Funcție Kelvin

În matematică, funcțiile Kelvin, notate Berν(x) și Beiν(x), sunt partea reală și respectiv partea imaginară a funcției:

J ν ( x e 3 π i / 4 ) {\displaystyle J_{\nu }(xe^{3\pi i/4})\,\!}

unde x este real, iar J ν ( z ) {\displaystyle J_{\nu }(z)\,\!} este funcția Bessel de prima speță și de ordinul ν.

Similar, funcțiile Kerν(x) și Keiν(x) sunt respectiv partea reală si partea imaginară a funcției:

K ν ( x e 3 π i / 4 ) {\displaystyle K_{\nu }(xe^{3\pi i/4})\,\!}

unde K ν ( z ) {\displaystyle K_{\nu }(z)\,} este funcția Bessel modificată de speța a II-a și de ordinul ν.

Deși funcțiile Kelvin sunt definite ca parte reală si imaginară ale funcțiilor Bessel cu x real, ele pot fi prelungite analitic pentru argumente complexe x ei φ, φ ∈ [0, 2π). Cu excepția funcțiilor Bern(x) și Bein(x) pentru n întreg, funcțiile Kelvin au un punct de ramificație în x = 0.


Ber(x)

Ber(x) pentru x {\displaystyle x} între 0 şi 10.
B e r ( x ) / e x / 2 {\displaystyle \mathrm {Ber} (x)/e^{x/{\sqrt {2}}}} pentru x {\displaystyle x} între 0 şi 100.

Pentru n întreg, Bern(x) are următoarea dezvoltare în serie:

B e r n ( x ) = ( x 2 ) n k 0 cos [ ( 3 n 4 + k 2 ) π ] k ! Γ ( n + k + 1 ) ( x 2 4 ) k {\displaystyle \mathrm {Ber} _{n}(x)=\left({\frac {x}{2}}\right)^{n}\sum _{k\geq 0}{\frac {\cos \left[\left({\frac {3n}{4}}+{\frac {k}{2}}\right)\pi \right]}{k!\Gamma (n+k+1)}}\left({\frac {x^{2}}{4}}\right)^{k}}

unde Γ ( z ) {\displaystyle \Gamma (z)} este funcția Gamma.

Cazul special Ber 0 ( x ) {\displaystyle _{0}(x)} , în mod normal notat cu Ber ( x ) {\displaystyle (x)} , are următoarea dezvoltare în serie:

B e r ( x ) = 1 + k 1 ( 1 ) k ( x / 2 ) 4 k [ ( 2 k ) ! ] 2 {\displaystyle \mathrm {Ber} (x)=1+\sum _{k\geq 1}{\frac {(-1)^{k}(x/2)^{4k}}{[(2k)!]^{2}}}}

iar dezvoltarea asimptotică este

B e r ( x ) e x 2 2 π x [ f 1 ( x ) cos α + g 1 ( x ) sin α ] K e i ( x ) π {\displaystyle \mathrm {Ber} (x)\sim {\frac {e^{\frac {x}{\sqrt {2}}}}{\sqrt {2\pi x}}}[f_{1}(x)\cos \alpha +g_{1}(x)\sin \alpha ]-{\frac {\mathrm {Kei} (x)}{\pi }}} ,

unde α = x / 2 π / 8 {\displaystyle \alpha =x/{\sqrt {2}}-\pi /8} , iar

f 1 ( x ) = 1 + k 1 cos ( k π / 4 ) k ! ( 8 x ) k l = 1 k ( 2 l 1 ) 2 {\displaystyle f_{1}(x)=1+\sum _{k\geq 1}{\frac {\cos(k\pi /4)}{k!(8x)^{k}}}\prod _{l=1}^{k}(2l-1)^{2}}
g 1 ( x ) = k 1 sin ( k π / 4 ) k ! ( 8 x ) k l = 1 k ( 2 l 1 ) 2 {\displaystyle g_{1}(x)=\sum _{k\geq 1}{\frac {\sin(k\pi /4)}{k!(8x)^{k}}}\prod _{l=1}^{k}(2l-1)^{2}}


Bei(x)

Bei(x) pentru x {\displaystyle x} între 0 şi 10.
B e i ( x ) / e x / 2 {\displaystyle \mathrm {Bei} (x)/e^{x/{\sqrt {2}}}} pentru x {\displaystyle x} între 0 şi 100.

pentru n {\displaystyle n} întreg, Bei n ( x ) {\displaystyle _{n}(x)} are următoarea dezvoltare în serie:

B e i n ( x ) = ( x 2 ) n k 0 sin [ ( 3 n 4 + k 2 ) π ] k ! Γ ( n + k + 1 ) ( x 2 4 ) k {\displaystyle \mathrm {Bei} _{n}(x)=\left({\frac {x}{2}}\right)^{n}\sum _{k\geq 0}{\frac {\sin \left[\left({\frac {3n}{4}}+{\frac {k}{2}}\right)\pi \right]}{k!\Gamma (n+k+1)}}\left({\frac {x^{2}}{4}}\right)^{k}}

unde Γ ( z ) {\displaystyle \Gamma (z)} este funcția Gamma. Cazul special Bei 0 ( x ) {\displaystyle _{0}(x)} , în mod normal notat cu Bei ( x ) {\displaystyle (x)} , are următoarea dezvoltare în serie:

B e i ( x ) = k 0 ( 1 ) k ( x / 2 ) 4 k + 2 [ ( 2 k + 1 ) ! ] 2 {\displaystyle \mathrm {Bei} (x)=\sum _{k\geq 0}{\frac {(-1)^{k}(x/2)^{4k+2}}{[(2k+1)!]^{2}}}}

iar dezvoltarea asimptotică este:

B e i ( x ) e x 2 2 π x [ f 1 ( x ) sin α + g 1 ( x ) cos α ] K e r ( x ) π {\displaystyle \mathrm {Bei} (x)\sim {\frac {e^{\frac {x}{\sqrt {2}}}}{\sqrt {2\pi x}}}[f_{1}(x)\sin \alpha +g_{1}(x)\cos \alpha ]-{\frac {\mathrm {Ker} (x)}{\pi }}} ,

unde α {\displaystyle \alpha } , f 1 ( x ) {\displaystyle f_{1}(x)} și g 1 ( x ) {\displaystyle g_{1}(x)} sunt definite ca cele pentru Ber ( x ) {\displaystyle (x)} .


Ker(x)

Pentru n întreg, Kern(x) are următoarea dezvoltare în serie:

K e r n ( x ) = 1 2 ( x 2 ) n k = 0 n 1 cos [ ( 3 n 4 + k 2 ) π ] ( n k 1 ) ! k ! ( x 2 4 ) k + 1 2 ( x 2 ) n k 0 cos [ ( 3 n 4 + k 2 ) π ] ψ ( k + 1 ) + ψ ( n + k + 1 ) k ! ( n + k ) ! ( x 2 4 ) k ln ( x 2 ) B e r n ( x ) + π 4 B e i n ( x ) {\displaystyle {\begin{aligned}\mathrm {Ker} _{n}(x)&={\frac {1}{2}}\left({\frac {x}{2}}\right)^{-n}\sum _{k=0}^{n-1}\cos \left[\left({\frac {3n}{4}}+{\frac {k}{2}}\right)\pi \right]{\frac {(n-k-1)!}{k!}}\left({\frac {x^{2}}{4}}\right)^{k}\\&+{\frac {1}{2}}\left({\frac {x}{2}}\right)^{n}\sum _{k\geq 0}\cos \left[\left({\frac {3n}{4}}+{\frac {k}{2}}\right)\pi \right]{\frac {\psi (k+1)+\psi (n+k+1)}{k!(n+k)!}}\left({\frac {x^{2}}{4}}\right)^{k}\\&-\ln \left({\frac {x}{2}}\right)\mathrm {Ber} _{n}(x)+{\frac {\pi }{4}}\mathrm {Bei} _{n}(x)\end{aligned}}}
Ker(x) pentru x {\displaystyle x} între 0 şi 10.
K e r ( x ) e x / 2 {\displaystyle \mathrm {Ker} (x)e^{x/{\sqrt {2}}}} pentru x {\displaystyle x} între 0 şi 100.

unde ψ ( z ) {\displaystyle \psi (z)} este funcția Digamma.

Cazul special Ker 0 ( x ) {\displaystyle _{0}(x)} , în mod normal notat cu Ker ( x ) {\displaystyle (x)} , are următoarea dezvoltare în serie:

K e r ( x ) = ln ( x 2 ) B e r ( x ) + π 4 B e i ( x ) + k 0 ( 1 ) k ψ ( 2 k + 1 ) [ ( 2 k ) ! ] 2 ( x 2 4 ) 2 k {\displaystyle \mathrm {Ker} (x)=-\ln \left({\frac {x}{2}}\right)\mathrm {Ber} (x)+{\frac {\pi }{4}}\mathrm {Bei} (x)+\sum _{k\geq 0}(-1)^{k}{\frac {\psi (2k+1)}{[(2k)!]^{2}}}\left({\frac {x^{2}}{4}}\right)^{2k}}

și dezvoltarea asimptotică:

K e r ( x ) π 2 x e x 2 [ f 2 ( x ) cos β + g 2 ( x ) sin β ] , {\displaystyle \mathrm {Ker} (x)\sim {\sqrt {\frac {\pi }{2x}}}e^{-{\frac {x}{\sqrt {2}}}}[f_{2}(x)\cos \beta +g_{2}(x)\sin \beta ],}

unde β = x / 2 + π / 8 {\displaystyle \beta =x/{\sqrt {2}}+\pi /8} , iar

f 2 ( x ) = 1 + k 1 ( 1 ) k cos ( k π / 4 ) k ! ( 8 x ) k l = 1 k ( 2 l 1 ) 2 {\displaystyle f_{2}(x)=1+\sum _{k\geq 1}(-1)^{k}{\frac {\cos(k\pi /4)}{k!(8x)^{k}}}\prod _{l=1}^{k}(2l-1)^{2}}
g 2 ( x ) = k 1 ( 1 ) k sin ( k π / 4 ) k ! ( 8 x ) k l = 1 k ( 2 l 1 ) 2 . {\displaystyle g_{2}(x)=\sum _{k\geq 1}(-1)^{k}{\frac {\sin(k\pi /4)}{k!(8x)^{k}}}\prod _{l=1}^{k}(2l-1)^{2}.}


Kei(x)

Pentru n întreg, Kein(x) are dezvoltarea in serie:

K e i n ( x ) = 1 2 ( x 2 ) n k = 0 n 1 sin [ ( 3 n 4 + k 2 ) π ] ( n k 1 ) ! k ! ( x 2 4 ) k + 1 2 ( x 2 ) n k 0 sin [ ( 3 n 4 + k 2 ) π ] ψ ( k + 1 ) + ψ ( n + k + 1 ) k ! ( n + k ) ! ( x 2 4 ) k ln ( x 2 ) B e i n ( x ) π 4 B e r n ( x ) {\displaystyle {\begin{aligned}\mathrm {Kei} _{n}(x)&={\frac {1}{2}}\left({\frac {x}{2}}\right)^{-n}\sum _{k=0}^{n-1}\sin \left[\left({\frac {3n}{4}}+{\frac {k}{2}}\right)\pi \right]{\frac {(n-k-1)!}{k!}}\left({\frac {x^{2}}{4}}\right)^{k}\\&+{\frac {1}{2}}\left({\frac {x}{2}}\right)^{n}\sum _{k\geq 0}\sin \left[\left({\frac {3n}{4}}+{\frac {k}{2}}\right)\pi \right]{\frac {\psi (k+1)+\psi (n+k+1)}{k!(n+k)!}}\left({\frac {x^{2}}{4}}\right)^{k}\\&-\ln \left({\frac {x}{2}}\right)\mathrm {Bei} _{n}(x)-{\frac {\pi }{4}}\mathrm {Ber} _{n}(x)\end{aligned}}}
Kei(x) pentru x {\displaystyle x} între 0 şi 10.
K e i ( x ) e x / 2 {\displaystyle \mathrm {Kei} (x)e^{x/{\sqrt {2}}}} pentru x {\displaystyle x} între 0 şi 100.

unde ψ ( z ) {\displaystyle \psi (z)} este funcția Digamma.

Cazul special Kei 0 ( x ) {\displaystyle _{0}(x)} , în mod uzual notat cu Kei ( x ) {\displaystyle (x)} , are următoarea dezvoltare în serie:

K e i ( x ) = ln ( x 2 ) B e i ( x ) π 4 B e r ( x ) + k 0 ( 1 ) k ψ ( 2 k + 2 ) [ ( 2 k + 1 ) ! ] 2 ( x 2 4 ) 2 k + 1 {\displaystyle \mathrm {Kei} (x)=-\ln \left({\frac {x}{2}}\right)\mathrm {Bei} (x)-{\frac {\pi }{4}}\mathrm {Ber} (x)+\sum _{k\geq 0}(-1)^{k}{\frac {\psi (2k+2)}{[(2k+1)!]^{2}}}\left({\frac {x^{2}}{4}}\right)^{2k+1}}

și dezvoltarea asimptotică:

K e i ( x ) π 2 x e x 2 [ f 2 ( x ) sin β + g 2 ( x ) cos β ] , {\displaystyle \mathrm {Kei} (x)\sim -{\sqrt {\frac {\pi }{2x}}}e^{-{\frac {x}{\sqrt {2}}}}[f_{2}(x)\sin \beta +g_{2}(x)\cos \beta ],}

unde β {\displaystyle \beta } , f 2 ( x ) {\displaystyle f_{2}(x)} și g 2 ( x ) {\displaystyle g_{2}(x)} sunt cele definite pentru Ker ( x ) {\displaystyle (x)} .


Vezi și


Referențe

  • Abramowitz and Stegun, Handbook of Mathematical Functions With Formulas, Graphs, and Mathematical Tables, Capitolul 9.9.


Legături externe

  • Weisstein, Eric W. "Kelvin Functions." From MathWorld—A Wolfram Web Resource. [1]
  • GPL-licensed C/C++ source code for calculating Kelvin functions at codecogs.com: [2] Arhivat în , la Wayback Machine.