразование Мёбиуса

P-функция обладает простой симметрией по отношению к преобразованию Мёбиуса, то есть по отношению к группе GL(2, C) или, что эквивалентно, конформному отображению сферы Римана. Произвольно выбранные четыре комплексных числа A, B, C и D, удовлетворяющие условию $AD-BC \neq 0$, определяют соотношения

$u=\frac{Az+B}{Cz+D} \quad \text{ and } \quad \eta=\frac{Aa+B}{Ca+D}$и

$\zeta=\frac{Ab+B}{Cb+D} \quad \text{ and } \quad \theta=\frac{Ac+B}{Cc+D}.$

Тогда будет справедливым равенство

$P \left\{ \begin{matrix} a & b & c & \; \\ \alpha & \beta & \gamma & z \\ \alpha' & \beta' & \gamma' & \; \end{matrix} \right\} =P \left\{ \begin{matrix} \eta & \zeta & \theta & \; \\ \alpha & \beta & \gamma & u \\ \alpha' & \beta' & \gamma' & \; \end{matrix} \right\}$

Литература

• Milton Abramowitz and Irene A. Stegun, eds., Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs, and Mathematical Tables (Dover: New York, 1972)
  • Chapter 15 Hypergeometric Functions
    • Section 15.6 Riemann’s Differential Equation