劉富裕，王學(xué)芳， 曹 健

(杭州師范大學(xué)理學(xué)院，浙江 杭州 310036)

關(guān)于q-差分方程形式解的兩個重要定理

劉富裕，王學(xué)芳， 曹 健

(杭州師范大學(xué)理學(xué)院，浙江 杭州 310036)

文章得到了兩個關(guān)于q-差分方程形式解的定理，它很好的把差分方程與q-算子Dxy及θxy聯(lián)系起來.利用此定理，可以優(yōu)化一些經(jīng)典公式、定理的證明.文章的第三、四部分將會有詳細(xì)說明.

q-指數(shù)算子；q-差分方程; 差分方程；Euler公式；Rogers-Szeg?多項式；q-Mehler公式

0 引言

眾所周知，q-算子對應(yīng)的差分方程，以及它形式解的應(yīng)用，是當(dāng)今計算數(shù)學(xué)研究的重要課題之一.Dq，θq算子對應(yīng)的差分方程形式解以及它們推廣的研究，已經(jīng)相當(dāng)成熟了.

2009年Lu[1]和Liu[2]分別把T(a,bDq),TbDq算子與q-差分方程巧妙的結(jié)合，并利用這種關(guān)系給出了許多推廣和應(yīng)用.2014年Cao[3]把差分方程的形式解，由原來含有3個參數(shù)的f(a,b,c)推廣到5個參數(shù)f(a,b,c,d,e).

另外，自2003年Chen，F(xiàn)u，Zhang[4]定義算子Dxy以來，眾多學(xué)者深入研究了Dxy算子問題，也獲得許多有意義的結(jié)果.其中，Saad，Sukhi[5]在Chen，F(xiàn)u，Zhang[4]的基礎(chǔ)上得到

并且給出了θxy算子的定義

進(jìn)而得到

然而，對于作用于兩個參數(shù)的Dxy,θxy算子與差分方程的結(jié)合，卻一直鮮有研究.這導(dǎo)致它們的拓展與推廣很受限制.鑒于此，本文受Liu[2]啟發(fā)，將q-算子Dxy,θxy與差分方程巧妙結(jié)合，并給出了應(yīng)用和推廣.

(Ⅰ)f(x,y,z)是一個含3個參數(shù)的函數(shù)，且f(x,y,z)=(0,0,0)∈C.若f(x,y,z)滿足差分方程

(x-q-1y)f(x,y,z)-z[f(x,yq-1,z)-f(xq,y,z)]+(yq-1-x)f(x,y,zq)=0.

那么有：

(Ⅱ)f(x,y,z)是含有3個參數(shù)的函數(shù)，并且(x,y,z)∈3,滿足差分方程：

(q-1x-y)[f(x,y,z)-f(x,y,zq)]=z[f(q-1x,y,z)-f(x,yq,z)].

那么有：

第三、四部分論述了它們的對經(jīng)典公式的拓展與推廣.

1 預(yù)備知識

該文中，設(shè)0lt;qlt;1,對文所用的符號和術(shù)語作出如下規(guī)定[6]：

定義1對于任意的a,q∈C，定義q-升階乘為：

定義2對于任意的a,q∈C,定義q-升階乘為：

定義3對于任意的n,k∈N，定義q-二項式系數(shù)為：

定義4基本超幾何級數(shù)r+1φr和左右對稱的基本差幾何級數(shù)：

由上面的定義，很容易得到下列關(guān)系式：

(a;q)n=(a;q)∞/(aqn;q)∞.

定義5對任意的函數(shù)f(x)，q-微分算子定義為：

定義6(q-Leibniz法則) 設(shè)n≥0,則下列式子成立[7]：

式(7)的證明可參閱S. Roman[8]，Chen-Liu[9]，式(8)的證明可參閱Al-Salam-Verma[10]S. Roman[8].

定義7對任意的函數(shù)f(x，y)，q-微分算子定義為[4-5]：

兩者有以下關(guān)系：

定義8對齊次q-算子Dxy,θxy算子有以下定義[4-5]：

2 關(guān)于q-差分方程形式解的兩個重要定理

定理1f(x,y,z)是含有3個參數(shù)的函數(shù)，并且(x,y,z)∈C3,滿足差分方程：

那么有：

定理2f(x,y,z)是含有3個參數(shù)的函數(shù)，并且(x,y,z)∈3,滿足差分方程：

那么有：

證明首先證明定理1， 可以設(shè)函數(shù)為:

經(jīng)過變形以及f(x,y,z)的代入，可得：

對比當(dāng)?shù)仁絻蛇卋n的系數(shù)(n≥1)，可得：

通過迭代，可得：

通過計算可以得出A0(x,y).在等式(19)中令z=0，可以直接推出A0(x,y)=f(x,y,0),所以有：

即定理1得證.

同理，定理2也得證. 證畢.

3 Euler算子公式的證明

定理3對于算子Dxy和θxy，有以下重要定理[5，11]：

證明首先證明定理(24)

可設(shè)：

經(jīng)驗證滿足差分方程(15)：

即為定理1.

于是得出等式：

因此定理(24)得證.

同理，可以驗證：

滿足差分方程(17)：

也即為定理2.

所以:

于是定理(25)得證. 證畢.

4 含三個變量的Rogers-Szeg?多項式

在此定義3個變量的Rogers-Szeg?多項式為hn(x,y,z/q),其中x,y,z為參數(shù).Rogers-Szeg?多項式在正交多項式理論和q-多項式中扮演重要角色.Rogers是第一個對這些多項式研究的學(xué)者[12],而后就是Szeg?[13]，這些多項式中最重要的一個是q-Mehler公式.在這一部分，我們要說明q-Mehler 公式是定理1 的直接推論. 已知q-二項式系數(shù)被定義為：

3個變量Rogers-Szeg?多項式被定義為[5]：

另外由二項式定理有[5]：

這里max{|xt|,|zt|}lt;1. 這部分主要結(jié)果是以下公式的拓展.

定理4f(x,y,z)是3個參數(shù)的函數(shù),(x,y,z)∈3滿足定理1，而且f(x,y,0)有以下定義：

這里的cn是獨立于x,y的，有：

證明由已知條件

很容易發(fā)現(xiàn)

由定理1和式(32)得

f(x,y,z) =J(zDxy){f(x,y,0)}=

定理4證畢.

由定理4，我們可以利用Rogers-Szeg?多項式給出一個證明q-Mehler公式的方法.

定理5q-Mehler公式[5]:

這里max{|xwt|,|zwt|,|xut|,|uzt|}lt;1.

證明設(shè)f(x,y,z)等于上式右邊，那么容易驗證f(x,y,z)滿足定理1，另外由(24)有：

因此由定理3，得到：

即定理5.證畢.

5 結(jié)論

通過第三、四兩部分的具體應(yīng)用，可以看出，本文提出的q-算子Dxy與θxy和差分方程之間的關(guān)系，對經(jīng)典公式定理的證明有一定的優(yōu)越性，相對于原始的證明方法與過程，顯得十分便捷.由此可見，本文的結(jié)果，不僅把算子與方程有機(jī)聯(lián)系在一起， 而且它在實際應(yīng)用上，也有著十分重要的意義.

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TwoImportantTheoremsabouttheFormalSolutionforq-differenceEquation

LIU Fuyu,WANG Xuefang,CAO Jian

(School of Science, Hangzhou Normal University, Hangzhou 310036, China)

In this article, two theorems about the formal solution for q-difference equation are obtained,which relate difference equation with q-operatorsDxyandθxy. With the help of these theorems, some classic formulas and proofs of theorems can be optimized. There is a detailed explanation in the third and fourth parts of the article.

q-exponential operator;q-difference equation; difference equation;Euler formula;Rogers-Szeg? polynomial;q-Mehler formula

2016-10-18

曹 健(1982—)，男，副教授，博士，主要從事q-級數(shù)、生成函數(shù)研究.E-mail:21caojian@163.com

10.3969/j.issn.1674-232X.2017.05.016

O177.91MSC201047H10, 54H25

A

1674-232X(2017)05-0539-06