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橢圓積分
來源:互聯網

在積分學中,橢圓積分最初出現于橢圓的弧長有關的問題中。Guilio Fagnano和長城歐拉是最早的研究者。現代數學將橢圓積分定義為:可以表達為如下形式的任何函數f的積分其中R是其兩個參數的有理函數,P是一個無重根的3或4階多項式的平方根,而c是一個常數。通常,橢圓積分不能用基本函數表達。這個一般規則的例外出現在P有重根的時候,或者是R(x,y)沒有y的奇數冪時。但是,通過適當的簡化公式,每個橢圓積分可以變為只涉及有理函數和三個經典形式的積分。(也即,第一,第二,和第三類的橢圓積分)。

不完全類

第一類

第一類不完全橢圓積分F定義為

與此等價,用卡爾·雅可比的形式,可以設;則

其中,假定任何有豎直條出現的地方,緊跟豎直條的變量是(如上定義的)參數;而且,當反斜杠出現的時候,跟著出現的是模角。在這個意義下,,這里的記法來自標準參考書Abramowitz and Stegun。使用限界符;| \是橢圓積分中的傳統做法。

但是,還有許多不同的常規用于橢圓積分的記法。取值為橢圓積分的函數沒有(象平方根,正弦誤差函數那樣的)標準和唯一的名字。甚至關于該領域的文獻也常常采用不同的記法。Gradstein, Ryzhik, Eq.(8.111)]采用。該記法和這里的;以及下面的等價。

和上面的不同對應的是,如果從Mathematica語言翻譯代碼到maple語言,必須將EllipticK函數的參數用它的平方根代替。反過來,如果從Maple翻到Mathematica,則參數應該用它的平方代替。Maple中的EllipticK(x)幾乎和Mathematica中的EllipticK[]相等;至少當時是相等的。

注意

其中u如上文所定義:由此可見,雅可比橢圓函數是橢圓積分的逆。

加法公式

此公式成立是有條件的。參見《第一、二類橢圓積分加法公式的成立條件》

性質

第二類

第二類不完全橢圓積分E是

與此等價,采用另外一個記法(作變量替換

),

其它關系包括

第三類

第三類不完全橢圓積分是

或者

或者

數字n稱為特征數,可以取任意值,和其它參數獨立。但是要注意對于任意是無窮的。

完全類

第一類

如果幅度為pi/2或者x=1,則稱橢圓積分為完全的。第一類完全橢圓積分K可以定位為

或者

它是第一類不完全橢圓積分的特例:

這個特例可以表達為冪級數

它等價于

其中n!!表示雙階乘。采用高斯的超幾何函數,第一類完全橢圓積分可以表達為

第一類完全橢圓積分有時稱為四分周期。它可以采用算術幾何平均值計算。

特殊值

第一類完全橢圓積分的導數}-

第二類

第二類完全橢圓積分E可以定義為

或者

它是第二類不完全橢圓積分的特殊情況:

它可以用冪級數表達

也就是

用高斯超幾何函數表示的話,第二類完全橢圓積分可以寫作

特殊值

第二類完全橢圓積分的導數

第三類

第三輪完全橢圓積分II可以定義為

注意有時第三類橢圓積分被定義為帶相反符號的n,也即

第三類完全橢圓積分和第一類橢圓積分之間的關系

第三類完全橢圓積分的導數

特殊值

參考資料 >

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