Holonomic functions in computer algebra
Fonctions holonomes en calcul formel
Résumé
This thesis shows how computer algebra makes it possible to manipulate a large class of sequences and functions that are solutions of linear operators, namely that of holonomic functions. This class contains numerous special functions, in one or several variables, as well as numerous combinatorial sequences. First, a theoretical framework is introduced in order to give algorithms for the closure properties of the holonomic class, to permit a zero test in this class, and to unify differential calculations with functions and calculations of recurrences with sequences. These methods are based on calculations by an extension of the theory of Gröbner bases in a framework of non-commutative polynomials, namely Ore polynomials. Two kinds of algorithms for symbolic definite and indefinite summation and integration are then developed, whose theoretical justification appeals to the theory of holonomic D-modules. The former resort to non-commutative polynomial elimination by Gröbner bases; the latter to algorithms to solve linear functional systems for their rational function solutions. Much more than the search for closed forms, the aim is to be able to continue to compute with the implicit representation of holonomic objects even when no explicit form is available. In particular, this type of calculation makes the automatic proof of summatory and integral identities possible. An implementation of these algorithms for the computer algebra system Maple has made it possible to give the first automatic proof of identities so far unreachable by computer algebra.
Cette thèse montre comment le calcul formel permet la manipulation d'une grande classe de suites et fonctions solutions d'opérateurs linéaires, la classe des fonctions holonomes. Celle-ci contient de nombreuses fonctions spéciales, en une ou plusieurs variables, et de nom- breuses suites de la combinatoire. Un cadre théorique est tout d'abord introduit pour algorith- miser les propriétés de clôture de la classe holonome, pour y permettre un test à zéro et pour unifier les calculs différentiels sur les fonctions et les calculs de récurrences sur les suites. Ces méthodes s'appuient sur des calculs par une extension de la théorie des bases de Gröbner dans un cadre de polynômes non commutatifs, les polynômes de Ore. Deux types d'algorithmes de sommation et d'intégration symboliques définies et indéfinies sont ensuite développés, dont la justification théorique fait appel à la théorie des D-modules holonomes. Les premiers ont recours à une élimination polynomiale non commutative par bases de Gröbner ; les seconds à des algo- rithmes de résolution de systèmes fonctionnels linéaires en leurs solutions fractions rationnelles. Bien plus que la recherche de formes closes, l'objectif est de pouvoir continuer à calculer avec la représentation implicite des objets holonomes même en l'absence de formes explicites. Ce type de calculs permet en particulier la preuve automatique d'identités sommatoires et intégrales. Une implantation de ces algorithmes dans le système de calcul formel Maple a permis de donner la première preuve automatique d'identités jusqu'à présent inaccessibles par le calcul formel.
Domaines
Calcul formel [cs.SC]
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