椭圆积分

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(英语:Guilio Fagnano)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

 

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

 

性质

 
 
 
 
 
 
 
 

第一类不完全椭圆积分的导数

 
 

第二类不完全椭圆积分

第二类不完全椭圆积分  是

 

与此等价,采用另外一个记法(作变量替换 ),

 

其它关系包括

 
 

加法公式

 
 

性质

 
 

第二类不完全椭圆积分的导数

 
 
 

第三类不完全椭圆积分

第三类不完全椭圆积分 是

 

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

 

第三类不完全椭圆积分的导数

 
 
 
 

特殊值

 
 
 
 
 
 
 
 

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

 

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

 

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。

 

复数值

 
 


特殊值

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

其中

 
 

第一类完全椭圆积分满足

 

导数

 

渐近表示

 

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:

 

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

 

有如下性质

 
 


复数值

 

特殊值

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


其中

 
 
 
 

导数、积分及微分方程

 
 
 

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

 

注意有时第三类椭圆积分被定义为带相反符号的 ,也即

 

用阿佩尔函数可表示为

 

第三类完全椭圆积分和第一类椭圆积分之间的关系

 

 

如

 

 

偏导数

 
 

特殊值

 
 
 
 
 
 
 

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:

 

参看

参考