椭圆积分
椭圆积分
除下面给出的形式之外,椭圆积分也可以表达为勒让德形式和Carlson对称形式。通过对施瓦茨-克里斯托费尔映射的研究可以加深对椭圆积分理论的理解。历史上,椭圆函数是作为椭圆积分的逆函数被发现的,特别是这一个:F(sn(z;k);k) = z其中sn是雅可比椭圆函数之一。
记法
椭圆积分通常表述为不同变量的函数。这些变量完全等价(它们给出同样的椭圆积分),但是它们看起来很不相同。很多文献使用单一一种标准命名规则。在定义积分之前,先来检视一下这些变量的命名常规:
模角; 椭圆模; 参数; 上述三种常规完全互相确定。规定其中一个和规定另外一个一样。椭圆积分也依赖于另一个变量,可以有如下几种不同的设定方法:
幅度x其中 u,其中x= sn u而sn是雅可比椭圆函数之一 规定其中一个决定另外两个。这样,它们可以互换地使用。注意u也依赖于m。其它包含u的关系有
和
后者有时称为δ幅度并写作。有时文献也称之为补参数,补模或者补模角。这些在四分周期中有进一步的定义。
第一类不完全
不完全椭圆积分一
第一类不完全椭圆积分F定义为
与此等价,用雅可比的形式,可以设 ;则
其中,假定任何有竖直条出现的地方,紧跟竖直条的变量是(如上定义的)参数;而且,当反斜杠出现的时候,跟着出现的是模角。 在这个意义下,,这里的记法来自标准参考书Abramowitz and Stegun。使用限界符;| 是椭圆积分中的传统做法。
但是,还有许多不同的常规用于椭圆积分的记法。取值为椭圆积分的函数没有(象平方根,正弦和误差函数那样的)标准和唯一的名字。甚至关于该领域的文献也常常采用不同的记法。Gradstein, Ryzhik [1], Eq.(8.111)]采用。该记法和这里的;以及下面的等价。
和上面的不同对应的是,如果从Mathematica语言翻译代码到Maple语言,必须将EllipticK函数的参数用它的平方根代替。反过来,如果从Maple翻到Mathematica,则参数应该用它的平方代替。Maple中的EllipticK(x)几乎和Mathematica中的EllipticK[x^2]相等;至少当0<x<1时是相等的。
注意
其中u如上文所定义:由此可见,雅可比椭圆函数是椭圆积分的逆。
第二类不完全
不完全椭圆积分二
第二类不完全椭圆积分E是
与此等价,采用另外一个记法(作变量替换),
其它关系包括
第三类不完全
不完全椭圆积分三
第三类不完全椭圆积分是
或者
或者
数字n称为特征数,可以取任意值,和其它参数独立。但是要注意对于任意是无穷的。
第一类完全
完全椭圆积分一
如果幅度为pi/2或者x=1,则称椭圆积分为完全的。 第一类完全椭圆积分K可以定位为
或者
它是第一类不完全椭圆积分的特例:
这个特例可以表达为幂级数
它等价于
其中n!!表示双阶乘。采用高斯的超几何函数,第一类完全椭圆积分可以表达为
第一类完全椭圆积分有时称为四分周期。它可以采用算术几何平均值计算。
特殊值 第一类完全椭圆积分的导数}-
第二类完全
完全椭圆积分二
第二类完全椭圆积分E可以定义为
或者
它是第二类不完全椭圆积分的特殊情况:
它可以用幂级数表达
也就是
用高斯超几何函数表示的话,第二类完全椭圆积分可以写作
特殊值 第二类完全椭圆积分的导数
第三类完全
完全椭圆积分三
第三轮完全椭圆积分Π可以定义为
注意有时第三类椭圆积分被定义为带相反符号的n,也即
第三类完全椭圆积分的导数