Jump to content

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).

График функции Эйри Ai(z) в комплексной плоскости от -2 - 2i до 2 + 2i с цветами, созданными с помощью функции Mathematica 13.1 ComplexPlot3D
График функции Эйри Ai( z ) в комплексной плоскости от -2 - 2 i до 2 + 2 i с цветами, созданными с помощью функции Mathematica 13.1 ComplexPlot3D
График производной функции Эйри Ai'(z) в комплексной плоскости от -2 - 2i до 2 + 2i с цветами, созданными с помощью функции Mathematica 13.1 ComplexPlot3D
График производной функции Эйри Ai'( z ) в комплексной плоскости от -2 - 2 i до 2 + 2 i с цветами, созданными с помощью функции Mathematica 13.1 ComplexPlot3D

Определения

[ редактировать ]
График Ai( x ) красным цветом и Bi( x ) синим цветом

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 :

График функции Эйри Bi(z) в комплексной плоскости от -2-2i до 2+2i с цветами, созданными с помощью функции Mathematica 13.1 ComplexPlot3D
График функции Эйри Bi( z ) в комплексной плоскости от -2 - 2 i до 2 + 2 i с цветами, созданными с помощью функции Mathematica 13.1 ComplexPlot3D

График производной функции Эйри Bi'(z) в комплексной плоскости от -2-2i до 2+2i с цветами, созданными с помощью функции Mathematica 13.1 ComplexPlot3D
График производной функции Эйри Bi'( z ) в комплексной плоскости от -2 - 2 i до 2 + 2 i с цветами, созданными с помощью функции Mathematica 13.1 ComplexPlot3D

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 ]
Ai (синий) и синусоидальная/экспоненциальная асимптотическая форма Ai (пурпурный)
Bi (синий) и синусоидальная/экспоненциальная асимптотика Bi (пурпурный)

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

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 .

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]

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 ]
  1. ^ Дэвид Э. Аспнес, Physical Review, 147 , 554 (1966)
  2. ^ «Эйри и родственные функции» . dlmf.nist.gov . Проверено 9 октября 2022 г.
  3. ^ Перейти обратно: а б Абрамовиц и Стегун (1983 , стр. 448), уравнения 10.4.59, 10.4.61.
  4. ^ «DLMF: §9.7 Асимптотические разложения ‣ Функции Эйри ‣ Глава 9 Эйри и родственные функции» . dlmf.nist.gov . Проверено 11 мая 2023 г.
  5. ^ Перейти обратно: а б с д Абрамовиц и Стегун (1983 , стр. 448), уравнения 10.4.60 и 10.4.64.
  6. ^ М.Х.Хоконов. Каскадные процессы потери энергии при испускании жестких фотонов // ЖЭТФ, т.99, №4, с.690-707\ (2004).
  7. ^ Миллер, Уильям Хэллоуз. «О ложных радугах». Труды Кембриджского философского общества 7 (1848): 277.
  8. ^ 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 .
  9. ^ 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 .
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 2bec9fa2b029d007c90b7d5fa8a1b51d__1722770760
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/2b/1d/2bec9fa2b029d007c90b7d5fa8a1b51d.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Airy function - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)