On a moment problem associated with Chebyshev polynomials

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Orthogonality relations for Chebyshev polynomials,

"C00-1469-0154."

Some New Classes of Orthogonal Polynomials and Special Functions

In dieser Dissertation präsentieren wir zunächst eine Verallgemeinerung der üblichen Sturm-Liouville-Probleme mit symmetrischen Lösungen und erklären eine umfassendere Klasse. Dann führen wir einige neue Klassen orthogonaler Polynome und spezieller Funktionen ein, welche sich aus dieser symmetrischen Verallgemeinerung ableiten lassen. Als eine spezielle Konsequenz dieser Verallgemeinerung führen wir ein Polynomsystem mit vier freien Parametern ein und zeigen, dass in diesem System fast alle klassischen symmetrischen orthogonalen Polynome wie die Legendrepolynome, die Chebyshevpolynome erster und zweiter Art, die Gegenbauerpolynome, die verallgemeinerten Gegenbauerpolynome, die Hermitepolynome, die verallgemeinerten Hermitepolynome und zwei weitere neue endliche Systeme orthogonaler Polynome enthalten sind. All diese Polynome können direkt durch das neu eingeführte System ausgedrückt werden. Ferner bestimmen wir alle Standardeigenschaften des neuen Systems, insbesondere eine explizite Darstellung, eine Differentialgleichung zweiter Ordnung, eine generische Orthogonalitätsbeziehung sowie eine generische Dreitermrekursion. Außerdem benutzen wir diese Erweiterung, um die assoziierten Legendrefunktionen, welche viele Anwendungen in Physik und Ingenieurwissenschaften haben, zu verallgemeinern, und wir zeigen, dass diese Verallgemeinerung Orthogonalitätseigenschaft und -intervall erhält. In einem weiteren Kapitel der Dissertation studieren wir detailliert die Standardeigenschaften endlicher orthogonaler Polynomsysteme, welche sich aus der üblichen Sturm-Liouville-Theorie ergeben und wir zeigen, dass sie orthogonal bezüglich der Fisherschen F-Verteilung, der inversen Gammaverteilung und der verallgemeinerten t-Verteilung sind. Im nächsten Abschnitt der Dissertation betrachten wir eine vierparametrige Verallgemeinerung der Studentschen t-Verteilung. Wir zeigen, dass diese Verteilung gegen die Normalverteilung konvergiert, wenn die Anzahl der Stichprobe gegen Unendlich strebt. Eine ähnliche Verallgemeinerung der Fisherschen F-Verteilung konvergiert gegen die chi-Quadrat-Verteilung. Ferner führen wir im letzten Abschnitt der Dissertation einige neue Folgen spezieller Funktionen ein, welche Anwendungen bei der Lösung in Kugelkoordinaten der klassischen Potentialgleichung, der Wärmeleitungsgleichung und der Wellengleichung haben. Schließlich erklären wir zwei neue Klassen rationaler orthogonaler hypergeometrischer Funktionen, und wir zeigen unter Benutzung der Fouriertransformation und der Parsevalschen Gleichung, dass es sich um endliche Orthogonalsysteme mit Gewichtsfunktionen vom Gammatyp handelt.

Convolutions and zeros of orthogonal polynomials

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Bending Of Circular Plate On Elastic-Foundation

The governing differential equation of linear, elastic, thin, circular plate of uniform thickness, subjected to uniformly distributed load and resting on Winkler-Pasternak type foundation is solved using ``Chebyshev Polynomials''. Analysis is carried out using Lenczos' technique, both for simply supported and clamped plates. Numerical results thus obtained by perturbing the differential equation for plates without foundation are compared and are found to be in good agreement with the available results. The effect of foundation on central deflection of the plate is shown in the form of graphs.

Stability Analysis of Composite Skew Plates Using a Dynamic Method

Stability analysis is carried out considering free lateral vibrations of simply supported composite skew plates that are subjected to both direct and shear in-plane forces. An oblique stress component representation is used, consistent with the skew-geometry of the plate. A double series, expressed in Chebyshev polynomials, is used here as the assumed deflection surface and Ritz method of solution is employed. Numerical results for different combinations of side ratios, skew angle, and in-plane loadings that act individually or in combination are obtained. In this method, the in-plane load parameter is varied until the fundamental frequency goes to zero. The value of the in-plane load then corresponds to a critical buckling load. Plots of frequency parameter versus in-plane loading are given for a few typical cases. Details of crossings and quasi degeneracies of these curves are presented.

Frequency Domain Based Solution for Certain Class of Wave Equations: An exhaustive study of Numerical Solutions

The paper discusses the frequency domain based solution for a certain class of wave equations such as: a second order partial differential equation in one variable with constant and varying coefficients (Cantilever beam) and a coupled second order partial differential equation in two variables with constant and varying coefficients (Timoshenko beam). The exact solution of the Cantilever beam with uniform and varying cross-section and the Timoshenko beam with uniform cross-section is available. However, the exact solution for Timoshenko beam with varying cross-section is not available. Laplace spectral methods are used to solve these problems exactly in frequency domain. The numerical solution in frequency domain is done by discretisation in space by approximating the unknown function using spectral functions like Chebyshev polynomials, Legendre polynomials and also Normal polynomials. Different numerical methods such as Galerkin Method, Petrov- Galerkin method, Method of moments and Collocation method or the Pseudo-spectral method in frequency domain are studied and compared with the available exact solution. An approximate solution is also obtained for the Timoshenko beam with varying cross-section using Laplace Spectral Element Method (LSEM). The group speeds are computed exactly for the Cantilever beam and Timoshenko beam with uniform cross-section and is compared with the group speeds obtained numerically. The shear mode and the bending modes of the Timoshenko beam with uniform cross-section are separated numerically by applying a modulated pulse as the shear force and the corresponding group speeds for varying taper parameter in are obtained numerically by varying the frequency of the input pulse. An approximate expression for calculating group speeds corresponding to the shear mode and the bending mode, and also the cut-off frequency is obtained. Finally, we show that the cut-off frequency disappears for large in, for epsilon > 0 and increases for large in, for epsilon < 0.

Spectral solutions to the Korteweg-de-Vries and nonlinear Schrodinger equations

In this paper, we present the solutions of 1-D and 2-D non-linear partial differential equations with initial conditions. We approach the solutions in time domain using two methods. We first solve the equations using Fourier spectral approximation in the spatial domain and secondly we compare the results with the approximation in the spatial domain using orthogonal functions such as Legendre or Chebyshev polynomials as their basis functions. The advantages and the applicability of the two different methods for different types of problems are brought out by considering 1-D and 2-D nonlinear partial differential equations namely the Korteweg-de-Vries and nonlinear Schrodinger equation with different potential function. (C) 2015 Elsevier Ltd. All rights reserved.

A Review of Operational Matrices and Spectral Techniques for Fractional Calculus

Recently, operational matrices were adapted for solving several kinds of fractional differential equations (FDEs). The use of numerical techniques in conjunction with operational matrices of some orthogonal polynomials, for the solution of FDEs on finite and infinite intervals, produced highly accurate solutions for such equations. This article discusses spectral techniques based on operational matrices of fractional derivatives and integrals for solving several kinds of linear and nonlinear FDEs. More precisely, we present the operational matrices of fractional derivatives and integrals, for several polynomials on bounded domains, such as the Legendre, Chebyshev, Jacobi and Bernstein polynomials, and we use them with different spectral techniques for solving the aforementioned equations on bounded domains. The operational matrices of fractional derivatives and integrals are also presented for orthogonal Laguerre and modified generalized Laguerre polynomials, and their use with numerical techniques for solving FDEs on a semi-infinite interval is discussed. Several examples are presented to illustrate the numerical and theoretical properties of various spectral techniques for solving FDEs on finite and semi-infinite intervals.

Sur l'inégalité de Visser

Soit p un polynôme d'une variable complexe z. On peut trouver plusieurs inégalités reliant le module maximum de p et une combinaison de ses coefficients. Dans ce mémoire, nous étudierons principalement les preuves connues de l'inégalité de Visser. Nous montrerons aussi quelques généralisations de cette inégalité. Finalement, nous obtiendrons quelques applications de l'inégalité de Visser à l'inégalité de Chebyshev.

Superintégrabilité avec séparation de variables en coordonnées polaires et intégrales du mouvement d’ordre supérieur à deux

Dans cette thèse, nous proposons de nouveaux résultats de systèmes superintégrables séparables en coordonnées polaires. Dans un premier temps, nous présentons une classification complète de tous les systèmes superintégrables séparables en coordonnées polaires qui admettent une intégrale du mouvement d'ordre trois. Des potentiels s'exprimant en terme de la sixième transcendante de Painlevé et de la fonction elliptique de Weierstrass sont présentés. Ensuite, nous introduisons une famille infinie de systèmes classiques et quantiques intégrables et exactement résolubles en coordonnées polaires. Cette famille s'exprime en terme d'un paramètre k. Le spectre d'énergie et les fonctions d'onde des systèmes quantiques sont présentés. Une conjecture postulant la superintégrabilité de ces systèmes est formulée et est vérifiée pour k=1,2,3,4. L'ordre des intégrales du mouvement proposées est 2k où k ∈ ℕ. La structure algébrique de la famille de systèmes quantiques est formulée en terme d'une algèbre cachée où le nombre de générateurs dépend du paramètre k. Une généralisation quasi-exactement résoluble et intégrable de la famille de potentiels est proposée. Finalement, les trajectoires classiques de la famille de systèmes sont calculées pour tous les cas rationnels k ∈ ℚ. Celles-ci s'expriment en terme des polynômes de Chebyshev. Les courbes associées aux trajectoires sont présentées pour les premiers cas k=1, 2, 3, 4, 1/2, 1/3 et 3/2 et les trajectoires bornées sont fermées et périodiques dans l'espace des phases. Ainsi, les résultats obtenus viennent renforcer la possible véracité de la conjecture.

Solution de C. Hyltén-Cavallius pour un problème de P. Turán concernant des polynômes

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Special functions of Weyl groups and their continuous and discrete orthogonality

Cette thèse s'intéresse à l'étude des propriétés et applications de quatre familles des fonctions spéciales associées aux groupes de Weyl et dénotées $C$, $S$, $S^s$ et $S^l$. Ces fonctions peuvent être vues comme des généralisations des polynômes de Tchebyshev. Elles sont en lien avec des polynômes orthogonaux à plusieurs variables associés aux algèbres de Lie simples, par exemple les polynômes de Jacobi et de Macdonald. Elles ont plusieurs propriétés remarquables, dont l'orthogonalité continue et discrète. En particulier, il est prouvé dans la présente thèse que les fonctions $S^s$ et $S^l$ caractérisées par certains paramètres sont mutuellement orthogonales par rapport à une mesure discrète. Leur orthogonalité discrète permet de déduire deux types de transformées discrètes analogues aux transformées de Fourier pour chaque algèbre de Lie simple avec racines des longueurs différentes. Comme les polynômes de Tchebyshev, ces quatre familles des fonctions ont des applications en analyse numérique. On obtient dans cette thèse quelques formules de <>, pour des fonctions de plusieurs variables, en liaison avec les fonctions $C$, $S^s$ et $S^l$. On fournit également une description complète des transformées en cosinus discrètes de types V--VIII à $n$ dimensions en employant les fonctions spéciales associées aux algèbres de Lie simples $B_n$ et $C_n$, appelées cosinus antisymétriques et symétriques. Enfin, on étudie quatre familles de polynômes orthogonaux à plusieurs variables, analogues aux polynômes de Tchebyshev, introduits en utilisant les cosinus (anti)symétriques.

A tutorial on pseudospectral methods for computational optimal control

[English] This paper is a tutorial introduction to pseudospectral optimal control. With pseudospectral methods, a function is approximated as a linear combination of smooth basis functions, which are often chosen to be Legendre or Chebyshev polynomials. Collocation of the differential-algebraic equations is performed at orthogonal collocation points, which are selected to yield interpolation of high accuracy. Pseudospectral methods directly discretize the original optimal control problem to recast it into a nonlinear programming format. A numerical optimizer is then employed to find approximate local optimal solutions. The paper also briefly describes the functionality and implementation of PSOPT, an open source software package written in C++ that employs pseudospectral discretization methods to solve multi-phase optimal control problems. The software implements the Legendre and Chebyshev pseudospectral methods, and it has useful features such as automatic differentiation, sparsity detection, and automatic scaling. The use of pseudospectral methods is illustrated in two problems taken from the literature on computational optimal control. [Portuguese] Este artigo e um tutorial introdutorio sobre controle otimo pseudo-espectral. Em metodos pseudo-espectrais, uma funcao e aproximada como uma combinacao linear de funcoes de base suaves, tipicamente escolhidas como polinomios de Legendre ou Chebyshev. A colocacao de equacoes algebrico-diferenciais e realizada em pontos de colocacao ortogonal, que sao selecionados de modo a minimizar o erro de interpolacao. Metodos pseudoespectrais discretizam o problema de controle otimo original de modo a converte-lo em um problema de programa cao nao-linear. Um otimizador numerico e entao empregado para obter solucoes localmente otimas. Este artigo tambem descreve sucintamente a funcionalidade e a implementacao de um pacote computacional de codigo aberto escrito em C++ chamado PSOPT. Tal pacote emprega metodos de discretizacao pseudo-spectrais para resolver problemas de controle otimo com multiplas fase. O PSOPT permite a utilizacao de metodos de Legendre ou Chebyshev, e possui caractersticas uteis tais como diferenciacao automatica, deteccao de esparsidade e escalonamento automatico. O uso de metodos pseudo-espectrais e ilustrado em dois problemas retirados da literatura de controle otimo computacional.

Chebyshev-Laurent polynomials and weighted approximation

Let (a, b) subset of (0, infinity) and for any positive integer n, let S-n be the Chebyshev space in [a, b] defined by S-n:= span{x(-n/2+k),k= 0,...,n}. The unique (up to a constant factor) function tau(n) is an element of S-n, which satisfies the orthogonality relation S(a)(b)tau(n)(x)q(x) (x(b - x)(x - a))(-1/2) dx = 0 for any q is an element of Sn-1, is said to be the orthogonal Chebyshev S-n-polynomials. This paper is an attempt to exibit some interesting properties of the orthogonal Chebyshev S-n-polynomials and to demonstrate their importance to the problem of approximation by S-n-polynomials. A simple proof of a Jackson-type theorem is given and the Lagrange interpolation problem by functions from S-n is discussed. It is shown also that tau(n) obeys an extremal property in L-q, 1 less than or equal to q less than or equal to infinity. Natural analogues of some inequalities for algebraic polynomials, which we expect to hold for the S-n-pelynomials, are conjectured.