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B..4 台形公式による数値計算

母関数 (generating function)

$\displaystyle \exp\left[\frac{1}{2}z\left(t-\frac{1}{t}\right)\right]
=\sum_{n\in\Z}J_n(z)t^n.
$

留数定理から、 原点を正の向きに一周する閉曲線 $ \C$ に対して

$\displaystyle J_n(z)=\frac{1}{2\pi i}
\oint_C \exp\left[\frac{1}{2}z\left(t-\frac{1}{t}\right)\right]
t^{-(n+1)} \D z.
$

これから

$\displaystyle J_n(z)=\frac{1}{2\pi}\int_0^{2\pi}
e^{i(z\sin\theta-n\theta)} \D\theta
=\frac{1}{2\pi}\int_0^{2\pi}
\cos(z\sin\theta-n\theta) \D\theta.
$

最後の積分は、 解析的周期関数の一周期に渡る積分なので、 台形公式で高精度に計算できる。 例えば、$ J_4(5)$ の計算に、 区間を $ 32$ 等分した台形公式で $ 10^{-16}$ オーダーの精度が出る (桂田 [2])。


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Masashi Katsurada
平成18年11月21日