特殊函數

完全橢圓積分(complete elliptic integral)

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兩個古老的問題抗拒初等微積分:大擺幅下鐘擺完整一擺有多長時間,以及橢圓的精確周長是多少?兩者都引向一個四次式平方根的積分,而它無法用初等函數完成。完全橢圓積分就是在完整四分之一週期上求出的兩個命名答案,終於讓這些經典問題收尾。

第一類完全橢圓積分是 K(k) = 從 0 到 pi/2 對 d theta 除以 根號(1 減 k^2 sin^2 theta) 的積分,第二類是 E(k) = 從 0 到 pi/2 對 根號(1 減 k^2 sin^2 theta) d theta 的積分。參數 k 介於 0 與 1 之間,稱為模。當 k = 0 時二者都化為初等值,K(0) = E(0) = pi/2;當 k 趨於 1 時,K(k) 以對數方式發散,而 E(1) = 1。「完全」一詞表明上限固定在 pi/2——一個完整的四分之一圈——以區別於上限為自由變量的不完全版本。

K 與 E 是處理大擺幅鐘擺(其週期為 4 除以固有頻率再乘 K(擺幅一半的正弦))、橢圓周長(涉及 E)、電流環的磁場、梁的挫曲,以及許多曲線弧長的精確工具。它們可用算術-幾何平均極快地計算,所以橢圓積分雖是非初等的,在數值上卻不比正弦或對數更難求。

從 90 度釋放的鐘擺,半擺幅為 45 度,於是 k = sin 45 度 約等於 0.707,K(k) 約等於 1.854。因此它的週期約為小角度週期 2 pi 除以固有頻率的 1.18 倍。

小角度公式低估了真實鐘擺的週期;K(k) 提供精確的大擺幅修正。

注意記號:有些書用模 k,有些用參數 m = k^2,所以 K(0.5) 可能指兩個不同的數——務必確認自變量是 k 還是 m。

又稱
K and E第一类和第二类完全椭圆积分complete elliptic integral of the first and second kind