椭圆积分函数
函数
u=F(φ,k)=∫0φ1−k2sin2x
dx=∫0sinφ(1−x2)(1−kx2)
dx(1)
是用积分形式定义的函数,被称为第一类椭圆积分函数。其中
k是参数,被称为椭圆积分函数的模长。通常认为
k满足不等式
0⩽k<1。式(1)的后两项是文献中常用的定义形式。由于在
φ=0时二式相等,且二式在定义域上的导数均相等,因此很容易看出二者表示的是同一个函数。该函数是单调递增的奇函数。函数在不同的模长
k下的图像如下:
k=0
k=0.75
k=0.999
图1
该函数在
φ=2π处的值被称作第一类完全椭圆全积分
K(k)=F(2π,k)=∫0π/21−k2sin2x
dx(2)
当模长
k确定后,该值是常数。
雅各比椭圆函数
第一类椭圆积分函数的反函数称为幅值函数,表示为
φ=amu
则椭圆正弦函数
z=sn(u,k)和椭圆余弦函数
z=cn(u,k)定义如下:
z=sn(u,k)=sinφ=sinamu,z=cn(u,k)=cosφ=cosamu(3)
由
u+4K(k)=∫0φ1−k2sin2x
dx+4∫0π/21−k2sin2x
dx=∫0φ1−k2sin2x
dx+∫02π1−k2sin2x
dx=∫0φ1−k2sin2x
dx+∫φ2π+φ1−k2sin2x
dx=∫0φ+2π1−k2sin2x
dx
可得
am(u+4K(k))=φ+2π
因此
sn(u+4K(k))=sinam(u+4K(k))=sin(φ+2π)=sin(φ)=sn(u)
可见椭圆正弦函数
z=sn(u,k)周期为
4K(k)。同理,椭圆余弦函数
z=cn(u,k)的周期也为
4K(k)。并且,椭圆正弦函数
z=sn(u,k)是奇函数,椭圆余弦函数
z=cn(u,k)是偶函数。可见,二者应该有分别与正弦,余弦函数类似的图像。
定义幅值的
δ函数
z=dn(u,k)=dudφ=1−k2sin2φ
=1−k2sn2(u,k)
(4)
该函数以
2K(k)为周期。
sn(u,k),cn(u,k),dn(u,k)统称为雅各比椭圆函数,它们之间满足如下容易验证的恒等式。
sn2u+cn2u=1dn2u+k2sn2u=1(5)
三个雅各比椭圆函数在不同的模长
k下的图像如下
k=0
k=0.5
k=0.75
图2
可见,当
k=0时,
z=sn(u,k),
z=cn(u,k)和
z=dn(u,k)分别变为
z=sinu,
z=cosu和
z=1。
函数图像与第一类完全椭圆积分K(k)的一般关系如图3所示。
图3
参考文献 理论力学 马尔契夫