ランデン変換 – Wikipedia
ランデン変換 (Landen’s transformation) は、数学において楕円積分や楕円関数の母数を増減させる恒等式。楕円関数の数値計算に有用である。
楕円積分のランデン変換とガウス変換[編集]
第一種楕円積分
F(sinα,k)=∫t=0sinαdt1−t21−k2t2=∫ϕ=0αdϕ1−k2sin2ϕ{displaystyle Fleft(sin alpha ,kright)=int _{t=0}^{sin alpha }{frac {dt}{{sqrt {1-t^{2}}}{sqrt {1-k^{2}t^{2}}}}}=int _{phi =0}^{alpha }{frac {dphi }{sqrt {1-k^{2}sin ^{2}phi }}}}
につき、次の恒等式をランデン変換という。
F(sinα,k)=21+kF(12(1+k)2sin2α+(1−k2sin2ϕ−1−sin2ϕ)2,2k1+k){displaystyle Fleft(sin alpha ,kright)={frac {2}{1+k}}Fleft({frac {1}{2}}{sqrt {left(1+kright)^{2}sin ^{2}alpha +left({sqrt {1-k^{2}sin ^{2}phi }}-{sqrt {1-sin ^{2}phi }}right)^{2}}},{frac {2{sqrt {k}}}{1+k}}right)}
同じく、次の恒等式をガウス変換という。
F(sinα,k)=11+kF((1+k)sinα1+ksin2α,2k1+k){displaystyle Fleft(sin alpha ,kright)={frac {1}{1+k}}Fleft({frac {(1+k)sin alpha }{1+ksin ^{2}alpha }},{frac {2{sqrt {k}}}{1+k}}right)}
ランデン変換の導出[編集]
ランデン変換は
sinϕ=21+ksinθcosθ1−4k(1+k)2sin2θ{displaystyle sin phi ={frac {{frac {2}{1+k}}sin theta cos theta }{sqrt {1-{frac {4k}{(1+k)^{2}}}sin ^{2}theta }}}}
の置換により導かれる。
F(sinα,k)=∫ϕ=0αdϕ1−k2sin2ϕ=∫ϕ=0αcosϕdϕ1−sin2ϕ1−k2sin2ϕ=∫θ=0β21+k(1−21+ksin2θ)(1−2k1+ksin2θ)(1−4k(1+k)2sin2θ)31−4(1+k)2sin2θcos2θ1−4k(1+k)2sin2θ1−k24(1+k)2sin2θcos2θ1−4k(1+k)2sin2θdθ=∫θ=0β21+k(1−21+ksin2θ)(1−2k1+ksin2θ)(1−4k(1+k)2sin2θ)31−21+ksin2θ1−4k(1+k)2sin2θ1−2k1+ksin2θ1−4k(1+k)2sin2θdθ=21+k∫θ=0βdθ1−4k(1+k)2sin2θ=21+kF(sinβ,2k1+k){displaystyle {begin{aligned}Fleft(sin alpha ,kright)&=int _{phi =0}^{alpha }{frac {dphi }{sqrt {1-k^{2}sin ^{2}phi }}}&=int _{phi =0}^{alpha }{frac {cos phi {dphi }}{{sqrt {1-sin ^{2}phi }}{sqrt {1-k^{2}sin ^{2}phi }}}}&=int _{theta =0}^{beta }{frac {frac {{frac {2}{1+k}}left(1-{frac {2}{1+k}}sin ^{2}theta right)left(1-{frac {2k}{1+k}}sin ^{2}theta right)}{left({sqrt {1-{frac {4k}{(1+k)^{2}}}sin ^{2}theta }}right)^{3}}}{{sqrt {1-{frac {{frac {4}{(1+k)^{2}}}sin ^{2}theta cos ^{2}theta }{1-{frac {4k}{(1+k)^{2}}}sin ^{2}theta }}}}{sqrt {1-k^{2}{frac {{frac {4}{(1+k)^{2}}}sin ^{2}theta cos ^{2}theta }{1-{frac {4k}{(1+k)^{2}}}sin ^{2}theta }}}}}}{dtheta }&=int _{theta =0}^{beta }{frac {frac {{frac {2}{1+k}}left(1-{frac {2}{1+k}}sin ^{2}theta right)left(1-{frac {2k}{1+k}}sin ^{2}theta right)}{left({sqrt {1-{frac {4k}{(1+k)^{2}}}sin ^{2}theta }}right)^{3}}}{{frac {1-{frac {2}{1+k}}sin ^{2}theta }{sqrt {1-{frac {4k}{(1+k)^{2}}}sin ^{2}theta }}};{frac {1-{frac {2k}{1+k}}sin ^{2}theta }{sqrt {1-{frac {4k}{(1+k)^{2}}}sin ^{2}theta }}}}}{dtheta }&={frac {2}{1+k}}int _{theta =0}^{beta }{frac {dtheta }{sqrt {1-{frac {4k}{(1+k)^{2}}}sin ^{2}theta }}}&={frac {2}{1+k}}Fleft(sin beta ,{frac {2{sqrt {k}}}{1+k}}right)end{aligned}}}
sinβ{displaystyle sin beta }
を陽にすると
である。
ガウス変換の導出[編集]
ガウス変換は
sinϕ=21+ksinθ1+1−4k(1+k)2sin2θ{displaystyle sin phi ={frac {{frac {2}{1+k}}sin theta }{1+{sqrt {1-{frac {4k}{(1+k)^{2}}}sin ^{2}theta }}}}}
の置換により導かれる。
F(α,k)=∫ϕ=0αdϕ1−k2sin2ϕ=∫ϕ=0αcosϕdϕ1−sin2ϕ1−k2sin2ϕ=∫θ=0β21+kcosθ1−4k(1+k)2sin2θ(1+1−4k(1+k)2sin2θ)2+21−4k(1+k)2sin2θ−41+ksin2θ1+1−4k(1+k)2sin2θ2+21−4k(1+k)2sin2θ−4k1+ksin2θ1+1−4k(1+k)2sin2θdθ=∫θ=0β21+kcosθ1−4k(1+k)2sin2θ(1+1−4k(1+k)2sin2θ)21−sin2θ2+21−4k(1+k)2sin2θ−4k(1+k)2sin2θ(1+1−4k(1+k)2sin2θ)2dθ=11+k∫θ=0β11−4k(1+k)2sin2θ=11+kF(β,2k1+k){displaystyle {begin{aligned}Fleft(alpha ,kright)&=int _{phi =0}^{alpha }{frac {dphi }{sqrt {1-k^{2}sin ^{2}phi }}}&=int _{phi =0}^{alpha }{frac {cos phi {dphi }}{{sqrt {1-sin ^{2}phi }}{sqrt {1-k^{2}sin ^{2}phi }}}}&=int _{theta =0}^{beta }{frac {frac {{frac {2}{1+k}}cos theta }{{sqrt {1-{frac {4k}{(1+k)^{2}}}sin ^{2}theta }}left(1+{sqrt {1-{frac {4k}{(1+k)^{2}}}sin ^{2}theta }}right)}}{{frac {sqrt {2+2{sqrt {1-{frac {4k}{(1+k)^{2}}}sin ^{2}theta }}-{frac {4}{1+k}}sin ^{2}theta }}{1+{sqrt {1-{frac {4k}{(1+k)^{2}}}sin ^{2}theta }}}};{frac {sqrt {2+2{sqrt {1-{frac {4k}{(1+k)^{2}}}sin ^{2}theta }}-{frac {4k}{1+k}}sin ^{2}theta }}{1+{sqrt {1-{frac {4k}{(1+k)^{2}}}sin ^{2}theta }}}}}}{dtheta }&=int _{theta =0}^{beta }{frac {frac {{frac {2}{1+k}}cos theta }{{sqrt {1-{frac {4k}{(1+k)^{2}}}sin ^{2}theta }}left(1+{sqrt {1-{frac {4k}{(1+k)^{2}}}sin ^{2}theta }}right)}}{frac {2{sqrt {1-sin ^{2}theta }}{sqrt {2+2{sqrt {1-{frac {4k}{(1+k)^{2}}}sin ^{2}theta }}-{frac {4k}{(1+k)^{2}}}sin ^{2}theta }}}{left(1+{sqrt {1-{frac {4k}{(1+k)^{2}}}sin ^{2}theta }}right)^{2}}}}{dtheta }&={frac {1}{1+k}}int _{theta =0}^{beta }{frac {1}{sqrt {1-{frac {4k}{(1+k)^{2}}}sin ^{2}theta }}}&={frac {1}{1+k}}Fleft(beta ,{frac {2{sqrt {k}}}{1+k}}right)end{aligned}}}
sinβ{displaystyle sin beta }
を陽にすると
である。
楕円関数のランデン変換[編集]
次の恒等式を楕円関数の上昇ランデン変換という。
sn(u,k)=21+ksn(1+k2u,2k1+k)cn(1+k2u,2k1+k)dn(1+k2u,2k1+k){displaystyle operatorname {sn} left(u,kright)={frac {{tfrac {2}{1+k}}operatorname {sn} left({tfrac {1+k}{2}}u,{tfrac {2{sqrt {k}}}{1+k}}right)operatorname {cn} left({tfrac {1+k}{2}}u,{tfrac {2{sqrt {k}}}{1+k}}right)}{operatorname {dn} left({tfrac {1+k}{2}}u,{tfrac {2{sqrt {k}}}{1+k}}right)}}}
次の恒等式を楕円関数の下降ランデン変換という。
sn(u,k)=21+1−k2sn(1+1−k22u,1−1−k21+1−k2)1+1−1−k21+1−k2sn2(1+1−k22u,1−1−k21+1−k2){displaystyle operatorname {sn} left(u,kright)={frac {{tfrac {2}{1+{sqrt {1-k^{2}}}}}operatorname {sn} left({tfrac {1+{sqrt {1-k^{2}}}}{2}}u,{tfrac {1-{sqrt {1-k^{2}}}}{1+{sqrt {1-k^{2}}}}}right)}{1+{tfrac {1-{sqrt {1-k^{2}}}}{1+{sqrt {1-k^{2}}}}}operatorname {sn} ^{2}left({tfrac {1+{sqrt {1-k^{2}}}}{2}}u,{tfrac {1-{sqrt {1-k^{2}}}}{1+{sqrt {1-k^{2}}}}}right)}}}
当初の母数が
0<k<1{displaystyle 0であれば、上昇ランデン変換は母数を増加させ、下降ランデン変換は母数を減少させる。上昇ランデン変換を繰り返すことにより、母数が1に収束し、楕円関数は双曲線関数に近似される。下降ランデン変換を繰り返すことにより、母数が0に収束し、楕円関数は三角関数に近似される。この性質により、ランデン変換は楕円関数の数値計算に有用である。
導出[編集]
楕円積分のランデン変換により
sinα=21+ksinβcosβ1−4k(1+k)2sin2β{displaystyle sin alpha ={frac {{frac {2}{1+k}}sin beta cos beta }{sqrt {1-{frac {4k}{(1+k)^{2}}}sin ^{2}beta }}}}
のときに
u=F(α,k)=21+kF(β,2k1+k){displaystyle u=Fleft(alpha ,kright)={tfrac {2}{1+k}}Fleft(beta ,{tfrac {2{sqrt {k}}}{1+k}}right)}
であるから
sn(u,k)=21+ksn(1+k2u,2k1+k)1−sn2(1+k2u,2k1+k)1−(2k1+k)2sn2(1+k2u,2k1+k)=21+ksn(1+k2u,2k1+k)cn(1+k2u,2k1+k)dn(1+k2u,2k1+k){displaystyle operatorname {sn} left(u,kright)={frac {{tfrac {2}{1+k}}operatorname {sn} left({tfrac {1+k}{2}}u,{tfrac {2{sqrt {k}}}{1+k}}right){sqrt {1-operatorname {sn} ^{2}left({tfrac {1+k}{2}}u,{tfrac {2{sqrt {k}}}{1+k}}right)}}}{sqrt {1-left({tfrac {2{sqrt {k}}}{1+k}}right)^{2}operatorname {sn} ^{2}left({tfrac {1+k}{2}}u,{tfrac {2{sqrt {k}}}{1+k}}right)}}}={frac {{tfrac {2}{1+k}}operatorname {sn} left({tfrac {1+k}{2}}u,{tfrac {2{sqrt {k}}}{1+k}}right)operatorname {cn} left({tfrac {1+k}{2}}u,{tfrac {2{sqrt {k}}}{1+k}}right)}{operatorname {dn} left({tfrac {1+k}{2}}u,{tfrac {2{sqrt {k}}}{1+k}}right)}}}
である。楕円積分のガウス変換により
sinβ=(1+k)sinα1+ksin2α{displaystyle sin beta ={frac {(1+k)sin alpha }{1+ksin ^{2}alpha }}}
のときに
u=F(α,k)=11+kF(β,2k1+k){displaystyle u=Fleft(alpha ,kright)={tfrac {1}{1+k}}Fleft(beta ,{tfrac {2{sqrt {k}}}{1+k}}right)}
であるから
sn((1+k)u,2k1+k)=(1+k)snα1+ksn2α{displaystyle operatorname {sn} left((1+k)u,{tfrac {2{sqrt {k}}}{1+k}}right)={frac {(1+k)operatorname {sn} alpha }{1+koperatorname {sn} ^{2}alpha }}}
であるが、
u{displaystyle u}u1+k{displaystyle {tfrac {u}{1+k}}} を
k{displaystyle k} に改め、
1−1−k21+1−k2{displaystyle {tfrac {1-{sqrt {1-k^{2}}}}{1+{sqrt {1-k^{2}}}}}} を
に改めれば
sn(u,k)=21+1−k2sn(1+1−k22u,1−1−k21+1−k2)1+1−1−k21+1−k2sn2(1+1−k22u,1−1−k21+1−k2){displaystyle operatorname {sn} left(u,kright)={frac {{tfrac {2}{1+{sqrt {1-k^{2}}}}}operatorname {sn} left({tfrac {1+{sqrt {1-k^{2}}}}{2}}u,{tfrac {1-{sqrt {1-k^{2}}}}{1+{sqrt {1-k^{2}}}}}right)}{1+{tfrac {1-{sqrt {1-k^{2}}}}{1+{sqrt {1-k^{2}}}}}operatorname {sn} ^{2}left({tfrac {1+{sqrt {1-k^{2}}}}{2}}u,{tfrac {1-{sqrt {1-k^{2}}}}{1+{sqrt {1-k^{2}}}}}right)}}}
となる。
虚数変換[編集]
上昇ランデン変換と下降ランデン変換は虚数変換により交替する。
sn(iu,1−k2)=isc(u,k)=isn(u,k)cn(u,k){displaystyle operatorname {sn} left(iu,{sqrt {1-k^{2}}}right)=ioperatorname {sc} left(u,kright)={frac {ioperatorname {sn} left(u,kright)}{operatorname {cn} left(u,kright)}}}
上昇ランデン変換により
isn(u,k)cn(u,k)=2i1+ksn(1+k2u,2k1+k)cn(1+k2u,2k1+k)dn(1+k2u,2k1+k)21+kdn2(1+k2u,2k1+k)−1−k1+k4k(1+k)2dn(1+k2u,2k1+k)=4ki(1+k)2sn(1+k2u,2k1+k)cn(1+k2u,2k1+k)dn2(1+k2u,2k1+k)−1−k1+k{displaystyle {begin{aligned}{frac {ioperatorname {sn} left(u,kright)}{operatorname {cn} left(u,kright)}}&={frac {frac {{tfrac {2i}{1+k}}operatorname {sn} left({tfrac {1+k}{2}}u,{tfrac {2{sqrt {k}}}{1+k}}right)operatorname {cn} left({tfrac {1+k}{2}}u,{tfrac {2{sqrt {k}}}{1+k}}right)}{operatorname {dn} left({tfrac {1+k}{2}}u,{tfrac {2{sqrt {k}}}{1+k}}right)}}{frac {{tfrac {2}{1+k}}operatorname {dn} ^{2}left({tfrac {1+k}{2}}u,{tfrac {2{sqrt {k}}}{1+k}}right)-{tfrac {1-k}{1+k}}}{{tfrac {4k}{(1+k)^{2}}}operatorname {dn} left({tfrac {1+k}{2}}u,{tfrac {2{sqrt {k}}}{1+k}}right)}}}&={frac {{tfrac {4ki}{(1+k)^{2}}}operatorname {sn} left({tfrac {1+k}{2}}u,{tfrac {2{sqrt {k}}}{1+k}}right)operatorname {cn} left({tfrac {1+k}{2}}u,{tfrac {2{sqrt {k}}}{1+k}}right)}{operatorname {dn} ^{2}left({tfrac {1+k}{2}}u,{tfrac {2{sqrt {k}}}{1+k}}right)-{tfrac {1-k}{1+k}}}}end{aligned}}}
虚数変換により
sn(iu,1−k2)=4k(1+k)2sc(1+k2iu,1−k1+k)nc(1+k2iu,1−k1+k)dc2(1+k2iu,1−k1+k)−1−k1+k=4k(1+k)2sn(1+k2iu,1−k1+k)dn2(1+k2iu,1−k1+k)−1−k1+kcn2(1+k2iu,1−k1+k)=4k(1+k)2sn(1+k2iu,1−k1+k)2k1+k+2k(1−k)(1+k)2sn2(1+k2iu,1−k1+k)=21+ksn(1+k2iu,1−k1+k)1+1−k1+ksn2(1+k2iu,1−k1+k){displaystyle {begin{aligned}operatorname {sn} left(iu,{sqrt {1-k^{2}}}right)&={frac {{tfrac {4k}{(1+k)^{2}}}operatorname {sc} left({tfrac {1+k}{2}}iu,{tfrac {1-k}{1+k}}right)operatorname {nc} left({tfrac {1+k}{2}}iu,{tfrac {1-k}{1+k}}right)}{operatorname {dc} ^{2}left({tfrac {1+k}{2}}iu,{tfrac {1-k}{1+k}}right)-{tfrac {1-k}{1+k}}}}&={frac {{tfrac {4k}{(1+k)^{2}}}operatorname {sn} left({tfrac {1+k}{2}}iu,{tfrac {1-k}{1+k}}right)}{operatorname {dn} ^{2}left({tfrac {1+k}{2}}iu,{tfrac {1-k}{1+k}}right)-{tfrac {1-k}{1+k}}operatorname {cn} ^{2}left({tfrac {1+k}{2}}iu,{tfrac {1-k}{1+k}}right)}}&={frac {{tfrac {4k}{(1+k)^{2}}}operatorname {sn} left({tfrac {1+k}{2}}iu,{tfrac {1-k}{1+k}}right)}{{tfrac {2k}{1+k}}+{tfrac {2k(1-k)}{(1+k)^{2}}}operatorname {sn} ^{2}left({tfrac {1+k}{2}}iu,{tfrac {1-k}{1+k}}right)}}&={frac {{tfrac {2}{1+k}}operatorname {sn} left({tfrac {1+k}{2}}iu,{tfrac {1-k}{1+k}}right)}{1+{tfrac {1-k}{1+k}}operatorname {sn} ^{2}left({tfrac {1+k}{2}}iu,{tfrac {1-k}{1+k}}right)}}end{aligned}}}
iu{displaystyle iu}
u{displaystyle u} を
1−k2{displaystyle {sqrt {1-k^{2}}}} と書き、
k{displaystyle k} を
と書けば
sn(u,k)=21+1−k2sn(1+1−k22u,1−1−k21+1−k2)1+1−1−k21+1−k2sn2(1+1−k22u,1−1−k21+1−k2){displaystyle {begin{aligned}operatorname {sn} left(u,kright)&={frac {{tfrac {2}{1+{sqrt {1-k^{2}}}}}operatorname {sn} left({tfrac {1+{sqrt {1-k^{2}}}}{2}}u,{tfrac {1-{sqrt {1-k^{2}}}}{1+{sqrt {1-k^{2}}}}}right)}{1+{tfrac {1-{sqrt {1-k^{2}}}}{1+{sqrt {1-k^{2}}}}}operatorname {sn} ^{2}left({tfrac {1+{sqrt {1-k^{2}}}}{2}}u,{tfrac {1-{sqrt {1-k^{2}}}}{1+{sqrt {1-k^{2}}}}}right)}}end{aligned}}}
となるが、これは下降ランデン変換である。
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