Extensions of discrete classical orthogonal polynomials beyond the orthogonality

It is well known that the family of Hahn polynomials $\{h_n^{\alpha,\beta}(x;N)\}_{n\ge 0}$ is orthogonal with respect to a certain weight function up to $N$. In this paper we present a factorization for Hahn polynomials for a degree higher than $N$ and we prove that these polynomials can be characterized by a $\Delta$-Sobolev orthogonality. We also present an analogous result for dual-Hahn, Krawtchouk, and Racah polynomials and give the limit relations between them for all n\in \XX N_0. Furthermore, in order to get this results for the Krawtchouk polynomials we will get a more general property of orthogonality for Meixner polynomials.Comment: 2 figures, 20 page

A Survey on q-Polynomials and their Orthogonality Properties

In this paper we study the orthogonality conditions satisfied by the classical q-orthogonal polynomials that are located at the top of the q-Hahn tableau (big q-jacobi polynomials (bqJ)) and the Nikiforov-Uvarov tableau (Askey-Wilson polynomials (AW)) for almost any complex value of the parameters and for all non-negative integers degrees. We state the degenerate version of Favard's theorem, which is one of the keys of the paper, that allow us to extend the orthogonality properties valid up to some integer degree N to Sobolev type orthogonality properties. We also present, following an analogous process that applied in [16], tables with the factorization and the discrete Sobolev-type orthogonality property for those families which satisfy a finite orthogonality property, i.e. it consists in sum of finite number of masspoints, such as q-Racah (qR), q-Hahn (qH), dual q-Hahn (dqH), and q-Krawtchouk polynomials (qK), among others. -- [16] R. S. Costas-Santos and J. F. Sanchez-Lara. Extensions of discrete classical orthogonal polynomials beyond the orthogonality. J. Comp. Appl. Math., 225(2) (2009), 440-451Comment: 3 Figures, 3 tables, in a 22 pages manuscrip

Watermarking applications of Krawtchouk-Sobolev type orthogonal moments

In this contribution, we consider the sequence {Hn(x; q)}n≥0 of monic polynomials orthogonal with respect to a Sobolev-type inner product involving forward difference operators For the first time in the literature, we apply the non-standard properties of {Hn(x; q)}n≥0 in a watermarking problem. Several differences are found in this watermarking application for the non-standard cases (when j > 0) with respect to the standard classical Krawtchouk case λ = µ = 0.Universidad de Alcal

On inversion and connection coefficients for basic hypergeometric polynomials

In this paper, we propose a general method to express explicitly the inversion and the connection coefficients between two basic hypergeometric polynomial sets. As application, we consider some $d$-orthogonal basic hypergeometric polynomials and we derive expansion formulae corresponding to all the families within the $q$-Askey scheme.Comment: 15 page

Iterated integrals of orthogonal polynomials and applications

Mención Internacional en el título de doctorLa presente tesis doctoral tiene por objeto el estudio de familias de polinomios que son soluciones del siguiente problema con valores iniciales donde tanto f como g son polinomios y L en los capítulos 2 y 3 es el operador derivada m-ésima de f. La diferencia en los dos casos anteriores es que mientras en el capítulo 2 se considera que g es un polinomio ortogonal clásico sobre la recta real, en el capítulo 3 denotamos por g al polinomio ortogonal con respecto a una cierta medida soportada sobre un arco de la circunferencia unidad y [omega]k es constante para cada k = 0 ,..., m. El capítulo 4, se dedica a las aplicaciones al procesamiento digital de imágenes, de las soluciones del problema (1) cuando f = g. Como puede apreciarse más adelante, este último caso corresponde a los conocidos polinomios de Krawtchouk. Acerca de la localización de los puntos críticos de polinomios en términos de sus ceros existe una teoría amplia (vea [72, Part I] y [81]), cuyas bases fundamentales son los teoremas de Rolle, Gauss-Lucas y sus refinamientos. Sin embargo, no existen recíprocos generales de estos resultados. Es obvio, que dado un cero de un polinomio y sus puntos críticos, los restantes ceros están unívocamente determinados. No obstante, solo existen unos pocos resultados sobre localización de ceros en función de sus puntos críticos y uno de sus ceros, la mayoría de los cuales se pueden ver en [72, x4.5]. En general, estos resultados son corolarios del Teorema de Composición de Schur-Szego (vea [72, Th.3.4.1d]. Quizás, los resultados más significativos en este sentido sean los Teoremas de Walsh [72, Th. 4.5.1] y Biernacki [72, Th. 4.5.2]. Hasta donde conocemos, sobre la localización de ceros de integrales iteradas de polinomios, normalizados con la condicin de anularse en el origen, solo existe el trabajo [16]. El mencionado artículo estudia varios casos particulares de familias de polinomios, entre ellos los polinomios de Legendre, y plantea una serie de conjeturas, algunas de las cuales se responden en los Capítulos 2 y 3 de esta memoria. El Capítulo 2 de esta memoria está dedicado a las integrales iteradas de polinomios ortogonales clásicos sobre la recta real, con énfasis en el caso Jacobi. Los trabajos [9, 10] muestran el interés de este tipo de polinomios para las aplicaciones a los métodos numéricos de elementos finitos. Es bien conocido que el polinomio mónico de Hermite Hn+m de grado (n + m) 2 Z+, donde tanto n como m son enteros no negativos. Como se mencionó anteriormente, el tercer capítulo se dedica al estudio del comportamientos asintótico los polinomios obtenidos mediante la integración iterada de los polinomios ortogonales con respecto a medias soportadas en un arco de la circunferencia unidad y el conjunto de acumulación de sus ceros. Se encuentra el comportamiento asintótico relativo entre las familias de polinomios ortogonales y sus respectivas familias de polinomios obtenidos por integración iterada. Se muestra la representación gráfica de regiones cerradas que contienen los ceros de las nuevas familias de polinomios y de curvas donde se acumulan los mismos en varios casos particulares. El tema central del Capítulo 4 es la implementación de un algoritmo eficiente para la detección de bordes de imágenes digitales basado en las propiedades de los polinomios ortogonales de Krawtchouk en dos variables. La primera parte del capítulo se dedica a estudiar las propiedades de esta familia de polinomios ortogonales en dos variables, que son de interés para el algoritmo propuesto. Las novedades de este algoritmo que fundamentan la calificación de eficiente son las siguientes: La aproximación de las diferencias parciales (derivadas parciales discretas) se realiza mediante una combinación lineal de polinomios de Krawtchouk en dos variables, los cuales son ortogonales con respecto a un producto interior discreto que involucra a la distribución binomial. En consecuencia, ya no es necesario suavizar la imagen mediante un filtro Gaussiano en dos dimensiones antes de realizar la diferenciación numérica, con el fin de regularizar la naturaleza mal condicionada de la diferenciación (ver [91]) y por lo tanto mejorar la localización de los bordes. En [11, 36] los autores describen un procedimiento para la detección de bordes utilizando los polinomios discretos de Chebyshev y un único umbral de discriminación de bordes para toda la imagen. Aquí, el algoritmo propuesto utiliza dos niveles de umbrales adaptativos, lo que reduce la presencia de falsos positivos o negativos en la selección de pixels-bordes. El operador gradiente para submatrices bloques de 5x5, en lugar del tradicional 3x3, proporciona una mejor localización de los pixels-bordes, ya que los bordes tienden a ser más gruesos cuando el tamaño del bloque incrementa [36, 69]. Para evitar el efecto de bordes gruesos y mejorar el resultado final en el algoritmo se aplican operaciones morfológicas (estrechar, erosionar y adelgazar) a la imagen de borde obtenida después del segundo paso de procesamiento del algoritmo. Para demostrar la efectividad del algoritmo propuesto se utilizaron imágenes tomadas de dos campos de aplicación muy diferentes: imágenes naturales utilizadas para la detección de objetos, vigilancia, etc; así como mapas de profundidad utilizados actualmente en aplicaciones y servicios multimedia de video 3D. Los contornos de objetos superpuestos, como la identificación de objetos de primer plano en mapas de profundidad, se obtienen con bastante buena precisión.Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería MatemáticaPresidente: Francisco José Marcellán Español.- Secretario: Ramón Ángel Orive Rodríguez.- Vocal: Wilfredo Óscar Urbina Romer

A natural derivative on [0,n] and a binomial Poincar\'e inequality

We consider probability measures supported on a finite discrete interval $[0,n]$. We introduce a new finitedifference operator $\nabla_n$, defined as a linear combination of left and right finite differences. We show that this operator $\nabla_n$ plays a key role in a new Poincar\'e (spectral gap) inequality with respect to binomial weights, with the orthogonal Krawtchouk polynomials acting as eigenfunctions of the relevant operator. We briefly discuss the relationship of this operator to the problem of optimal transport of probability measures

Josef Meixner: his life and his orthogonal polynomials

This paper starts with a biographical sketch of the life of Josef Meixner. Then his motivations to work on orthogonal polynomials and special functions are reviewed. Meixner's 1934 paper introducing the Meixner and Meixner-Pollaczek polynomials is discussed in detail. Truksa's forgotten 1931 paper, which already contains the Meixner polynomials, is mentioned. The paper ends with a survey of the reception of Meixner's 1934 paper.Comment: v4: 18 pages, generating function for Krawtchouk polynomials on p.10 correcte