Эллиптический интеграл (|llnhmncyvtnw numyijgl)

Перейти к навигации Перейти к поиску

Эллипти́ческий интегра́л — некоторая функция над полем действительных или комплексных чисел, которая может быть формально представлена в следующем виде:

,

где  — рациональная функция двух аргументов,  — квадратный корень из многочлена 3-й или 4-й степени, не имеющего кратных корней,  — некоторая константа из поля, где определена функция.

В общем случае эллиптический интеграл не может быть формально выражен в элементарных функциях. Исключением являются случаи, когда имеет кратные корни или когда многочлены в не содержат нечётных степеней .

Однако для каждого эллиптического интеграла существуют формулы приведения его к сумме элементарных функций и от одного до трёх нормальных эллиптических интегралов, называемых эллиптическими интегралами 1-го, 2-го и 3-го рода).

В интегральном исчислении эллиптический интеграл появился в связи с задачей вычисления длины дуги эллипса и был впервые исследован Джулио Фаньяно, а позднее — Леонардом Эйлером.

Обозначения

[править | править код]

Эллиптические интегралы часто представляют в виде функции ряда различных аргументов. Эти различные аргументы полностью эквивалентны (они дают одни и те же интегралы), но может возникнуть путаница, связанная с их различным происхождением. В большинстве работ авторы придерживаются канонического наименования. Прежде чем определить сами интегралы, необходимо ввести наименования для аргументов:

  •  — модулярный угол (иногда модулярный угол обозначается лигатурой );
  •  — модуль эллиптического интеграла;
  •  — параметр.

Следует отметить, что нормальные эллиптические интегралы Лежандра, как полные, так и неполные, являются чётными функциями модуля (и модулярного угла ). Их область определения

Иногда, преимущественно в советской научной литературе, под параметром эллиптического интеграла подразумевают характеристику нормального эллиптического интеграла Лежандра 3-го рода (напр., Корн Г., Корн Т. «Справочник по математике для научных работников и инженеров»).

Заметим, что представленные выше величины определяются одна через другую; определение одной из них задаёт и две остальные.

Эллиптический интеграл зависит также и от другого параметра, который, как и предыдущий, можно ввести несколькими способами:

  • где  — эллиптическая функция Якоби;
  •  — амплитуда;

Определение одного из этих параметров определяет остальные. Таким образом, они могут использоваться вперемешку. Заметим, что зависит также и от . Несколько дополнительных уравнений связывают с другими параметрами:

и

Последнее иногда называется дельта амплитуда и записывается как

Иногда в литературе ссылаются на дополнительный параметр, дополнительный модуль или дополнительный модулярный угол. Их вводят следующим способом:

  •  — дополнительный параметр;
  •  — дополнительный модуль;
  •  — дополнительный модулярный угол.

Нормальный эллиптический интеграл 1-го рода (неполный)

[править | править код]

Нормальный эллиптический интеграл Лежандра 1-го рода определяется как

,

или, в форме Якоби,

.

Обозначения эллиптических интегралов не являются универсально общепринятыми. Следует различать такие разделители между переменной и параметром, как «\», «|» и «,». Там, где в качестве разделителя используется вертикальная черта, за ней ставится параметр интеграла, тогда как за обратной косой чертой ставится модулярный угол. В частности, верно соотношение

.

Частные случаи

[править | править код]
;
;
;
;


Нормальный эллиптический интеграл 2-го рода (неполный)

[править | править код]

Нормальный эллиптический интеграл Лежандра 2-го рода E определяется как

или, используя подстановку

Частные случаи

[править | править код]
;
;
;
.


Нормальный эллиптический интеграл 3-го рода (неполный)

[править | править код]

Нормальный эллиптический интеграл Лежандра 3-го рода определяется как

или

Число называется характеристикой и может принимать любое значение, независимо от остальных аргументов. Свойства эллиптического интеграла 3-го рода существенно зависят от величины характеристики. Заметим, что значение интеграла стремится к бесконечности для любых .

Гиперболический случай

[править | править код]

Введём дополнительные обозначения:

;
;
;
;
;
полный нормальный эллиптический интеграл Лежандра 1-го рода.

Тогда можно записать интеграл через тета-функции Якоби:

где

и

С помощью подстановки этот случай сводится к предыдущему, так как

Введём дополнительно величину

Тогда:

Круговой случай

[править | править код]

Введем дополнительные обозначения:

Тогда эллиптический интеграл равен:

где

и

С помощью подстановки этот случай сводится к предыдущему, так как

Введем дополнительно величину

Тогда:

Полный нормальный эллиптический интеграл Лежандра 1-го рода

[править | править код]

В случае, если амплитуда нормального эллиптического интеграла Лежандра 1-го рода равна , он называется полным нормальным эллиптическим интегралом Лежандра 1-го рода:

или

Полный эллиптический интеграл 1-го рода можно представить в виде степенного ряда:

что эквивалентно выражению

где обозначает двойной факториал.

Полный эллиптический интеграл 1-го рода можно записать через гипергеометрическую функцию следующим образом:

Частные случаи

[править | править код]

Производная полного эллиптического интеграла 1-го рода

[править | править код]

где — полный нормальный эллиптический интеграл Лежандра 2-го рода, определённый в следующем разделе.

Дифференциальное уравнение

[править | править код]

Полный эллиптический интеграл 1-го рода является решением дифференциального уравнения

Вторым решением этого уравнения является

Полный нормальный эллиптический интеграл Лежандра 2-го рода

[править | править код]

В случае, если амплитуда нормального эллиптического интеграла Лежандра 2-го рода равна , он называется полным нормальным эллиптическим интегралом Лежандра 2-го рода:

или

Полный эллиптический интеграл 2-го рода можно представить в виде степенного ряда:

что эквивалентно выражению

Полный эллиптический интеграл 2-го рода можно записать через гипергеометрическую функцию следующим образом:

Частные случаи

[править | править код]

Производная полного эллиптического интеграла 2-го рода

[править | править код]

Дифференциальное уравнение

[править | править код]

Полный эллиптический интеграл 2-го рода является решением дифференциального уравнения

Вторым решением этого уравнения является функция

Полный нормальный эллиптический интеграл Лежандра 3-го рода

[править | править код]

Аналогично полным эллиптическим интегралам 1-го и 2-го рода можно ввести полный эллиптический интеграл 3-го рода:

или

Гиперболический случай

[править | править код]
,

где  — дзета-функция Якоби.

Круговой случай

[править | править код]

где  — лямбда-функция Хеймана.

Частные производные

[править | править код]

Дополнительные эллиптические интегралы (неполные)

[править | править код]

Дзета-функция Якоби

[править | править код]

Лямбда-функция Хеймана

[править | править код]

или

Литература

[править | править код]
  • Бобылёв Д. К. Эллиптические интегралы и функции // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
  • Милн-Томсон Л. Эллиптические интегралы // Справочник по специальным функциям с формулами, графиками и таблицами / Под ред. М. Абрамовица и И. Стиган; пер. с англ. под ред. В. А. Диткина и Л. Н. Карамзиной. — М.: Наука, 1979. — С. 401—441. — 832 с. — 50 000 экз.
  • Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. — М.: Наука, 1977.
  • Бейтмен Г. Эрдейи А. Высшие трансцендентные функции. — Т. 3 (гл. 13).
  • Ахиезер Н. И. Элементы теории эллиптических функций. (гл. 3, 7).
  • Эллиптические функции (недоступная ссылка), Процедуры для Matlab.