When solving differential equations by a spectral method, it is often convenient to shift from Chebyshev polynomials $T_{n}(x)$ with coefficients $a_{n}$ to modified basis functions that incorporate the boundary conditions. For homogeneous Dirichlet boundary conditions, $u(\pm 1)=0$, popular choices include the ``Chebyshev difference basis", $\varsigma_{n}(x) \equiv T_{n+2}(x) - T_{n}(x)$ with coefficients here denoted $b_{n}$ and the ``quadratic-factor basis functions" $\varrho_{n}(x) \equiv (1-x^{2}) T_{n}(x)$ with coefficients $c_{n}$. If $u(x)$ is weakly singular at the boundaries, then $a_{n}$ will decrease proportionally to $1/n^{\kappa}$ for some positive constant $\kappa$. We prove that the Chebyshev difference coefficients $b_{n}$ decrease more slowly by a factor of $n$ while the quadratic-factor coefficients $c_{n}$ decrease more slowly still as $1/n^{\kappa-2}$. The error for the unconstrained Chebyshev series, truncated at degree $n=N$, is $O(1/N^{\kappa})$ in the interior, but is worse by one power of $N$ in narrow boundary layers near each of the endpoints. (For functions which are analytic over the whole domain including $x=\pm 1$, the Chebyshev series is much more uniform on $x \in [-1, 1]$ \cite{BoydOP63}, but the analytic-at-the-endpoints functions are not discussed here.) Although the error norms are about the same, the error in the Chebyshev basis is concentrated in boundary layers near both endpoints whereas the error in the quadratic-factor and difference basis sets are nearly uniform oscillations over the entire interval in $x$. The value of the derivatives at the endpoints is $O(N^{2})$ for Chebyshev polynomials and for the quadratic-factor basis, but only $O(N)$ for the difference basis. In spite of these differences, there is not a compelling reason to prefer one basis over another.


翻译:当用光谱方法解析差异方程式时,通常方便地从 Chebyshev 多边差值 $T ⁇ n}(x) 美元,加上系数 $a ⁇ n}(x) 美元,转换成包含边界条件的修改基础函数。对于同质 Dirichlet 边界条件, $u(pm) =0, 流行选择包括“chebyshev 差值”, $(x)\quev T ⁇ n+2}(x) 美元 (x) 美元, 此处的系数表示差值为$@%n} 美元, 而“quadrent-fac” 值是“x” 。如果美元(x) 在边界上, 美元(x) 美元(x) 美元(x) 美元(xx) 美元(xx), 美元(x(xx) 美元(x(xx) 美元) 美元(x(x(x) 美元) 美元(x(x) 美元) 美元(x(x(x) 美元) 美元) 美元(x(x(x(x) 美元) 美元) 美元(x(x(x) 美元) 美元) 美元(x(x) 美元) 美元) 美元) 美元) 美元) 美元) 美元(x(x(x(x(x(x) 美元) 美元) 美元) 美元) 美元) 美元(x(x(x(x(比值) 的比值) 美元) 的比值) 的比值) ) 的比值) 。

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切比雪夫多项式是以俄国著名数学家切比雪夫(Tschebyscheff,又译契贝雪夫等,1821一1894)的名字命名的重要的特殊函数,第一类切比雪夫多项式Tn和第二类切比雪夫多项式Un(简称切比雪夫多项式)。源起于多倍角的余弦函数和正弦函数的展开式,是与棣美弗定理有关、以递归方式定义的多项式序列,是计算数学中的一类特殊函数,对于注入连续函数逼近问题,阻抗变换问题等等的数学、物理学、技术科学中的近似计算有着非常重要的作用。
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