特殊函数

完全椭圆积分(complete elliptic integral)

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两个古老的问题抗拒初等微积分:大摆幅下钟摆完整一摆有多长时间,以及椭圆的精确周长是多少?两者都引向一个四次式平方根的积分,而它无法用初等函数完成。完全椭圆积分就是在完整四分之一周期上求出的两个命名答案,终于让这些经典问题收尾。

第一类完全椭圆积分是 K(k) = 从 0 到 pi/2 对 d theta 除以 根号(1 减 k^2 sin^2 theta) 的积分,第二类是 E(k) = 从 0 到 pi/2 对 根号(1 减 k^2 sin^2 theta) d theta 的积分。参数 k 介于 0 与 1 之间,称为模。当 k = 0 时二者都化为初等值,K(0) = E(0) = pi/2;当 k 趋于 1 时,K(k) 以对数方式发散,而 E(1) = 1。「完全」一词表明上限固定在 pi/2——一个完整的四分之一圈——以区别于上限为自由变量的不完全版本。

K 与 E 是处理大摆幅钟摆(其周期为 4 除以固有频率再乘 K(摆幅一半的正弦))、椭圆周长(涉及 E)、电流环的磁场、梁的屈曲,以及许多曲线弧长的精确工具。它们可用算术-几何平均极快地计算,所以椭圆积分虽是非初等的,在数值上却不比正弦或对数更难求。

从 90 度释放的钟摆,半摆幅为 45 度,于是 k = sin 45 度 约等于 0.707,K(k) 约等于 1.854。因此它的周期约为小角度周期 2 pi 除以固有频率的 1.18 倍。

小角度公式低估了真实钟摆的周期;K(k) 提供精确的大摆幅修正。

注意记号:有些书用模 k,有些用参数 m = k^2,所以 K(0.5) 可能指两个不同的数——务必确认自变量是 k 还是 m。

又称
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