Функция Эйри
В физических науках функция Эйри (или функция Эйри первого рода ) Ai( x ) — специальная функция, названная в честь британского астронома Джорджа Бидделла Эйри (1801–1892). Функция Ai( x ) и связанная с ней функция Bi( x ) являются линейно независимыми решениями дифференциального уравнения известное как уравнение Эйри или уравнение Стокса .
Поскольку решение линейного дифференциального уравнения является колебательным при k <0 и экспоненциальным при k >0 , функции Эйри являются колебательными при x <0 и экспоненциальными при x >0 . По сути, уравнение Эйри — это простейшее линейное дифференциальное уравнение второго порядка с точкой поворота (точкой, в которой характер решения меняется от колебательного к экспоненциальному).
Определения
[ редактировать ]Для действительных значений x функция Эйри первого рода может быть определена несобственным интегралом Римана : которая сходится по критерию Дирихле . Для любого действительного числа x существует положительное действительное число M такое, что функция является возрастающей, неограниченной и выпуклой с непрерывной и неограниченной производной на интервале Сходимость интеграла на этом интервале можно доказать тестом Дирихле после замены
y = Ai( x ) удовлетворяет уравнению Эйри Это уравнение имеет два линейно независимых решения.С точностью до скалярного умножения Ai( x ) является решением, подчиняющимся условию y → 0 при x → ∞ .Стандартным выбором для другого решения является функция Эйри второго рода, обозначаемая Bi( x ). Оно определяется как решение с той же амплитудой колебаний, что и Ai( x ) при x → −∞, которое отличается по фазе на π /2 :
Характеристики
[ редактировать ]Значения Ai( x ) и Bi( x ) и их производные при x = 0 определяются выражением Здесь Γ обозначает гамма-функцию . Отсюда следует, что вронскиан Ai ( x ) и Bi( x ) равен 1/ π .
Когда x положительное значение, Ai( x ) является положительным, выпуклым и экспоненциально убывает до нуля, а Bi( x ) является положительным, выпуклым и экспоненциально возрастает. Когда x отрицательное значение, Ai( x ) и Bi( x ) колеблются около нуля с постоянно возрастающей частотой и постоянно уменьшающейся амплитудой. Это подтверждается приведенными ниже асимптотическими формулами для функций Эйри.
Функции Эйри ортогональны [1] в том смысле, что снова используя несобственный интеграл Римана.
- Действительные нули Ai( x ) и ее производной Ai'( x )
Ни Ai( x ) , ни его производная Ai'( x ) не имеют положительных действительных нулей. «Первые» действительные нули (т.е. ближайшие к x=0): [2]
- «Первые» нули Ai( x ) находятся в точках x ≈ -2,33811, -4,08795, -5,52056, -6,78671, ...
- «первые» нули его производной Ai'( x ) находятся в точках x ≈ -1,01879, -3,24820, -4,82010, -6,16331, ...
Асимптотические формулы
[ редактировать ]Как поясняется ниже, функции Эйри можно расширить на комплексную плоскость, получив целые функции . Асимптотическое поведение функций Эйри при | г | стремится к бесконечности при постоянном значении arg ( z ) зависит от arg( z ) : это называется феноменом Стокса . Для | арг( z ) | < π мы имеем следующую асимптотическую формулу для Ai( z ) : [3]
или где В частности, первые несколько членов [4] Аналогичный вариант существует для Bi( z ) , но применим только при | арг( z ) | < π /3 :
Более точная формула для Ai( z ) и формула для Bi( z ), когда π /3 < | арг( z ) | < π или, что то же самое, для Ai(− z ) и Bi(− z ), когда | арг( z ) | < 2 π /3 , но не ноль, являются: [3] [5]
Когда | арг( z ) | = 0 это хорошие приближения, но они не являются асимптотическими, поскольку отношение между Ai(− z ) или Bi(− z ) и приведенным выше приближением стремится к бесконечности всякий раз, когда синус или косинус стремится к нулю. асимптотические разложения Также доступны для этих пределов. Они перечислены в (Abramowitz and Stegun, 1983) и (Olver, 1974).
Также можно получить асимптотические выражения для производных Ai'(z) и Bi'(z) . Как и раньше, когда | арг( z ) | < π : [5]
Когда | арг( z ) | < π /3 имеем: [5]
Аналогично, выражение для Ai'(− z ) и Bi'(− z ), когда | арг( z ) | < 2 π /3, но не ноль, [5]
Сложные аргументы
[ редактировать ]Мы можем распространить определение функции Эйри на комплексную плоскость следующим образом: где интеграл проводится по пути C, начинающемуся в бесконечной точке с аргументом − π /3 и заканчивающемуся в бесконечной точке с аргументом π/3. В качестве альтернативы мы можем использовать дифференциальное уравнение y " − xy = 0, чтобы расширить Ai( x ) и Bi( x ) до целых функций на комплексной плоскости.
Асимптотическая формула для Ai( x ) по-прежнему справедлива в комплексной плоскости, если главное значение x 2/3 берется и x отделен от отрицательной вещественной оси. Формула для Bi( x ) действительна при условии, что x находится в секторе для некоторого положительного δ. Наконец, формулы для Ai(− x ) и Bi(− x ) справедливы, если x находится в секторе
Из асимптотического поведения функций Эйри следует, что как Ai( x ) , так и Bi( x ) имеют бесконечность нулей на отрицательной вещественной оси. Функция Ai( x ) не имеет других нулей в комплексной плоскости, а функция Bi( x ) также имеет бесконечное число нулей в секторе
Участки
[ редактировать ]Связь с другими специальными функциями
[ редактировать ]Для положительных аргументов функции Эйри связаны с модифицированными функциями Бесселя : Здесь I ±1/3 и K 1/3 — решения уравнения
Первая производная функции Эйри равна
Функции K 1/3 и K 2/3 можно представить в виде быстро сходящихся интегралов [6] (см. также модифицированные функции Бесселя )
Для отрицательных аргументов функция Эйри связана с функциями Бесселя : Здесь J ±1/3 — решения уравнения
Hi Функции счетчика ( x ) и -Gi( x ) решают уравнение y " − xy = 1/π . Их также можно выразить через функции Эйри:
Преобразование Фурье
[ редактировать ]Используя определение функции Эйри Ai( x ), легко показать, что ее преобразование Фурье имеет вид Это можно получить, приняв преобразование Фурье уравнения Эйри. Позволять , затем , которое тогда имеет решения Существует только одно измерение решений, поскольку преобразование Фурье требует, чтобы y достаточно быстро убывало до нуля, а Bi растет до бесконечности экспоненциально быстро, поэтому его нельзя получить с помощью преобразования Фурье.
Приложения
[ редактировать ]Квантовая механика
[ редактировать ]Функция Эйри является решением независимого от времени уравнения Шредингера для частицы, заключенной в треугольной потенциальной яме , и для частицы в одномерном постоянном силовом поле. По той же причине он также служит для обеспечения однородных квазиклассических приближений вблизи точки поворота в приближении ВКБ , когда потенциал может быть локально аппроксимирован линейной функцией положения. Решение треугольной потенциальной ямы имеет непосредственное отношение к пониманию электронов, захваченных в полупроводниковых гетеропереходах .
Оптика
[ редактировать ]Трансверсально-асимметричный оптический луч, в котором профиль электрического поля задается функцией Эйри, обладает интересным свойством: его максимальная интенсивность ускоряется в одну сторону, а не распространяется по прямой линии, как в случае симметричных пучков. Это происходит за счет того, что хвост низкой интенсивности распространяется в противоположном направлении, поэтому общий импульс луча, конечно, сохраняется.
Каустика
[ редактировать ]Функция Эйри лежит в основе формы интенсивности вблизи оптической направленной каустики , такой как радуга ( называемая нештатной радугой). Исторически сложилось так, что именно эта математическая проблема привела Эйри к разработке этой специальной функции. В 1841 году Уильям Хэллоуз Миллер экспериментально измерил аналог нештатной радуги, пропуская свет через тонкий цилиндр с водой, а затем наблюдая в телескоп. Он наблюдал до 30 полос. [7]
Вероятность
[ редактировать ]В середине 1980-х годов было обнаружено, что функция Эйри тесно связана с распределением Чернова . [8]
Функция Эйри также появляется в определении распределения Трейси – Уидома , которое описывает закон наибольших собственных значений в случайной матрице . Из-за тесной связи теории случайных матриц с уравнением Кардара-Паризи-Чжана в КПЗ построены центральные процессы, такие как процесс Эйри . [9]
История
[ редактировать ]Функция Эйри названа в честь британского астронома и физика Джорджа Бидделла Эйри (1801–1892), который столкнулся с ней в своих ранних исследованиях оптики в физике (Эйри, 1838). Обозначение Ai( x ) было введено Гарольдом Джеффрисом . Эйри стал королевским британским астрономом в 1835 году и занимал этот пост до выхода на пенсию в 1881 году.
См. также
[ редактировать ]Примечания
[ редактировать ]- ^ Дэвид Э. Аспнес, Physical Review, 147 , 554 (1966)
- ^ «Эйри и родственные функции» . dlmf.nist.gov . Проверено 9 октября 2022 г.
- ^ Перейти обратно: а б Абрамовиц и Стегун (1983 , стр. 448), уравнения 10.4.59, 10.4.61.
- ^ «DLMF: §9.7 Асимптотические разложения ‣ Функции Эйри ‣ Глава 9 Эйри и родственные функции» . dlmf.nist.gov . Проверено 11 мая 2023 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д Абрамовиц и Стегун (1983 , стр. 448), уравнения 10.4.60 и 10.4.64.
- ^ М.Х.Хоконов. Каскадные процессы потери энергии при испускании жестких фотонов // ЖЭТФ, т.99, №4, с.690-707\ (2004).
- ^ Миллер, Уильям Хэллоуз. «О ложных радугах». Труды Кембриджского философского общества 7 (1848): 277.
- ^ Грюнбум, Пит; Лалли, Стивен; Темме, Нико (2015). «Распределение Чернова и дифференциальные уравнения параболического типа и типа Эйри» . Журнал математического анализа и приложений . 423 (2): 1804–1824. arXiv : 1305.6053 . дои : 10.1016/j.jmaa.2014.10.051 . S2CID 119173815 .
- ^ Квастель, Джереми; Ременик, Дэниел (2014). «Эрийские процессы и вариационные задачи» . Темы перколятивных и неупорядоченных систем . Спрингерские труды по математике и статистике. Том. 69. стр. 121–171. arXiv : 1301.0750 . дои : 10.1007/978-1-4939-0339-9_5 . ISBN 978-1-4939-0338-2 . S2CID 118241762 .
Ссылки
[ редактировать ]- Абрамовиц, Милтон ; Стегун, Ирен Энн , ред. (1983) [июнь 1964 г.]. «Глава 10» . Справочник по математическим функциям с формулами, графиками и математическими таблицами . Серия «Прикладная математика». Том. 55 (Девятое переиздание с дополнительными исправлениями десятого оригинального издания с исправлениями (декабрь 1972 г.); первое изд.). Вашингтон, округ Колумбия; Нью-Йорк: Министерство торговли США, Национальное бюро стандартов; Дуврские публикации. п. 448. ИСБН 978-0-486-61272-0 . LCCN 64-60036 . МР 0167642 . LCCN 65-12253 .
- Эйри (1838), «Об интенсивности света вблизи каустики» , Труды Кембриджского философского общества , 6 , University Press: 379–402, Бибкод : 1838TCaPS...6..379A
- Фрэнк Уильям Джон Олвер (1974). Асимптотика и специальные функции, глава 11. Academic Press, Нью-Йорк.
- Пресс, WH; Теукольский, С.А.; Феттерлинг, WT; Фланнери, Б.П. (2007), «Раздел 6.6.3. Функции Эйри» , Численные рецепты: искусство научных вычислений (3-е изд.), Нью-Йорк: Cambridge University Press, ISBN 978-0-521-88068-8 , заархивировано из оригинала 11 августа 2011 г. , получено 9 августа 2011 г.
- Валле, Оливье; Соарес, Мануэль (2004), Функции Эйри и приложения к физике , Лондон: Imperial College Press, ISBN 978-1-86094-478-9 , MR 2114198 , заархивировано из оригинала 13 января 2010 г. , получено 14 мая 2010 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- «Функции Эйри» , Математическая энциклопедия , EMS Press , 2001 [1994]
- Вайсштейн, Эрик В. «Функции Эйри» . Математический мир .
- Страницы функций Wolfram для Ai и Bi функций . Включает формулы, средство оценки функций и калькулятор для построения графиков.
- Олвер, FWJ (2010), «Эйри и родственные функции» , в Олвере, Фрэнке WJ ; Лозье, Дэниел М.; Буасверт, Рональд Ф.; Кларк, Чарльз В. (ред.), Справочник NIST по математическим функциям , издательство Кембриджского университета, ISBN 978-0-521-19225-5 , МР 2723248 .