• Урок 9. Специальные математические функции
• • Функции Эйри
  • Функции Бесселя
  • Бета-функция и ее варианты
  • Эллиптические функции и интегралы
  • Функции ошибки
  • Интегральная показательная функция
  • Гамма-функция и ее варианты
  • Ортогональные полиномы Лежандра
  • Что нового мы узнали?

Урок №9.

Специальные математические функции

• Функции Эйри

• Функции Бесселя

• Бета-функция и ее варианты

• Эллиптические функции и интегралы

• Функции ошибки

• Интегральная показательная функция

• Гамма-функция и ее варианты

• Ортогональные полиномы Лежандра
  

Специальные математические функции являются решениями дифференциальных уравнений специального вида или обозначениями некоторых видов интегралов. Довольно полный обзор специальных функций дается в книгах [55-58], так что ниже мы ограничимся только указанием функций системы MATLAB, реализующих их вычисление. Набор специальных математических функций в системе MATLAB настолько представителен, что позволяет решать практически все задачи, связанные с применением таких функций. Если и обнаруживаются недостающие специальные функции, то пользователь может сам задать их вычисления. Специфика специальных функций в MATLAB та же, что и элементарных, — их аргументами могут быть как одиночные численные значения, так и массивы чисел. В последнем случае функции возвращают массив тех же размерности и размера с преобразованием каждого элемента в соответствии с действием функции. В версии MATLAB 6 вы теперь можете получить справку с записью формул в стандартной математической форме, набрав в командной строке doc function, где function — имя специальной функции.

Функции Эйри

Функция Эйри формирует пару линейно независимых решений линейного дифференциального уравнения вида

Связь между функцией Эйри и модифицированной функцией Бесселя выражается следующей формулой:

где

• airy(Z) — возвращает функцию Эйри, AKZ), для каждого элемента комплексного массива Z;
• airy(k.Z) — возвращает различные варианты результата в зависимости от значения k:
  • k=0 — тот же результат, что и airy(Z);
  • k=l — производную от А1 (Z);
  • k=2 — функцию Эйри второго рода, 61 (Z) :
  • k=3 — производную от B1(Z). Пример:

D=

1.0000 3.0000 + 2.00001

» S=airy(D) 

S =

0.1353 -0.0097 + 0.00551

Функции Бесселя

Линейное дифференциальное уравнение второго порядка вида

где v — неотрицательная константа, называется уравнением Бесселя, а его решения известны как функции Бесселя. Функции J_v(z) и J__v(z) формируют фундаментальное множество решений уравнения Бесселя для неотрицательных значений п (это так называемые функции Бесселя первого рода): где для гамма-функции используется следующее представление:

Второе решение уравнения Бесселя, линейно независимое от J_v(z), определяется как и задает функции Бесселя второго рода Y_v(z).

Функции Бесселя третьего рода (функции Ханкеля) и функция Бесселя первого и второго рода связаны следующим выражением:

• bessel j(nu,Z) — возвращает функцию Бесселя первого рода, J_v(z), для каждого элемента комплексного массива Z. Порядок ш может не быть целым, однако должен быть вещественным. Аргумент Z может быть комплексным. Результат вещественный, если Z положительно. Если nu и Z — массивы одинакового размера, то результат имеет тот же размер. Если любая входная величина — скаляр, результат расширяется до размера другой входной величины. Если одна входная величина — вектор-строка, а другая — вектор-столбец, результат представляет собой двумерный массив значений функции.

• bessely(nu.Z) — возвращает функцию Бесселя второго рода, Y_v(z).

•   [J.ierr] = besse1j(nu,Z) и [Y.ierr] = bessely(nu.Z) функции всегда возвращают массив с флагами ошибок:

  •  ierr = 1 — запрещенные аргументы;

  • ierr = 2 — переполнение (возвращает Inf);

  •  ierr = 3 — некоторая потеря точности при приведении аргумента;

  • ierr = 4 — недопустимая потеря точности: Z или nu слишком велики;

  • ierr = 5 — нет сходимости (возвращает NaN).

Примеры:

» S=[2-51.4.7];T=[8.l.3]:g=besselj(T.S)

g=

0.1114-0.05081 -0.0660 -0.1676 

» S-[2-5i,4.7];T=[8.1.3J;[g.ierr]=bessely(T.S) 

g=

0.1871 - 0.03241 0.3979 0.2681 

ierr =

0 0 0

•  besselh(nu,К,Z) — для К=1 или 2 возвращает функцию Бесселя третьего рода (функцию Ханкеля) для каждого элемента комплексного массива Z. Если nu и Z — массивы одинакового размера, то результат имеет тот же размер. Если одна из входных величин — скаляр, результат формируется по размеру другой входной величины. Если одна входная величина — вектор-строка, а другая — вектор-столбец, результат представляет собой двумерный массив значений функции.

• bessel h(nu.Z) — использует по умолчанию К = 1. 

• besselh(nu.l.Z.l) — масштабирует H⁽¹⁾_v(z) с коэффициентом exp(-i*z). 

• besse1h(nu,2,Z.l) — масштабирует H⁽²⁾_v(z) с коэффициентом exp(+i*z). 

• [H.ierr] = besselhC...) — всегда возвращает массив с флагами ошибок:

  • ierr = 1 — запрещенные аргументы;

  •  ierr = 2 — переполнение (возвращает Inf);

  •  ierr = 3 — некоторая потеря точности при приведении аргумента;

  • ierr = 4 — недопустимая потеря точности: Z или nu слишком велики;

  • ierr = 5 — нет сходимости (возвращает NaN).

» D=[1.3+2i];F=[3.2]:[K.ierr]=besselk(F,D) 

К =

7.1013 -0.0401 - 0.02851

 lerr =

0 0

Естественно, что возможно построение графиков специальных функций.

В качестве примера рассмотрим m-файл-сценарий, приведенный ниже:

х=0:0.1:10;

y0=besselj(0.x);

y1=besselj(l.x):

y2=besselj(2.x);

y3=besselj(3.x);

plot(x.y0.'-m'.x.y1.'--r',x.y2.'-.k',x.y3.':b')

legend('besselj(0.x)'. 'besselj(l.x)' ,'besse1j(2,x)'. ⁽besselj(3,x)');

Рис. 9.1 иллюстрирует построение четырех функций Бесселя bessel j(n,x) для п-0, 1, 2 и 3 с легендой, облегчающей идентификацию каждой кривой рисунка.

Рис. 9.1. Графики четырех функций Бесселя besselj(n,x)

Эти графики дают наглядное представление о поведении функций Бесселя, широко используемых при анализе поведения систем, описываемых линейными дифференциальными уравнениями второго порядка. 

Бета-функция и ее варианты

Бета-функция определяется как

где Г (z) — гамма-функция. Неполная бета-функция определяется по формуле

• beta(Z.W) — возвращает бета-функцию для соответствующих элементов комплексных массивов Z и W. Массивы должны быть одинакового размера (или одна из величин может быть скаляром).

• beta i nc ( X , Z , W ) — возвращает неполную бета-функцию. Элементы X должны быть в закрытом интервале [0, 1].

• beta 1 п ( Z , W ) — возвращает натуральный логарифм бета-функции log ( beta ( Z , W ) ) , без вычисления beta(Z.W). Так как сама бета-функция может принимать очень большие или очень малые значения, функция betaln(Z.W) иногда более полезна, так как позволяет избежать переполнения.

Пример:

» format rat;beta((l:10)⁴,4) 

ans=

1/4

1/20

1/60

1/140

1/280

1/504

1/840

1/1320

1/1980

1/2860

Эллиптические функции и интегралы

Эллиптические функции Якоби определяются интегралом и соотношениями

сn(u) = cos ф,

cn(u)=cosф,

dn(u) = (1-sin²ф)^1/2, 

аm(u) = ф.

В некоторых случаях при определении эллиптических функций используются модули k вместо параметра гл. Они связаны выражением k = т = sin a .

• [SN.CN.DN] = ellipj(U.M) — возвращает эллиптические функции Якоби SN, CN и . DN, вычисленные для соответствующих элементов — аргумента U и параметра М. Входные величины U и М должны иметь один и тот же размер (или любая из них может быть скаляром).

• [SN.CN.DN] = ellipj(U,M,to1) — возвращает эллиптическую функцию Якоби, вычисленную с точностью tol . Значение tol по умолчанию — eps; его можно увеличить, тогда результат будет вычислен быстрее, но с меньшей точностью. Пример:

» [SN.CN.DN]=ellipj([23.1].[0.5.0.2])

Полные эллиптические интегралы первого и второго рода определяются следующим образом:

• ellipke(M) — возвращает полный эллиптический интеграл первого рода для элементов М.

• [К.Е] = ellipke(M) — возвращает полные эллиптические интегралы первого и второго рода.

• [К.Е] = ellipke(M.tol) — возвращает эллиптические функции Якоби, вычисленные с точностью tol. Значение по умолчанию — eps; его можно увеличить, тогда результат будет вычислен быстрее, но с меньшей точностью. Пример:

» [f.e]=ellipke([0.2.0.8])

 f =

707/426 1018/451

 е =

679/456 515/437

Для вычисления этих функций используется итерационный метод арифметико-геометрического среднего (см. детали в Reference Book по системе MATLAB).

Функции ошибки

Функция ошибки определяется следующим образом:

• erf(X) — возвращает значение функции ошибки для каждого элемента вещественного массива X. Дополнительная (остаточная) функция ошибки задается соотношением

• erfc(X) — возвращает значение остаточной функции ошибки.

• erfcx(X) — возвращает значение масштабированной остаточной функции ошибки. Эта функция определяется так:

егfсх(х) = е^х erfc(x).

• erfinv(Y) — возвращает значение обратной функции ошибки для каждого элемента массива Y. Элементы массива Y должны лежать в области -1<Y<1. Примеры:

» Y=[0.2,-0.3];a=erf(Y)

 а =

0.2227 -0.3286

» b=erfc(Y) 

b =

0.7773 1.3286

» c=erfcx(Y) 

с =

0.8090 1.4537

» d=erfinv(Y) 

d =

0.1791 -0.2725

При вычислении данных функций используется аппроксимация по Чебышеву (см. детали алгоритма в Reference Book no MATLAB).

Интегральная показательная функция

Интегральная показательная функция определяется следующим образом:

• expint(X) — возвращает интегральную показательную функцию для каждого

элемента X. Пример:

» d=expint([2,3+7i]} 

d =

0.0489 -0.0013 -0.00601

Для вычисления этой функции используется ее разложение в ряд.

Гамма-функция и ее варианты

Гамма-функция определяется выражением

Неполная гамма-функция определяется как

• gamma (А) — возвращает гамма-функцию элементов А. Аргумент А должен быть вещественным.

• gamma iпс(X,А) — возвращает неполную гамма-функцию соответствующих элементов X и А. Аргументы X и А должны быть вещественными и иметь одинаковый размер (или любой из них может быть скалярным).
  gammaln(A) —возвращает логарифмическую гамма-функцию, gammaln(A) = 1og(gamma(A)). Команда gammaln позволяет избежать переполнения, которое может происходить, если вычислять логарифмическую гамма-функцию непосредственно, используя 1og(gamma(A)).

Примеры:

» f=[5.3];d=gamma(f)

 d =

24 2 » h=gammaln(f) 

h =

3.1781 0.6931

Гамма-функция имеет довольно сложный», график, заслуживающий построения (рис. 9.2).

Рис. 9.2. График гамма-функции

Это можно осуществить с помощью следующего файла-сценария:

%Ganrna- function graphicclear syms x

ezplot(gamma(x).[-4 4]) grid on

Гамма-функция вычисляется по известному алгоритму W. J. Kody (1989 г.). Для вычисления неполной гамма-функции используются рекуррентные формулы.

Ортогональные полиномы Лежандра

Функция Лежандра определяется следующим образом:

где Рn(*) — полином Лежандра степени п, рассчитываемый как

• legendre(n.X) —возвращает функции Лежандра степени п и порядков m = 0,1..... n, вычисленные для элементов X. Аргумент п должен быть скалярным целым числом, не превосходящим 256, а X должен содержать действительные значения в области -UxJl. Возвращаемый массив Р имеет большую размерность, чем X, и каждый элемент P(m+l,dl,d2...) содержит связанную функцию Лежандра степени п и порядка т, вычисленную в точках X(dl,d2...).

• 1egendre(n,X, 'sch') — возвращает квазинормализованные по Шмидту функции Лежандра.

Пример:

» g=rand(3.2);legendre(3,g)

ans(:.:.2) =

-0.4472-0.34040.0538

0.0150 -1.0567 -1.9562

5.3514 5.7350 4.4289

-10.7782 -7.3449 -3.4148

Что нового мы узнали?

В этом уроке мы научились:

• Вычислять функции Эйри.

• Вычислять функции Бесселя разного рода.

• Вычислять бета-функцию и ее варианты.

• Использовать эллиптические функции и интегралы.

• Вычислять функции ошибки.

• Вычислять интегральные показательные функции.

• Вычислять гамма-функцию и ее варианты.

• Использовать ортогональные полиномы Лежандра.