Characterization theorem for classical orthogonal polynomials on non-uniform lattices: The functional approach

Using the functional approach, we state and prove a characterization theorem for classical orthogonal polynomials on non-uniform lattices (quadratic lattices of a discrete or a q-discrete variable) including the Askey-Wilson polynomials. This theorem proves the equivalence between seven characterization properties, namely the Pearson equation for the linear functional, the second-order divided-difference equation, the orthogonality of the derivatives, the Rodrigues formula, two types of structure relations,and the Riccati equation for the formal Stieltjes function.

Moments of classical orthogonal polynomials

The aim of this work is to find simple formulas for the moments mu_n for all families of classical orthogonal polynomials listed in the book by Koekoek, Lesky and Swarttouw. The generating functions or exponential generating functions for those moments are given.

Identifikation spezieller Funktionen, die durch Rodriguesformeln gegeben sind

Es ist allgemein bekannt, dass sich zwei gegebene Systeme spezieller Funktionen durch Angabe einer Rekursionsgleichung und entsprechend vieler Anfangswerte identifizieren lassen, denn computeralgebraisch betrachtet hat man damit eine Normalform vorliegen. Daher hat sich die interessante Forschungsfrage ergeben, Funktionensysteme zu identifizieren, die über ihre Rodriguesformel gegeben sind. Zieht man den in den 1990er Jahren gefundenen Zeilberger-Algorithmus für holonome Funktionenfamilien hinzu, kann die Rodriguesformel algorithmisch in eine Rekursionsgleichung überführt werden. Falls die Funktionenfamilie überdies hypergeometrisch ist, sogar laufzeiteffizient. Um den Zeilberger-Algorithmus überhaupt anwenden zu können, muss es gelingen, die Rodriguesformel in eine Summe umzuwandeln. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Umwandlung einer Rodriguesformel in die genannte Normalform für den kontinuierlichen, den diskreten sowie den q-diskreten Fall vollständig. Das in Almkvist und Zeilberger (1990) angegebene Vorgehen im kontinuierlichen Fall, wo die in der Rodriguesformel auftauchende n-te Ableitung über die Cauchysche Integralformel in ein komplexes Integral überführt wird, zeigt sich im diskreten Fall nun dergestalt, dass die n-te Potenz des Vorwärtsdifferenzenoperators in eine Summenschreibweise überführt wird. Die Rekursionsgleichung aus dieser Summe zu generieren, ist dann mit dem diskreten Zeilberger-Algorithmus einfach. Im q-Fall wird dargestellt, wie Rekursionsgleichungen aus vier verschiedenen q-Rodriguesformeln gewonnen werden können, wobei zunächst die n-te Potenz der jeweiligen q-Operatoren in eine Summe überführt wird. Drei der vier Summenformeln waren bislang unbekannt. Sie wurden experimentell gefunden und per vollständiger Induktion bewiesen. Der q-Zeilberger-Algorithmus erzeugt anschließend aus diesen Summen die gewünschte Rekursionsgleichung. In der Praxis ist es sinnvoll, den schnellen Zeilberger-Algorithmus anzuwenden, der Rekursionsgleichungen für bestimmte Summen über hypergeometrische Terme ausgibt. Auf dieser Fassung des Algorithmus basierend wurden die Überlegungen in Maple realisiert. Es ist daher sinnvoll, dass alle hier aufgeführten Prozeduren, die aus kontinuierlichen, diskreten sowie q-diskreten Rodriguesformeln jeweils Rekursionsgleichungen erzeugen, an den hypergeometrischen Funktionenfamilien der klassischen orthogonalen Polynome, der klassischen diskreten orthogonalen Polynome und an der q-Hahn-Klasse des Askey-Wilson-Schemas vollständig getestet werden. Die Testergebnisse liegen tabellarisch vor. Ein bedeutendes Forschungsergebnis ist, dass mit der im q-Fall implementierten Prozedur zur Erzeugung einer Rekursionsgleichung aus der Rodriguesformel bewiesen werden konnte, dass die im Standardwerk von Koekoek/Lesky/Swarttouw(2010) angegebene Rodriguesformel der Stieltjes-Wigert-Polynome nicht korrekt ist. Die richtige Rodriguesformel wurde experimentell gefunden und mit den bereitgestellten Methoden bewiesen. Hervorzuheben bleibt, dass an Stelle von Rekursionsgleichungen analog Differential- bzw. Differenzengleichungen für die Identifikation erzeugt wurden. Wie gesagt gehört zu einer Normalform für eine holonome Funktionenfamilie die Angabe der Anfangswerte. Für den kontinuierlichen Fall wurden umfangreiche, in dieser Gestalt in der Literatur noch nie aufgeführte Anfangswertberechnungen vorgenommen. Im diskreten Fall musste für die Anfangswertberechnung zur Differenzengleichung der Petkovsek-van-Hoeij-Algorithmus hinzugezogen werden, um die hypergeometrischen Lösungen der resultierenden Rekursionsgleichungen zu bestimmen. Die Arbeit stellt zu Beginn den schnellen Zeilberger-Algorithmus in seiner kontinuierlichen, diskreten und q-diskreten Variante vor, der das Fundament für die weiteren Betrachtungen bildet. Dabei wird gebührend auf die Unterschiede zwischen q-Zeilberger-Algorithmus und diskretem Zeilberger-Algorithmus eingegangen. Bei der praktischen Umsetzung wird Bezug auf die in Maple umgesetzten Zeilberger-Implementationen aus Koepf(1998/2014) genommen. Die meisten der umgesetzten Prozeduren werden im Text dokumentiert. Somit wird ein vollständiges Paket an Algorithmen bereitgestellt, mit denen beispielsweise Formelsammlungen für hypergeometrische Funktionenfamilien überprüft werden können, deren Rodriguesformeln bekannt sind. Gleichzeitig kann in Zukunft für noch nicht erforschte hypergeometrische Funktionenklassen die beschreibende Rekursionsgleichung erzeugt werden, wenn die Rodriguesformel bekannt ist.

Perturbation, extraction and refinement of invariant pairs for matrix polynomials

Generalizing the notion of an eigenvector, invariant subspaces are frequently used in the context of linear eigenvalue problems, leading to conceptually elegant and numerically stable formulations in applications that require the computation of several eigenvalues and/or eigenvectors. Similar benefits can be expected for polynomial eigenvalue problems, for which the concept of an invariant subspace needs to be replaced by the concept of an invariant pair. Little has been known so far about numerical aspects of such invariant pairs. The aim of this paper is to fill this gap. The behavior of invariant pairs under perturbations of the matrix polynomial is studied and a first-order perturbation expansion is given. From a computational point of view, we investigate how to best extract invariant pairs from a linearization of the matrix polynomial. Moreover, we describe efficient refinement procedures directly based on the polynomial formulation. Numerical experiments with matrix polynomials from a number of applications demonstrate the effectiveness of our extraction and refinement procedures.

Robust eigenstructure assignment in quadratic matrix polynomials: nonsingular case

Feedback design for a second-order control system leads to an eigenstructure assignment problem for a quadratic matrix polynomial. It is desirable that the feedback controller not only assigns specified eigenvalues to the second-order closed loop system but also that the system is robust, or insensitive to perturbations. We derive here new sensitivity measures, or condition numbers, for the eigenvalues of the quadratic matrix polynomial and define a measure of the robustness of the corresponding system. We then show that the robustness of the quadratic inverse eigenvalue problem can be achieved by solving a generalized linear eigenvalue assignment problem subject to structured perturbations. Numerically reliable methods for solving the structured generalized linear problem are developed that take advantage of the special properties of the system in order to minimize the computational work required. In this part of the work we treat the case where the leading coefficient matrix in the quadratic polynomial is nonsingular, which ensures that the polynomial is regular. In a second part, we will examine the case where the open loop matrix polynomial is not necessarily regular.

Approximation by harmonic polynomials in star-shaped domains and exponential convergence of Trefftz hp-dGFEM

We study the approximation of harmonic functions by means of harmonic polynomials in two-dimensional, bounded, star-shaped domains. Assuming that the functions possess analytic extensions to a delta-neighbourhood of the domain, we prove exponential convergence of the approximation error with respect to the degree of the approximating harmonic polynomial. All the constants appearing in the bounds are explicit and depend only on the shape-regularity of the domain and on delta. We apply the obtained estimates to show exponential convergence with rate O(exp(−b square root N)), N being the number of degrees of freedom and b>0, of a hp-dGFEM discretisation of the Laplace equation based on piecewise harmonic polynomials. This result is an improvement over the classical rate O(exp(−b cubic root N )), and is due to the use of harmonic polynomial spaces, as opposed to complete polynomial spaces.

Extensions of homogeneous polynomials ON c(0)(l(2)(i))

We show that a 2-homogeneous polynomial on the complex Banach space c(0)(l(2)(i)) is norm attaining if and only if it is finite (i.e, depends only on finite coordinates). As the consequence, we show that there exists a unique norm-preserving extension for norm-attaining 2-homogeneous polynomials on c(0)(l(2)(i)).

UNIQUENESS OF THE EXTENSION OF 2-HOMOGENEOUS POLYNOMIALS

Homogeneous polynomials of degree 2 on the complex Banach space c(0)(l(n)(2)) are shown to have unique norm-preserving extension to the bidual space. This is done by using M-projections and extends the analogous result for c(0) proved by P.-K. Lin.

Affine processes, arbitrage-Free Term structures of legendre polynomials,and option pricing

Multivariate Affine term structure models have been increasingly used for pricing derivatives in fixed income markets. In these models, uncertainty of the term structure is driven by a state vector, while the short rate is an affine function of this vector. The model is characterized by a specific form for the stochastic differential equation (SDE) for the evolution of the state vector. This SDE presents restrictions on its drift term which rule out arbitrages in the market. In this paper we solve the following inverse problem: Suppose the term structure of interest rates is modeled by a linear combination of Legendre polynomials with random coefficients. Is there any SDE for these coefficients which rules out arbitrages? This problem is of particular empirical interest because the Legendre model is an example of factor model with clear interpretation for each factor, in which regards movements of the term structure. Moreover, the Affine structure of the Legendre model implies knowledge of its conditional characteristic function. From the econometric perspective, we propose arbitrage-free Legendre models to describe the evolution of the term structure. From the pricing perspective, we follow Duffie et al. (2000) in exploring Legendre conditional characteristic functions to obtain a computational tractable method to price fixed income derivatives. Closing the article, the empirical section presents precise evidence on the reward of implementing arbitrage-free parametric term structure models: The ability of obtaining a good approximation for the state vector by simply using cross sectional data.

Monotonicity and asymptotics of zeros of Sobolev type orthogonal polynomials: A general case

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

On the zeros of polynomials: An extension of the Enestrom-Kakeya theorem

This paper presents an extension of the Enestrom-Kakeya theorem concerning the roots of a polynomial that arises from the analysis of the stability of Brown (K, L) methods. The generalization relates to relaxing one of the inequalities on the coefficients of the polynomial. Two results concerning the zeros of polynomials will be proved, one of them providing a partial answer to a conjecture by Meneguette (1994)[6]. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

Convexity of the extreme zeros of Gegenbauer and Laguerre polynomials

Let C-n(lambda)(x), n = 0, 1,..., lambda > -1/2, be the ultraspherical (Gegenbauer) polynomials, orthogonal. in (-1, 1) with respect to the weight function (1 - x(2))(lambda-1/2). Denote by X-nk(lambda), k = 1,....,n, the zeros of C-n(lambda)(x) enumerated in decreasing order. In this short note, we prove that, for any n is an element of N, the product (lambda + 1)(3/2)x(n1)(lambda) is a convex function of lambda if lambda greater than or equal to 0. The result is applied to obtain some inequalities for the largest zeros of C-n(lambda)(x). If X-nk(alpha), k = 1,...,n, are the zeros of Laguerre polynomial L-n(alpha)(x), also enumerated in decreasing order, we prove that x(n1)(lambda)/(alpha + 1) is a convex function of alpha for alpha > - 1. (C) 2002 Published by Elsevier B.V. B.V.

Asymptotics of zeros of polynomials arising from rational integrals

We prove that the zeros of the polynomials P.. (a) of degree m, defined by Boros and Moll via[GRAPHICS]approach the lemmiscate {zeta epsilon C: \zeta(2) - 1\ = Hzeta < 0}, as m --> infinity. (C) 2004 Elsevier B.V. All rights reserved.