В физических науках функция Эйри (или функция Эйри первого рода ) Ai( x ) — это 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,
известного 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. Фактически, уравнение Эйри является простейшим линейным дифференциальным уравнением второго порядка с точкой поворота (точкой, в которой характер решений меняется с колебательного на экспоненциальный).
Определения
Для действительных значений x функция Эйри первого рода может быть определена несобственным интегралом Римана :
который сходится по тесту Дирихле . Для любого действительного числа x существует положительное действительное число M такое, что функция возрастает, неограниченна и выпукла с непрерывной и неограниченной производной на интервале Сходимость интеграла на этом интервале может быть доказана по тесту Дирихле после подстановки
y = Ai( x ) удовлетворяет уравнению Эйри
Это уравнение имеет два линейно независимых решения. С точностью до скалярного умножения Ai( x ) является решением, подчиненным условию y → 0 при x → ∞ . Стандартный выбор для другого решения — функция Эйри второго рода, обозначаемая Bi( x ). Она определяется как решение с той же амплитудой колебания, что и Ai( x ) при x → −∞ , которая отличается по фазе на π /2 :
Характеристики
Значения Ai( x ) и Bi( x ) и их производные при x = 0 определяются как
Здесь Γ обозначает гамма-функцию . Отсюда следует, что вронскиан Ai ( x ) и Bi( x ) равен 1/ π .
Когда x положительный, Ai( x ) положительный, выпуклый и убывающий экспоненциально к нулю, в то время как Bi( x ) положительный, выпуклый и увеличивающийся экспоненциально. Когда x отрицательный, Ai( x ) и Bi( x ) колеблются вокруг нуля с постоянно увеличивающейся частотой и постоянно уменьшающейся амплитудой. Это подтверждается асимптотическими формулами ниже для функций Эйри.
Функции Эйри ортогональны [1] в том смысле, что
снова используется несобственный интеграл Римана.
Действительные нули Ai( x ) и ее производной Ai'( x )
Ни Ai( x ) , ни ее производная Ai'( x ) не имеют положительных действительных нулей. "Первые" действительные нули (т.е. ближайшие к x=0) это: [2]
«Первые» нули Ai( x ) находятся при x ≈ −2,33811, −4,08795, −5,52056, −6,78671, ...
«первые» нули ее производной Ai'( x ) находятся при x ≈ −1,01879, −3,24820, −4,82010, −6,16331, ...
Асимптотические формулы
Как объясняется ниже, функции Эйри можно расширить на комплексную плоскость, что даст целые функции . Асимптотическое поведение функций Эйри при | z |, стремящемся к бесконечности при постоянном значении arg ( z ), зависит от arg( z ) : это называется явлением Стокса . Для | arg( z ) | < π мы имеем следующую асимптотическую формулу для Ai( z ) : [3]
или
где В частности, первые несколько членов равны [4]
Аналогичное уравнение существует для Bi( z ) , но оно применимо только при | arg( z ) | < π /3 :
Более точная формула для Ai( z ) и формула для Bi( z ) при π /3 < | arg( z ) | < π или, что эквивалентно, для Ai(− z ) и Bi(− z ) при | arg( z ) | < 2 π /3, но не равно нулю, следующие: [3] [5]
Когда | arg( z ) | = 0, это хорошие приближения, но не асимптотические, поскольку отношение между Ai(− z ) или Bi(− z ) и приведенным выше приближением стремится к бесконечности, когда синус или косинус стремится к нулю. Асимптотические разложения для этих пределов также доступны. Они перечислены в (Abramowitz and Stegun, 1983) и (Olver, 1974).
Также можно получить асимптотические выражения для производных Ai'(z) и Bi'(z) . Аналогично предыдущему, когда | arg( z ) | < π : [5]
Когда | arg( z ) | < π /3 имеем: [5]
Аналогично, выражение для Ai'(− z ) и Bi'(− z ) при | arg( z ) | < 2 π /3 , но не равно нулю, равно [5]
Сложные аргументы
Мы можем расширить определение функции Эйри на комплексную плоскость, где
интеграл берется по пути C, начинающемуся в точке на бесконечности с аргументом − π /3 и заканчивающемуся в точке на бесконечности 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 верна в комплексной плоскости, если взять главное значение x 2/3 и x отдалить от отрицательной вещественной оси. Формула для Bi( x ) верна при условии, что x находится в секторе для некоторого положительного δ. Наконец, формулы для Ai(− x ) и Bi(− x ) верны, если x находится в секторе
Из асимптотического поведения функций Эйри следует, что как Ai( x ) , так и Bi( x ) имеют бесконечное множество нулей на отрицательной действительной оси. Функция Ai( x ) не имеет других нулей в комплексной плоскости, в то время как функция Bi( x ) также имеет бесконечно много нулей в секторе
Функции K 1/3 и K 2/3 могут быть представлены в терминах быстро сходящихся интегралов [6] (см. также модифицированные функции Бесселя )
Для отрицательных аргументов функции Эйри связаны с функциями Бесселя :
Здесь J ±1/3 являются решениями
Функции Скорера Hi ( x ) и -Gi( x ) решают уравнение y ′′ − xy = 1/π . Их также можно выразить через функции Эйри:
преобразование Фурье
Используя определение функции Эйри Ai( x ), легко показать, что ее преобразование Фурье задается выражением Это можно получить, взяв преобразование Фурье уравнения Эйри. Пусть , тогда , которое тогда имеет решения Существует только одно измерение решений, поскольку преобразование Фурье требует, чтобы y достаточно быстро затухал до нуля, а Bi растет до бесконечности экспоненциально быстро, поэтому его нельзя получить с помощью преобразования Фурье.
Приложения
Квантовая механика
Функция Эйри является решением не зависящего от времени уравнения Шредингера для частицы, заключенной в треугольной потенциальной яме , и для частицы в одномерном постоянном силовом поле. По той же причине она также служит для обеспечения равномерных полуклассических приближений вблизи точки поворота в приближении ВКБ , когда потенциал может быть локально аппроксимирован линейной функцией положения. Решение для треугольной потенциальной ямы имеет непосредственное отношение к пониманию электронов, захваченных в полупроводниковых гетеропереходах .
Оптика
Поперечно-асимметричный оптический луч, где профиль электрического поля задается функцией Эйри, обладает интересным свойством, заключающимся в том, что его максимальная интенсивность ускоряется в одну сторону, а не распространяется по прямой линии, как в случае симметричных лучей. Это происходит за счет того, что хвост с низкой интенсивностью распространяется в противоположном направлении, поэтому общий импульс луча, конечно, сохраняется.
Каустики
Функция Эйри лежит в основе формы интенсивности вблизи оптической направленной каустики , такой как радуги ( называемой сверхштатной радугой). Исторически это была математическая проблема, которая привела Эйри к разработке этой специальной функции. В 1841 году Уильям Хэлоуз Миллер экспериментально измерил аналог сверхштатной радуги, пропуская свет через тонкий цилиндр с водой, а затем наблюдая через телескоп. Он наблюдал до 30 полос. [7]
Вероятность
В середине 1980-х годов было обнаружено, что функция Эйри тесно связана с распределением Чернова . [8]
Функция Эйри названа в честь британского астронома и физика Джорджа Бидделла Эйри (1801–1892), который столкнулся с ней в своем раннем изучении оптики в физике (Эйри 1838). Обозначение Ai( x ) было введено Гарольдом Джеффрисом . Эйри стал британским королевским астрономом в 1835 году и занимал этот пост до своей отставки в 1881 году.
^ "DLMF: §9.7 Асимптотические разложения ‣ Функции Эйри ‣ Глава 9 Функции Эйри и родственные функции". dlmf.nist.gov . Получено 2023-05-11 .
^ abcd Абрамовиц и Стиган (1983, стр. 448), уравнения 10.4.60 и 10.4.64
^ М. Х. Хоконов. Каскадные процессы потери энергии при излучении жестких фотонов // ЖЭТФ, Т.99, №4, с. 690-707 \ (2004).
↑ Миллер, Уильям Хэллоуз. «О ложных радугах». Труды Кембриджского философского общества 7 (1848): 277.
^ Гроенбум, Пит; Лэлли, Стивен; Темме, Нико (2015). «Распределение Чернова и дифференциальные уравнения параболического и типа Эйри». Журнал математического анализа и приложений . 423 (2): 1804–1824. arXiv : 1305.6053 . doi : 10.1016/j.jmaa.2014.10.051 . S2CID 119173815.
^ Quastel, Jeremy; Remenik, Daniel (2014). "Процессы Эйри и вариационные задачи". Темы в Percolative and Unordered Systems . Springer Proceedings in Mathematics & Statistics. Vol. 69. pp. 121–171. arXiv : 1301.0750 . doi :10.1007/978-1-4939-0339-9_5. ISBN978-1-4939-0338-2. S2CID 118241762.
Эйри (1838), «Об интенсивности света вблизи каустики», Труды Кембриджского философского общества , 6 , University Press: 379–402, Bibcode : 1838TCaPS...6..379A
Фрэнк Уильям Джон Олвер (1974). Асимптотика и специальные функции, Глава 11. Academic Press, Нью-Йорк.
Press, WH; Teukolsky, SA; Vetterling, WT; Flannery, BP (2007), «Раздел 6.6.3. Функции Эйри», Numerical Recipes: The Art of Scientific Computing (3-е изд.), Нью-Йорк: Cambridge University Press, ISBN 978-0-521-88068-8, заархивировано из оригинала 2011-08-11 , извлечено 2011-08-09
Валле, Оливье; Соарес, Мануэль (2004), Функции Эйри и их применение в физике, Лондон: Imperial College Press, ISBN 978-1-86094-478-9, MR 2114198, архивировано из оригинала 2010-01-13 , извлечено 2010-05-14