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
第一種楕円積分
につき、次の恒等式をランデン変換という。
同じく、次の恒等式をガウス変換という。
ランデン変換の導出
ランデン変換は
![{\displaystyle \sin \phi ={\frac {{\frac {2}{1+k}}\sin \theta \cos \theta }{\sqrt {1-{\frac {4k}{(1+k)^{2}}}\sin ^{2}\theta }}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/0ff10ec52593a4ff5f863f01ec11758f734f382b)
の置換により導かれる。
を陽にすると
である。
ガウス変換の導出
ガウス変換は
![{\displaystyle \sin \phi ={\frac {{\frac {2}{1+k}}\sin \theta }{1+{\sqrt {1-{\frac {4k}{(1+k)^{2}}}\sin ^{2}\theta }}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/fa196aba0c09e75273e94412e580338b02b56cc0)
の置換により導かれる。
を陽にすると
である。
楕円関数のランデン変換
次の恒等式を楕円関数の上昇ランデン変換という。
![{\displaystyle \operatorname {sn} \left(u,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)}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/a52810fd4dc98f489d2041753954cd6184df7114)
![{\displaystyle \operatorname {cn} \left(u,k\right)={\frac {\operatorname {dn} ^{2}\left({\tfrac {1+k}{2}}u,{\tfrac {2{\sqrt {k}}}{1+k}}\right)-{\tfrac {1-k}{1+k}}}{{\tfrac {2k}{1+k}}\operatorname {dn} \left({\tfrac {1+k}{2}}u,{\tfrac {2{\sqrt {k}}}{1+k}}\right)}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/da73c4768f5c3e6b71f97adf681d3b28443727e0)
次の恒等式を楕円関数の下降ランデン変換という。
![{\displaystyle \operatorname {sn} \left(u,k\right)={\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)}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/c567de8bc1ab056412bf1b2aa7bd3cd9fe53f36d)
![{\displaystyle \operatorname {cn} \left(u,k\right)={\frac {\operatorname {cn} \left({\tfrac {1+{\sqrt {1-k^{2}}}}{2}}u,{\tfrac {1-{\sqrt {1-k^{2}}}}{1+{\sqrt {1-k^{2}}}}}\right)\operatorname {dn} \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)}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/4b6d38d384e868bb94c91510fad1b66dfad480ea)
当初の母数が
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
楕円積分のランデン変換により
のときに
であるから
![{\displaystyle \operatorname {sn} \left(u,k\right)={\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)}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/17db52ab648aa0fb8dda42533214aacb19f70e52)
![{\displaystyle \operatorname {cn} \left(u,k\right)={\sqrt {1-\operatorname {sn} ^{2}\left(u,k\right)}}={\frac {1-{\tfrac {2}{1+k}}\operatorname {sn} ^{2}\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)}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/23133fb3da1499ffcb015520d779dc118d1113ae)
である。楕円積分のガウス変換により
のときに
であるから
であるが、
を
に改め、
を
に改めれば
![{\displaystyle \operatorname {sn} \left(u,k\right)={\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)}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/c567de8bc1ab056412bf1b2aa7bd3cd9fe53f36d)
![{\displaystyle {\begin{aligned}\operatorname {cn} \left(u,k\right)&={\sqrt {1-\operatorname {sn} ^{2}\left(u,k\right)}}\\&={\frac {\operatorname {cn} \left({\tfrac {1+{\sqrt {1-k^{2}}}}{2}}u,{\tfrac {1-{\sqrt {1-k^{2}}}}{1+{\sqrt {1-k^{2}}}}}\right)\operatorname {dn} \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}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/cf6894729b8dbbfb6d180c817f6f778e2a7049be)
となる。
虚数変換
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。
上昇ランデン変換により
虚数変換により
を
と書き、
を
と書けば
となるが、これは下降ランデン変換である。
出典