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Discrete Chebyshev polynomials

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645:
are of any significance. Nevertheless, because these polynomials can be defined in terms of orthogonality with respect to a nonnegative weight function, the entire theory of orthogonal polynomials is applicable. In particular, the polynomials are complete in the sense that
2143: 2596: 405: 932: 761: 524: 1355: 1857: 1985: 1542: 1444: 1990: 283: 249: 1633: 1122: 2462: 768: 1672:
The discrete Chebyshev polynomials have surprising connections to various algebraic properties of spin: spin transition probabilities, the probabilities for observations of the spin in
1731: 2643: 2242: 987: 649: 643: 412: 169: 2457: 2186: 2286: 278: 1240: 2327: 1891: 1662: 1577: 1475: 1059: 567: 105: 1751: 2416: 1149: 2376: 1013: 2396: 2347: 1033: 587: 1756: 1484: 1896: 1681: 1376: 174: 1590: 2800:
N. D. Mermin; G. M. Schwarz (1982). "Joint distributions and local realism in the higher-spin Einstein-Podolsky-Rosen experiment".
2883: 2736: 43: 1232: 2888: 1064: 2188:
are scaled and shifted versions of the Chebyshev polynomials. They are shifted so as to have support on the points
1687:
Specifically, the polynomials turn out to be the eigenvectors of the absolute square of the rotation matrix (the
2138:{\displaystyle \sum _{m'=-j}^{j}F_{mm'}(\theta )\,f_{\ell }^{j}(m')=P_{\ell }(\cos \theta )f_{\ell }^{j}(m).} 1694: 400:{\displaystyle \int _{-\infty }^{\infty }t_{n}^{N}(x)t_{m}^{N}(x)w(x)\,dx=0\quad {\text{ if }}\quad n\neq m.} 171:, constructed such that two polynomials of unequal degree are orthogonal with respect to the weight function 2459:
can be scaled so as to obey other normalization conditions. For example, one could demand that they satisfy
55: 2601: 2662: 2591:{\displaystyle {\frac {1}{2j+1}}\sum _{m=-j}^{j}f_{\ell }^{j}(m)f_{\ell '}^{j}(m)=\delta _{\ell \ell '},} 2191: 939: 927:{\displaystyle \sum _{r=0}^{N-1}t_{n}^{N}(r)t_{n}^{N}(r)={\frac {N}{2n+1}}\prod _{k=1}^{n}(N^{2}-k^{2}).} 592: 118: 28: 2421: 2150: 2852: 2809: 2774: 2247: 254: 47: 992:
If the independent variable is linearly scaled and shifted so that the end points assume the values
1580: 1370: 58:. They were later found to be applicable to various algebraic properties of spin angular momentum. 2843:
Anupam Garg (2022). "The discrete Chebyshev–Meckler–Mermin–Schwarz polynomials and spin algebra".
2291: 1862: 1640: 1555: 1453: 1038: 531: 69: 2825: 2713: 2686:"Ueber die Entwickelung reeller Functionen in Reihen mittelst der Methode der kleinsten Quadrate" 51: 2685: 1736: 2860: 2817: 2782: 2745: 2705: 2697: 756:{\displaystyle \sum _{n=0}^{N-1}t_{n}^{N}(r)t_{n}^{N}(s)=0\quad {\text{ if }}\quad r\neq s.} 519:{\displaystyle \sum _{r=0}^{N-1}t_{n}^{N}(r)t_{m}^{N}(r)=0\quad {\text{ if }}\quad n\neq m.} 2401: 1127: 2709: 2352: 1688: 1170: 1166: 2856: 2813: 2778: 995: 2381: 2332: 1478: 1018: 572: 409:
The integral on the left is actually a sum because of the delta function, and we have,
1350:{\displaystyle \left(g,h\right)_{d}:={\frac {1}{m}}\sum _{k=1}^{m}{g(x_{k})h(x_{k})},} 2877: 2829: 2717: 1235: 1677: 1584: 17: 1673: 1220: 2786: 2701: 1447: 2750: 2731: 2730:
R.W. Barnard; G. Dahlquist; K. Pearce; L. Reichel; K.C. Richards (1998).
1201: 2821: 2864: 936:
This fixes the polynomials completely along with the sign convention,
1852:{\displaystyle d_{mm'}=\langle j,m|e^{-i\theta J_{y}}|j,m'\rangle ,} 1537:{\displaystyle \left(\varphi _{k},\varphi _{i}\right)_{d}=0} 1980:{\displaystyle F_{mm'}(\theta )=|d_{mm'}(\theta )|^{2},} 1893:
are the usual angular momentum or spin eigenstates, and
1691:). The associated eigenvalue is the Legendre polynomial 2604: 2465: 2424: 2404: 2384: 2355: 2335: 2294: 2250: 2194: 2153: 1993: 1899: 1865: 1759: 1739: 1697: 1664:
are called discrete Chebyshev (or Gram) polynomials.
1643: 1593: 1558: 1487: 1456: 1439:{\displaystyle \left\|g\right\|_{d}:=(g,g)_{d}^{1/2}} 1379: 1243: 1130: 1067: 1041: 1021: 998: 942: 771: 652: 595: 575: 534: 415: 286: 257: 177: 121: 72: 1173:, whose values are known explicitly only at points 244:{\displaystyle w(x)=\sum _{r=0}^{N-1}\delta (x-r),} 2637: 2590: 2451: 2410: 2390: 2370: 2341: 2321: 2280: 2236: 2180: 2137: 1979: 1885: 1851: 1745: 1725: 1656: 1628:{\displaystyle \left\|\varphi _{k}\right\|_{d}=1.} 1627: 1571: 1536: 1469: 1438: 1349: 1143: 1117:{\displaystyle t_{n}^{N}(\cdot )\to P_{n}(\cdot )} 1116: 1053: 1027: 1007: 981: 926: 755: 637: 581: 561: 518: 399: 272: 243: 163: 99: 2690:Journal für die reine und angewandte Mathematik 589:, only its values at a discrete set of points, 8: 1880: 1843: 1781: 2732:"Gram Polynomials and the Kummer Function" 1753:is the rotation angle. In other words, if 765:Chebyshev chose the normalization so that 2749: 2614: 2609: 2603: 2571: 2549: 2539: 2520: 2515: 2505: 2491: 2466: 2464: 2434: 2429: 2423: 2403: 2383: 2354: 2334: 2304: 2299: 2293: 2249: 2193: 2163: 2158: 2152: 2117: 2112: 2087: 2060: 2055: 2050: 2027: 2017: 1998: 1992: 1968: 1963: 1939: 1930: 1904: 1898: 1866: 1864: 1824: 1816: 1802: 1793: 1764: 1758: 1738: 1702: 1696: 1648: 1642: 1613: 1603: 1592: 1563: 1557: 1522: 1511: 1498: 1486: 1461: 1455: 1426: 1422: 1417: 1392: 1378: 1334: 1315: 1304: 1298: 1287: 1273: 1264: 1242: 1135: 1129: 1099: 1077: 1072: 1066: 1040: 1020: 997: 952: 947: 941: 912: 899: 886: 875: 850: 832: 827: 808: 803: 787: 776: 770: 735: 713: 708: 689: 684: 668: 657: 651: 594: 574: 544: 539: 533: 498: 476: 471: 452: 447: 431: 420: 414: 379: 365: 338: 333: 314: 309: 299: 291: 285: 280:being the Dirac delta function. That is, 256: 208: 197: 176: 120: 82: 77: 71: 1481:of polynomials orthogonal to each other 2765:A. Meckler (1958). "Majorana formula". 2653: 1726:{\displaystyle P_{\ell }(\cos \theta )} 2638:{\displaystyle f_{\ell }^{j}(j)>0} 7: 2237:{\displaystyle m=-j,-j+1,\ldots ,j} 982:{\displaystyle t_{n}^{N}(N-1)>0} 638:{\displaystyle x=0,1,2,\ldots ,N-1} 164:{\displaystyle n=0,1,2,\ldots ,N-1} 1048: 300: 295: 66:The discrete Chebyshev polynomial 25: 2452:{\displaystyle f_{\ell }^{j}(m)} 2181:{\displaystyle f_{\ell }^{j}(m)} 2845:Journal of Mathematical Physics 2737:Journal of Approximation Theory 2281:{\displaystyle r=0,1,\ldots ,N} 740: 734: 503: 497: 384: 378: 273:{\displaystyle \delta (\cdot )} 44:discrete orthogonal polynomials 2626: 2620: 2561: 2555: 2532: 2526: 2446: 2440: 2316: 2310: 2175: 2169: 2129: 2123: 2105: 2093: 2077: 2066: 2047: 2041: 1964: 1959: 1953: 1931: 1924: 1918: 1867: 1825: 1794: 1720: 1708: 1609: 1596: 1414: 1401: 1388: 1382: 1340: 1327: 1321: 1308: 1111: 1105: 1092: 1089: 1083: 1045: 970: 958: 918: 892: 844: 838: 820: 814: 725: 719: 701: 695: 556: 550: 488: 482: 464: 458: 362: 356: 350: 344: 326: 320: 267: 261: 235: 223: 187: 181: 94: 88: 36:discrete Chebyshev polynomials 1: 1552:. Assume all the polynomials 1215:. The task is to approximate 2322:{\displaystyle t_{n}^{N}(r)} 1886:{\displaystyle |j,m\rangle } 1668:Connection with Spin Algebra 1657:{\displaystyle \varphi _{k}} 1572:{\displaystyle \varphi _{k}} 1470:{\displaystyle \varphi _{k}} 1151:is the Legendre polynomial. 1054:{\displaystyle N\to \infty } 562:{\displaystyle t_{n}^{N}(x)} 100:{\displaystyle t_{n}^{N}(x)} 2905: 2673:, Oeuvres Vol 1 p. 539–560 107:is a polynomial of degree 26: 1684:for various spin states. 2787:10.1103/PhysRev.111.1447 1124:times a constant, where 27:Not to be confused with 2702:10.1515/crll.1883.94.41 1746:{\displaystyle \theta } 1678:Einstein-Podolsky-Rosen 2884:Orthogonal polynomials 2802:Foundations of Physics 2751:10.1006/jath.1998.3181 2661:Chebyshev, P. (1864), 2639: 2592: 2510: 2453: 2412: 2392: 2372: 2343: 2323: 2282: 2238: 2182: 2139: 2022: 1981: 1887: 1853: 1747: 1727: 1676:spin-s version of the 1658: 1629: 1573: 1538: 1471: 1440: 1351: 1303: 1233:positive semi-definite 1145: 1118: 1055: 1029: 1009: 983: 928: 891: 798: 757: 679: 639: 583: 563: 520: 442: 401: 274: 245: 219: 165: 101: 2667:Zapiski Akademii Nauk 2663:"Sur l'interpolation" 2640: 2593: 2487: 2454: 2413: 2411:{\displaystyle \ell } 2393: 2373: 2344: 2324: 2283: 2239: 2183: 2140: 1994: 1982: 1888: 1854: 1748: 1728: 1659: 1630: 1574: 1539: 1472: 1441: 1352: 1283: 1146: 1144:{\displaystyle P_{n}} 1119: 1056: 1030: 1010: 984: 929: 871: 772: 758: 653: 640: 584: 564: 521: 416: 402: 275: 246: 193: 166: 102: 62:Elementary Definition 29:Chebyshev polynomials 2889:Approximation theory 2684:Gram, J. P. (1883), 2602: 2463: 2422: 2402: 2382: 2371:{\displaystyle 2j+1} 2353: 2333: 2292: 2248: 2192: 2151: 1991: 1897: 1863: 1757: 1737: 1695: 1641: 1591: 1556: 1485: 1454: 1377: 1241: 1128: 1065: 1039: 1019: 996: 940: 769: 650: 593: 573: 532: 413: 284: 255: 175: 119: 70: 54:and rediscovered by 48:approximation theory 2857:2022JMP....63g2101G 2814:1982FoPh...12..101M 2779:1958PhRv..111.1447M 2619: 2554: 2525: 2439: 2418:. In addition, the 2309: 2168: 2122: 2065: 1587:in such a way that 1581:leading coefficient 1435: 1155:Advanced Definition 1082: 957: 837: 813: 718: 694: 569:is a polynomial in 549: 481: 457: 343: 319: 304: 87: 2822:10.1007/BF00736844 2635: 2605: 2588: 2535: 2511: 2449: 2425: 2408: 2388: 2368: 2339: 2319: 2295: 2278: 2234: 2178: 2154: 2135: 2108: 2051: 1977: 1883: 1849: 1743: 1723: 1654: 1625: 1569: 1534: 1467: 1436: 1413: 1347: 1141: 1114: 1068: 1051: 1025: 1008:{\displaystyle -1} 1005: 979: 943: 924: 823: 799: 753: 704: 680: 635: 579: 559: 535: 528:Thus, even though 516: 467: 443: 397: 329: 305: 287: 270: 241: 161: 97: 73: 2865:10.1063/5.0094575 2485: 2398:corresponding to 2391:{\displaystyle n} 2349:corresponding to 2342:{\displaystyle N} 2147:The eigenvectors 1281: 1028:{\displaystyle 1} 869: 738: 582:{\displaystyle x} 501: 382: 52:Pafnuty Chebyshev 16:(Redirected from 2896: 2869: 2868: 2840: 2834: 2833: 2797: 2791: 2790: 2762: 2756: 2755: 2753: 2727: 2721: 2720: 2681: 2675: 2674: 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1535: 1527: 1526: 1521: 1517: 1516: 1515: 1503: 1502: 1476: 1474: 1473: 1468: 1466: 1465: 1445: 1443: 1442: 1437: 1434: 1430: 1421: 1397: 1396: 1391: 1368: 1362: 1356: 1354: 1353: 1348: 1343: 1339: 1338: 1320: 1319: 1302: 1297: 1282: 1274: 1269: 1268: 1263: 1259: 1214: 1191: 1183: := −1 + (2 1164: 1150: 1148: 1147: 1142: 1140: 1139: 1123: 1121: 1120: 1115: 1104: 1103: 1081: 1076: 1060: 1058: 1057: 1052: 1034: 1032: 1031: 1026: 1014: 1012: 1011: 1006: 988: 986: 985: 980: 956: 951: 933: 931: 930: 925: 917: 916: 904: 903: 890: 885: 870: 868: 851: 836: 831: 812: 807: 797: 786: 762: 760: 759: 754: 739: 736: 717: 712: 693: 688: 678: 667: 644: 642: 641: 636: 588: 586: 585: 580: 568: 566: 565: 560: 548: 543: 525: 523: 522: 517: 502: 499: 480: 475: 456: 451: 441: 430: 406: 404: 403: 398: 383: 380: 342: 337: 318: 313: 303: 298: 279: 277: 276: 271: 250: 248: 247: 242: 218: 207: 170: 168: 167: 162: 106: 104: 103: 98: 86: 81: 50:, introduced by 42:, are a type of 40:Gram polynomials 34:In 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Let 1357:where 115:, for 2826:S2CID 2714:S2CID 2329:with 1987:then 1477:be a 1227:< 1219:as a 1187:− 1)/ 1165:be a 251:with 38:, or 2694:1883 2630:> 2288:for 1637:The 1369:are 1363:and 1204:and 1200:are 1196:and 1159:Let 1015:and 974:> 56:Gram 2861:doi 2818:doi 2783:doi 2771:111 2746:doi 2706:JFM 2698:doi 2097:cos 1712:cos 111:in 2880:: 2859:. 2849:63 2847:. 2824:. 2816:. 2806:12 2804:. 2781:. 2769:. 2742:94 2740:. 2734:. 2712:, 2704:, 2688:, 2669:, 2665:, 2645:. 1623:1. 1399::= 1271::= 1061:, 989:. 2867:. 2863:: 2855:: 2832:. 2820:: 2812:: 2789:. 2785:: 2777:: 2754:. 2748:: 2700:: 2671:4 2633:0 2627:) 2624:j 2621:( 2616:j 2607:f 2586:, 2565:= 2562:) 2559:m 2556:( 2551:j 2537:f 2533:) 2530:m 2527:( 2522:j 2513:f 2507:j 2502:j 2496:= 2493:m 2482:1 2479:+ 2476:j 2473:2 2469:1 2447:) 2444:m 2441:( 2436:j 2427:f 2386:n 2366:1 2363:+ 2360:j 2357:2 2337:N 2317:) 2314:r 2311:( 2306:N 2301:n 2297:t 2276:N 2273:, 2267:, 2264:1 2261:, 2258:0 2255:= 2252:r 2232:j 2229:, 2223:, 2220:1 2217:+ 2214:j 2208:, 2205:j 2199:= 2196:m 2176:) 2173:m 2170:( 2165:j 2156:f 2133:. 2130:) 2127:m 2124:( 2119:j 2110:f 2106:) 2094:( 2085:P 2081:= 2078:) 2071:m 2067:( 2062:j 2053:f 2048:) 2042:( 2033:m 2029:m 2025:F 2019:j 2014:j 2008:= 2001:m 1975:, 1970:2 1965:| 1960:) 1954:( 1945:m 1941:m 1937:d 1932:| 1928:= 1925:) 1919:( 1910:m 1906:m 1902:F 1878:m 1875:, 1872:j 1868:| 1847:, 1837:m 1833:, 1830:j 1826:| 1818:y 1814:J 1807:i 1800:e 1795:| 1791:m 1788:, 1785:j 1779:= 1770:m 1766:m 1762:d 1721:) 1709:( 1700:P 1650:k 1620:= 1615:d 1605:k 1565:k 1550:k 1546:i 1532:0 1529:= 1524:d 1519:) 1513:i 1505:, 1500:k 1491:( 1463:k 1432:2 1428:/ 1424:1 1419:d 1415:) 1411:g 1408:, 1405:g 1402:( 1394:d 1386:g 1366:h 1360:g 1345:, 1341:) 1336:k 1332:x 1328:( 1325:h 1322:) 1317:k 1313:x 1309:( 1306:g 1300:m 1295:1 1292:= 1289:k 1279:m 1276:1 1266:d 1261:) 1257:h 1254:, 1251:g 1247:( 1229:m 1225:n 1217:f 1212:m 1208:k 1198:m 1194:k 1189:m 1185:k 1180:k 1176:x 1162:f 1137:n 1133:P 1112:) 1106:( 1101:n 1097:P 1090:) 1084:( 1079:N 1074:n 1070:t 1043:N 1023:1 1003:1 977:0 971:) 968:1 962:N 959:( 954:N 949:n 945:t 922:. 919:) 914:2 910:k 901:2 897:N 893:( 888:n 883:1 880:= 877:k 866:1 863:+ 860:n 857:2 853:N 848:= 845:) 842:r 839:( 834:N 829:n 825:t 821:) 818:r 815:( 810:N 805:n 801:t 795:1 789:N 784:0 781:= 778:r 751:. 748:s 742:r 732:0 729:= 726:) 723:s 720:( 715:N 710:n 706:t 702:) 699:r 696:( 691:N 686:n 682:t 676:1 670:N 665:0 662:= 659:n 633:1 627:N 624:, 618:, 615:2 612:, 609:1 606:, 603:0 600:= 597:x 577:x 557:) 554:x 551:( 546:N 541:n 537:t 514:. 511:m 505:n 495:0 492:= 489:) 486:r 483:( 478:N 473:m 469:t 465:) 462:r 459:( 454:N 449:n 445:t 439:1 433:N 428:0 425:= 422:r 395:. 392:m 386:n 376:0 373:= 370:x 367:d 363:) 360:x 357:( 354:w 351:) 348:x 345:( 340:N 335:m 331:t 327:) 324:x 321:( 316:N 311:n 307:t 268:) 262:( 239:, 236:) 233:r 227:x 224:( 216:1 210:N 205:0 202:= 199:r 191:= 188:) 185:x 182:( 179:w 159:1 153:N 150:, 144:, 141:2 138:, 135:1 132:, 129:0 126:= 123:n 113:x 109:n 95:) 92:x 89:( 84:N 79:n 75:t 31:. 20:)

Index

Gram polynomial
Chebyshev polynomials
discrete orthogonal polynomials
approximation theory
Pafnuty Chebyshev
Gram
smooth function
closed interval
integers
polynomial
positive semi-definite
bilinear form
continuous
semi-norm
family
leading coefficient
normalized
Bohm's
Einstein-Podolsky-Rosen
Wigner functions
Wigner D-matrix
"Sur l'interpolation"
"Ueber die Entwickelung reeller Functionen in Reihen mittelst der Methode der kleinsten Quadrate"
doi
10.1515/crll.1883.94.41
JFM
15.0321.03
S2CID
116847377
"Gram Polynomials and the Kummer Function"

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