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雅可比椭圆函数


雅可比椭圆函数是椭圆函数的标准形式。三个基本函数分别表示为 cn(u,k), dn(u,k), 和 sn(u,k),其中 k 被称为椭圆模。 它们来源于第一类椭圆积分的反演,

 u=F(phi,k)=int_0^phi(dt)/(sqrt(1-k^2sin^2t)),
(1)

其中 0<k^2<1, k=modu椭圆模,而 phi=am(u,k)=am(u)雅可比幅角,得到

 phi=F^(-1)(u,k)=am(u,k).
(2)

由此,可以得出

sinphi=sin(am(u,k))
(3)
=sn(u,k)
(4)
cosphi=cos(am(u,k))
(5)
=cn(u,k)
(6)
sqrt(1-k^2sin^2phi)=sqrt(1-k^2sin^2(am(u,k)))
(7)
=dn(u,k).
(8)

这些函数是三角函数的双周期推广,满足

sn(u,0)=sinu
(9)
cn(u,0)=cosu
(10)
dn(u,0)=1.
(11)

雅可比 Theta 函数表示,

sn(u,k)=(theta_3)/(theta_2)(theta_1(utheta_3^(-2)))/(theta_4(utheta_3^(-2)))
(12)
cn(u,k)=(theta_4)/(theta_2)(theta_2(utheta_3^(-2)))/(theta_4(utheta_3^(-2)))
(13)
dn(u,k)=(theta_4)/(theta_3)(theta_3(utheta_3^(-2)))/(theta_4(utheta_3^(-2)))
(14)

(Whittaker 和 Watson 1990, p. 492), 其中 theta_i=theta_i(0) (Whittaker 和 Watson 1990, p. 464),椭圆模由下式给出

 k=(theta_2^2(q))/(theta_3^2(q)).
(15)

雅可比椭圆函数的比率通过将分子椭圆函数的首字母与分母椭圆函数的首字母组合来表示。椭圆函数的倒数通过颠倒两个字母的顺序来表示。这些组合总共给出 12 个函数:cd、cn、cs、dc、dn、ds、nc、nd、ns、sc、sd 和 sn。这些函数在 Wolfram 语言中实现为JacobiSN[z, m] 等等。类似地,逆雅可比函数实现为InverseJacobiSN[v, m] 等等。

雅可比幅角 phisn(u,k) 定义为

 y=sinphi=sn(u,k).
(16)

为了简洁起见,k 参数通常被省略,例如,sn(u,k) 可以写成 snu

雅可比椭圆函数在 K(k)K^'(k) 中是周期性的,如下所示

sn(u+2mK+2niK^',k)=(-1)^msn(u,k)
(17)
cn(u+2mK+2niK^',k)=(-1)^(m+n)cn(u,k)
(18)
dn(u+2mK+2niK^',k)=(-1)^ndn(u,k),
(19)

其中 K(k)第一类完全椭圆积分K^'(k)=K(k^'),而 k^'=sqrt(1-k^2) (Whittaker 和 Watson 1990, p. 503)。

cnx, dnx, 和 snx 函数也可以定义为以下微分方程的解

 (d^2y)/(dx^2)=(2-k^2)y-2y^3
(20)
 (d^2y)/(dx^2)=-(1-2k^2)y-2k^2y^3
(21)
 (d^2y)/(dx^2)=-(1+k^2)y+2k^2y^3,
(22)

分别。

标准雅可比椭圆函数满足以下恒等式

sn^2u+cn^2u=1
(23)
k^2sn^2u+dn^2u=1
(24)
k^2cn^2u+k^('2)=dn^2u
(25)
cn^2u+k^('2)sn^2u=dn^2u.
(26)

特殊值包括

cn(0,k)=cn(0)=1
(27)
cn(K(k),k)=cn(K(k))=0
(28)
dn(0,k)=dn(0)=1
(29)
dn(K(k),k)=dn(K(k))=k^'=sqrt(1-k^2),
(30)
sn(0,k)=sn(0)=0
(31)
sn(K(k),k)=sn(K(k))=1,
(32)

其中 K=K(k)第一类完全椭圆积分k^'=sqrt(1-k^2) 是互补椭圆模 (Whittaker 和 Watson 1990, pp. 498-499),并且

cn(u,1)=sechu
(33)
dn(u,1)=sechu
(34)
sn(u,1)=tanhu.
(35)

用积分表示,

u=int_0^(sn(u,k))(1-t^2)^(-1/2)(1-k^2t^2)^(-1/2)dt
(36)
=int_(ns(u,k))^infty(t^2-1)^(-1/2)(t^2-l^2)^(-1/2)dt
(37)
=int_(cn(u,k))^1(1-t^2)^(-1/2)(k^('2)+k^2t^2)^(-1/2)dt
(38)
=int_1^(nc(u,k))(t^2-1)^(-1/2)(k^('2)t^2+k^2)^(-1/2)dt
(39)
=int_(dn(u,k))^1(1-t^2)^(-1/2)(t^2-k^('2))^(-1/2)dt
(40)
=int_1^(nd(u,k))(t^2-1)^(-1/2)(1-k^('2)t^2)^(-1/2)dt
(41)
=int_0^(sc(u,k))(1+t^2)^(-1/2)(1+k^('2)t^2)^(-1/2)dt
(42)
=int_(cs(u,k))^infty(t^2+1)^(-1/2)(t^2+k^('2))^(-1/2)dt
(43)
=int_0^(sd(u,k))(1-k^('2)t^2)^(-1/2)(1+k^2t^2)^(-1/2)dt
(44)
=int_(ds(u,k))^infty(t^2-k^('2))^(-1/2)(t^2+k^2)^(-1/2)dt
(45)
=int_1^(cd(u,k))(1-t^2)^(-1/2)(1-k^2t^2)^(-1/2)dt
(46)
=int_(dc(u,k))^1(t^2-1)^(-1/2)(t^2-k^2)^(-1/2)dt
(47)

(Whittaker 和 Watson 1990, p. 494)。

雅可比椭圆函数加法公式包括(例如,为了简洁起见,sn(u,k) 写为 snu),

sn(u+v)=(snucnvdnv+snvcnudnu)/(1-k^2sn^2usn^2v)
(48)
cn(u+v)=(cnucnv-snusnvdnudnv)/(1-k^2sn^2usn^2v)
(49)
dn(u+v)=(dnudnv-k^2snusnvcnucnv)/(1-k^2sn^2usn^2v).
(50)

扩展到积分周期,

sn(u+K)=(cnu)/(dnu)
(51)
cn(u+K)=-(k^'snu)/(dnu)
(52)
dn(u+K)=(k^')/(dnu)
(53)
sn(u+2K)=-snu
(54)
cn(u+2K)=-cnu
(55)
dn(u+2K)=dnu
(56)

对于复数参数,

 sn(u+iv)=(sn(u,k)dn(v,k^'))/(1-dn^2(u,k)sn^2(v,k^'))+(icn(u,k)dn(u,k)sn(v,k^')cn(v,k^'))/(1-dn^2(u,k)sn^2(v,k^'))
(57)
 cn(u+iv)=(cn(u,k)cn(v,k^'))/(1-dn^2(u,k)sn^2(v,k^'))-(isn(u,k)dn(u,k)sn(v,k^')dn(v,k^'))/(1-dn^2(u,k)sn^2(v,k^'))
(58)
 dn(u+iv)=(dn(u,k)cn(v,k^')dn(v,k^'))/(1-dn^2(u,k)sn^2(v,k^'))-(ik^2sn(u,k)cn(u,k)sn(v,k^'))/(1-dn^2(u,k)sn^2(v,k^')).
(59)

雅可比椭圆函数的导数包括

(dsnu)/(du)=cnudnu
(60)
(dcnu)/(du)=-snudnu
(61)
(ddnu)/(du)=-k^2snucnu
(62)

(Hille 1969, p. 66; Zwillinger 1997, p. 136)。

涉及雅可比椭圆函数的双周期公式包括

sn(2u)=(2snucnudnu)/(1-k^2sn^4u)
(63)
cn(2u)=(1-2sn^2u+k^2sn^4u)/(1-k^2sn^4u)
(64)
dn(2u)=(1-2k^2sn^2u+k^2sn^4u)/(1-k^2sn^4u).
(65)

涉及雅可比椭圆函数的半周期公式包括

sn(1/2K)=1/(sqrt(1+k^'))
(66)
cn(1/2K)=sqrt((k^')/(1+k^'))
(67)
dn(1/2K)=sqrt(k^').
(68)

平方公式包括

sn^2u=(1-cn(2u))/(1+dn(2u))
(69)
cn^2u=(dn(2u)+cn(2u))/(1+dn(2u))
(70)
dn^2u=(dn(2u)+cn(2u))/(1+cn(2u)).
(71)

雅可比椭圆函数的泰勒级数由 Hermite (1863)、Schett (1977) 和 Dumont (1981) 考虑过,

cn(u,k)=1-1/2u^2+1/(24)(1+4k^2)u^4-1/(720)(1+44k^2+16k^4)u^6+...
(72)
dn(u,k)=1-1/2k^2u^2+1/(24)(4k^2+k^4)u^4-1/(720)(16k^2+44k^4+k^6)u^6+...
(73)
sn(u,k)=u-1/6(1+k^2)u^3+1/(120)(1+14k^2+k^4)u^5+...
(74)

(Abramowitz 和 Stegun 1972, eqn. 16.22)。


另请参阅

椭圆函数, 雅可比幅角, 雅可比微分方程, 雅可比虚数变换, 第二类雅可比函数, 雅可比 Theta 函数, 魏尔斯特拉斯椭圆函数

相关 Wolfram 站点

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参考文献

Abramowitz, M. 和 Stegun, I. A. (编). "Jacobian Elliptic Functions and Theta Functions." 章 16 在 Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs, and Mathematical Tables, 第9次印刷. New York: Dover, 页 567-581, 1972.Bellman, R. E. A Brief Introduction to Theta Functions. New York: Holt, Rinehart and Winston, 1961.Briot, C. 和 Bouquet, C. Théorie des fonctions elliptiques, 第二版. Paris: Gauthier-Villars, 1875.Byrd, P. F. 和 Friedman, M. D. Handbook of Elliptic Integrals for Engineers and Scientists, 第二版, 修订版. Berlin: Springer-Verlag, 1971.Dumont, D. "Une Approach combinatoire des fonctions elliptiques de Jacobi." Adv. Math. 41, 1-39, 1981.Hermite, C. "Remarque sur le développement de cosamx." Comptes Rendus de l'Académie des Sciences 57, 613-618, 1863. Reprinted in J. math. pures appliq. 9, 289-295, 1864. Also reprinted in Oeuvres de Charles Hermite, 卷 2. Paris: Gauthier-Villars, 页 264-270, 1908.Hille, E. Lectures on Ordinary Differential Equations. Reading, MA: Addison-Wesley, 1969.Morse, P. M. 和 Feshbach, H. Methods of Theoretical Physics, Part I. New York: McGraw-Hill, p. 433, 1953.Press, W. H.; Flannery, B. P.; Teukolsky, S. A.; 和 Vetterling, W. T. "Elliptic Integrals and Jacobi Elliptic Functions." §6.11 在 Numerical Recipes in FORTRAN: The Art of Scientific Computing, 第二版. Cambridge, England: Cambridge University Press, 页 254-263, 1992.Schett, A. "Recurrence Formula of the Taylor Series Expansion Coefficients of the Jacobi Elliptic Functions." Math. Comput. 32, 1003-1005, 1977.Spanier, J. 和 Oldham, K. B. "The Jacobian Elliptic Functions." 章 63 在 An Atlas of Functions. Washington, DC: Hemisphere, 页 635-652, 1987.Tölke, F. "Jacobische elliptische Funktionen und zugehörige logarithmische Ableitungen," "Umkehrfunktionen der Jacobischen elliptischen Funktionen und elliptische Normalintegrale erster Gattung. Elliptische Amplitudenfunktionen sowie Legendresche F- und E-Funktion. Elliptische Normalintegrale zweiter Gattung. Jacobische Zeta- und Heumansche Lambda-Funktionen," and "Normalintegrale dritter Gattung. Legendresche Pi-Funktion. Zurückführung des allgemeinen elliptischen Integrals auf Normalintegrale erster, zweiter, und dritter Gattung." 章 5-7 在 Praktische Funktionenlehre, dritter Band: Jacobische elliptische Funktionen, Legendresche elliptische Normalintegrale und spezielle Weierstraßsche Zeta- und Sigma Funktionen. Berlin: Springer-Verlag, 页 1-144, 1967.Tölke, F. Praktische Funktionenlehre, vierter Band: Elliptische Integralgruppen und Jacobische elliptische Funktionen im Komplexen. Berlin: Springer-Verlag, 1967.Trott, M. "The Mathematica Guidebooks Additional Material: ODE for Jacobi Elliptic Function sn with Respect to the Modulus." http://www.mathematicaguidebooks.org/additions.shtml#S_3_04.Whittaker, E. T. 和 Watson, G. N. A Course in Modern Analysis, 第四版. Cambridge, England: Cambridge University Press, 1990.Zwillinger, D. Handbook of Differential Equations, 第三版. Boston, MA: Academic Press, 1997.

在 Wolfram|Alpha 上引用

雅可比椭圆函数

引用为

Weisstein, Eric W. "雅可比椭圆函数。" 来自 MathWorld--Wolfram Web 资源。 https://mathworld.net.cn/JacobiEllipticFunctions.html

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