在积分学中,椭圆积分最初出现于椭圆的弧长有关的问题中。朱利奥·法尼亚诺和欧拉是最早的研究者。现代数学将椭圆积分定义为可以表达为如下形式的任何函数 的积分
其中是其两个参数的有理函数,是一个无重根的或阶多项式,而是一个常数。
通常,椭圆积分不能用基本函数表达。这个一般规则的例外出现在有重根的时候,或者是,没有的奇数幂时。但是,通过适当的简化公式,每个椭圆积分可以变为只涉及有理函数和三个经典形式的积分。(也即,第一,第二,和第三类的椭圆积分)。
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:其中是雅可比正弦椭圆函数。
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
- 其中
- ,其中 而 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 也依赖于 。其它包含 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。
第一类不完全椭圆积分
第一类不完全椭圆积分 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。
但是,还有许多不同的用于椭圆积分的记法。取值为椭圆积分的函数没有(像平方根,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] (页面存档备份,存于互联网档案馆), .(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( )几乎和Mathematica中的EllipticK[ ]相等;至少当 时是相等的。
注意
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其中 如上文所定义:由此可见,雅可比椭圆函数是椭圆积分的逆。
加法公式
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性质
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第一类不完全椭圆积分的导数
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第二类不完全椭圆积分
第二类不完全椭圆积分 是
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与此等价,采用另外一个记法(作变量替换 ),
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其它关系包括
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加法公式
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-
性质
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-
第二类不完全椭圆积分的导数
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-
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第三类不完全椭圆积分
第三类不完全椭圆积分 是
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或者
-
或者
-
数字 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。
加法公式
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第三类不完全椭圆积分的导数
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-
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特殊值
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-
-
-
-
-
第一类完全椭圆积分
第一类完全椭圆积分
如果幅度为 或者 ,则称椭圆积分为完全的。
第一类完全椭圆积分 可以定义为
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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 表示双阶乘。利用高斯的超几何函数,第一类完全椭圆积分可以表达为
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第一类完全椭圆积分有时称为四分周期。它可以利用算术几何平均值来快速计算。
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复数值
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特殊值
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其中
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第一类完全椭圆积分满足
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导数
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渐近表示
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这个近似在k<1/2时相对误差小于3×10−4,若只保留前两项则误差在k<1/2时小于0.01
微分方程
此函数满足以下微分方程
-
此微分方程之另一解为 ,此解满足以下关系。
- .
第二类完全椭圆积分
第二类完全椭圆积分
第二类完全椭圆积分 可以定义为
-
或者
-
它是第二类不完全椭圆积分的特殊情况:
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它可以用幂级数表达
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也就是
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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
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有如下性质
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复数值
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特殊值
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其中
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导数、积分及微分方程
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此微分方程之另解为 。
第三类完全椭圆积分
不同
值的第三类完全椭圆积分
第三类完全椭圆积分 可以定义为
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注意有时第三类椭圆积分被定义为带相反符号的 ,也即
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用阿佩尔函数可表示为
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第三类完全椭圆积分和第一类椭圆积分之间的关系
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如
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偏导数
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特殊值
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函数关系
勒让得关系指出了第一类和第二类完全椭圆积分之间的联系:
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参看
参考