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道森积分


DawsonsIntegral

道森积分(Abramowitz and Stegun 1972,第295页和319页),有时也称为道森函数,是由 积分 给出的 整函数

F(x)=e^(-x^2)int_0^xe^(y^2)dy
(1)
=1/2sqrt(pi)e^(-x^2)erfi(x),
(2)

其中 erfi(x)erfi,它出现在 Voigt 线型(Harris 1948,Hummer 1963,Sajo 1993,Lether 1997)、热传导以及某些特殊真空管中的电振荡理论的计算中(McCabe 1974)。它通常被表示为 F(x) (McCabe 1974; Coleman 1987; Milone and Milone 1988; Sajo 1993; Lether 1997; Press et al. 2007, p. 302),虽然 Spanier 和 Oldham (1987) 用 daw(x) 表示。

道森积分在 Wolfram 语言 中实现为DawsonF[z]。

它是一个 奇函数,因此

 F(-x)=-F(x).
(3)

它的 导数

 d/(dx)F(x)=1-2xF(x)
(4)

它的 不定积分

 intF(x)dx=1/2x^2_2F_2(1,1;3/2,2;-x^2),
(5)

其中 _2F_2(a,b;c,d;z) 是一个 广义超几何函数

它是 微分方程 的特解

 F^'(z)+2zF(z)=1
(6)

(McCabe 1974)。

它的 麦克劳林级数 由下式给出

F(x)=sum_(n=0)^(infty)((-1)^n2^n)/((2n+1)!!)x^(2n+1)
(7)
=x-2/3x^3+4/(15)x^5-8/(105)x^7+...
(8)

(OEIS A122803A001147)。如果具有 渐近级数

 F(x)∼1/(2x)+1/(4x^3)+....
(9)

它也出现在 半积分e^(-x) 中,通过

 D^(-1/2)e^(-x)=2/(sqrt(pi))F(sqrt(x))
(10)

(Spanier 和 Oldham 1987,第 406 页)。

它由以下和式给出

F(x)=1/2xsqrt(pi)sum_(k=0)^(infty)((-1)^kx^(2k))/(Gamma(k+3/2))
(11)
=xsum_(k=0)^(infty)((-1)^kx^(2k))/((3/2)_k)
(12)

(Spanier 和 Oldham 1987,第 407 页),其中 Gamma(z)伽玛函数(z)_kPochhammer 符号

道森积分具有连分数

F(z)=1/(1+)(2z^2)/(3-)(4z^2)/(5+)(6z^2)/(7-)(8z^2)/(9+)...
(13)
=z/(1+2z^2-)(4z^2)/(3+2z^2-)(8z^2)/(5+2z^2-)(12z^2)/(7+2z^2-)...
(14)

(McCabe 1974)。

DawsonPlusReIm
DawsonPlusContours

上面的图显示了 F(z)复平面 中的行为。

FF^'(x)=0 处有一个最大值,或者

 1-sqrt(pi)e^(-x^2)xerfi(x)=0,
(15)

给出

 F(0.9241388730)=0.5410442246
(16)

(OEIS A133841A133842),并在 F^('')(x)=0 处有一个拐点,或者

 -2x+sqrt(pi)e^(-x^2)(2x^2-1)erfi(x)=0,
(17)

给出

 F(1.5019752683)=0.4276866160
(18)

(OEIS A133843)。

该函数有时被推广为使得

 D_+/-(x)=e^(∓x^2)int_0^xe^(+/-y^2)dy,
(19)

给出

D_+(x)=1/2sqrt(pi)e^(-x^2)erfi(x)
(20)
D_-(x)=1/2sqrt(pi)e^(x^2)erf(x),
(21)

其中 erf(z)erf 函数,erfi(z) 是虚误差函数 erfi

DawsonMinusReIm
DawsonMinusContours

上面的图显示了 D_-(z)复平面 中的行为。


另请参阅

Erfi高斯函数

使用 Wolfram|Alpha 探索

参考文献

Abramowitz, M. and Stegun, I. A. (Eds.). 数学函数手册,包含公式、图表和数学表格,第 9 版。 New York: Dover, pp. 295 and 319, 1972.Cody, W. J.; Pociorek, K. A.; and Thatcher, H. C. "道森积分的切比雪夫逼近。" Math. Comput. 24, 171-178, 1970.Coleman, J. P. "兰乔斯 τ 方法的复多项式逼近:道森积分。" J. Comput. Appl. Math. 20, 137-151, 1987.Dawson, F. "关于 int_0^he^(x^2)dx 的数值。" London Math. Soc. Proc. 29, 519-522, 1898.Dijkstra, D. A. "道森积分推广形式的连分数展开。" Math. Comp. 31, 503-510, 1977.Faddeyeva, V. N. and Terent'ev, N. M. 复变元函数 w(z)=e^(-z^2)(1+2i/sqrtpiint_0^ze^(t^2)dt) 值表。 New York: Pergamon Press, 1961.Harris, D. III. "关于多普勒效应和阻尼引起的谱线吸收系数。" Astrophys. J. 108, 1120-115, 1948.Hummer, D. G. "非相干散射 I. 多普勒展宽的重分布函数。" Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 125, 21-37, 1963.Hummer, D. G. "道森函数在切比雪夫多项式级数中的展开。" Math. Comput. 18, 317-319, 1964.Lether, F. G. "道森积分的初等逼近。" J. Quant. Spectros. Radiat. Transfer 4, 343-345, 1991.Lether, F. G. "道森积分的约束近极小极大有理逼近。" Appl. Math. Comput. 88, 267-274, 1997.Lohmander, B. and Rittsten, S. "函数 y=e^(-x^2)int_0^xe^(t^2)dt 表。" Kungl. Fysiogr. Sällsk. i Lund Föhr. 28, 45-52, 1958.Luke, Y. L. 特殊函数及其逼近,第 2 卷。 New York: Academic Press, 1969.McCabe, J. H. "道森积分的带有截断误差估计的连分数展开。" Math. Comput. 28, 811-816, 1974.Milone, L. A. and Milone, A. A. E. "道森函数的计算。" Astrophys. Space Sci. 147, 189-191, 1988.Moshier, S. L. 数学函数的方法和程序。 Chichester, England: Ellis Horwood, 1989.Press, W. H.; Flannery, B. P.; Teukolsky, S. A.; and Vetterling, W. T. "道森积分。" §6.10 in 数值食谱:科学计算的艺术,第 3 版。 Cambridge, England: Cambridge University Press, pp. 302-304, 2007.Rosser, J. B. "int_0^ze^(-x^2)dx 和 int_0^ze^(-p^2y^2)dy 的理论与应用。" Brooklyn, NY: Mapleton House, 1948.Rybicki, G. B. "道森积分与采样定理。" Computers in Physics 3, 85-87, 1989.Sajo, E. "道森积分的递归性质。" J. Phys. A 26, 2977-2987, 1993.Sloane, N. J. A. 序列 A001147/M3002, A122803, A133841, A133842, 和 A133843 in "整数数列线上百科全书"。Spanier, J. and Oldham, K. B. "道森积分。" Ch. 42 in 函数图集。 Washington, DC: Hemisphere, pp. 405-410, 1987.

在 Wolfram|Alpha 中引用

道森积分

引用为

Weisstein, Eric W. "道森积分。" 来自 MathWorld--Wolfram Web 资源。 https://mathworld.net.cn/DawsonsIntegral.html

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