艾里函数
艾里函数(Ai(x)),英国英格蘭天文学家、數學家喬治·比德爾·艾里命名的特殊函数,他在1838年研究光学的时候遇到了这个函数。Ai(x)的记法是Harold Jeffreys引进的。Ai(x)与相关函数Bi(x)(也称为艾里函数),是以下微分方程的解:
这个方程称为艾里方程或斯托克斯方程。这是最简单的二阶线性微分方程,它有一个转折点,在这一点函数由周期性的振动转变为指数增长(或衰减)。
定义
对于实数x,艾里函数由以下的积分定义:
虽然这个函数不是绝对可积的(当t趋于+∞时积分表达式不趋于零),这个广义积分还是收敛的,因为它快速振动的正数和负数部分倾向于互相抵消(这可以用分部积分法来检验)。
把: 求导,我们可以发现它满足以下的微分方程:
这个方程有两个线性独立的解。除了: 以外,另外一个解称为第二艾里函数,记为 。它定义为当x趋于−∞时,振幅与 相等,但相位与 相差 的函数:
性质
- 时, 和 以及它们的导数的值为:
在这里, 表示伽玛函数。可以推出Ai(x)和Bi(x)的朗斯基行列式是 。
当x是正数时,Ai(x)是正的凸函数,指数衰减为零,Bi(x)也是正的凸函数,但呈指数增长。当x是负数时,Ai(x)和Bi(x)在零附近振动,其频率逐渐上升,振幅逐渐下降。这可以由以下艾里函数的渐近公式推出。
渐近公式
当x趋于+∞时,艾里函数的渐近表现为:
而对于负数方向的极限,则有:
自变量是复数时的情形
我们可以把艾里函数的定义扩展到整个复平面:
其中积分路径 从辐角为-(1/3)π的无穷远处的点开始,在辐角为(1/3)π的无穷远处的点结束。此外,我们也可以用微分方程 来把Ai(x)和Bi(x)延拓为复平面上的整函数。
以上Ai(x)的渐近公式在复平面上也是正确的,如果取主值为x2/3,且x不在负的实数轴上。Bi(x)的公式也是正确的,只要x位于扇形{x∈C : |arg x| < (1/3)π−δ}内,对于某个正数δ。最后,Ai(−x)和Bi(−x)是正确的,如果x位于扇形{x∈C : |arg x| < (2/3)π−δ}内。
从艾里函数的渐近表现可以推出,Ai(x)和Bi(x)在负的实数轴上都有无穷多个零点。Ai(x)在复平面内没有其它零点,而Bi(x)在扇形{z∈C : (1/3)π < |arg z| < (1/2)π}内还有无穷多个零点。
图像
与其它特殊函数的关系
当自变量是正数时,艾里函数与变形贝塞尔函数之间有以下的关系:
在这里,I±1/3和K1/3是方程 的解。
当自变量是负数时,艾里函数与贝塞尔函数之间有以下的关系:
在这里,J±1/3是方程 的解。
Scorer函数是 的解,它也可以用艾里函数来表示:
或是利用超几何函数,
参考文献
- ^ 参看Abramowitz and Stegun, 1954 和 Olver, 1974。
- Milton Abramowitz and Irene A. Stegun (1954). Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs, and Mathematical Tables, (See §10.4) (页面存档备份,存于互联网档案馆). National Bureau of Standards.
- Airy (1838). On the intensity of light in the neighbourhood of a caustic. Transactions of the Cambridge Philosophical Society, 6, 379–402.
- Olver (1974). Asymptotics and Special Functions, Chapter 11. Academic Press, New York.
- Harold Richard Suiter. Star Testing Astronomical Telescopes: A Manual for Optical Evaluation and Adjustment. Richmond, VA: Willmann-Bell. 1994. ISBN 978-0-943396-44-6.(含有许多图像 (页面存档备份,存于互联网档案馆))