1

المرجع الالكتروني للمعلوماتية

تاريخ الرياضيات

الاعداد و نظريتها

تاريخ التحليل

تار يخ الجبر

الهندسة و التبلوجي

الرياضيات في الحضارات المختلفة

العربية

اليونانية

البابلية

الصينية

المايا

المصرية

الهندية

الرياضيات المتقطعة

المنطق

اسس الرياضيات

فلسفة الرياضيات

مواضيع عامة في المنطق

الجبر

الجبر الخطي

الجبر المجرد

الجبر البولياني

مواضيع عامة في الجبر

الضبابية

نظرية المجموعات

نظرية الزمر

نظرية الحلقات والحقول

نظرية الاعداد

نظرية الفئات

حساب المتجهات

المتتاليات-المتسلسلات

المصفوفات و نظريتها

المثلثات

الهندسة

الهندسة المستوية

الهندسة غير المستوية

مواضيع عامة في الهندسة

التفاضل و التكامل

المعادلات التفاضلية و التكاملية

معادلات تفاضلية

معادلات تكاملية

مواضيع عامة في المعادلات

التحليل

التحليل العددي

التحليل العقدي

التحليل الدالي

مواضيع عامة في التحليل

التحليل الحقيقي

التبلوجيا

نظرية الالعاب

الاحتمالات و الاحصاء

نظرية التحكم

بحوث العمليات

نظرية الكم

الشفرات

الرياضيات التطبيقية

نظريات ومبرهنات

علماء الرياضيات

500AD

500-1499

1000to1499

1500to1599

1600to1649

1650to1699

1700to1749

1750to1779

1780to1799

1800to1819

1820to1829

1830to1839

1840to1849

1850to1859

1860to1864

1865to1869

1870to1874

1875to1879

1880to1884

1885to1889

1890to1894

1895to1899

1900to1904

1905to1909

1910to1914

1915to1919

1920to1924

1925to1929

1930to1939

1940to the present

علماء الرياضيات

الرياضيات في العلوم الاخرى

بحوث و اطاريح جامعية

هل تعلم

طرائق التدريس

الرياضيات العامة

نظرية البيان

الرياضيات : التحليل : التحليل العقدي :

Airy Functions

المؤلف:  Abramowitz, M. and Stegun, I. A. (Eds.)

المصدر:  "Airy Functions." §10.4 in Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs, and Mathematical Tables, 9th printing. New York: Dover

الجزء والصفحة:  ...

18-11-2018

726

Airy Functions

There are four varieties of Airy functions: Ai(z)Bi(z)Gi(z), and Hi(z). Of these, Ai(z) and Bi(z) are by far the most common, with Gi(z) and Hi(z) being encountered much less frequently. Airy functions commonly appear in physics, especially in optics, quantum mechanics, electromagnetics, and radiative transfer.

 

Ai(z) and Bi(z) are entire functions.

 

A generalization of the Airy function was constructed by Hardy.

AiryAiBi

The Airy function Ai(x) and Bi(x) functions are plotted above along the real axis.

The Ai(z) and Bi(z) functions are defined as the two linearly independent solutions to

(1)

(Abramowitz and Stegun 1972, pp. 446-447; illustrated above), written in the form

 y(z)=AAi(z)+BBi(z),

(2)

where

Ai(z) = 1/(3^(2/3)Gamma(2/3))_0F_1(;2/3;1/9z^3)-z/(3^(1/3)Gamma(1/3))_0F_1(;4/3;1/9z^3)

(3)

Bi(z) = 1/(3^(1/6)Gamma(2/3))_0F_1(;2/3;1/9z^3)+(3^(1/6)z)/(Gamma(1/3))_0F_1(;4/3;1/9z^3),

(4)

where _0F_1(;a;z) is a confluent hypergeometric limit function. These functions are implemented in the Wolfram Language as AiryAi[z] and AiryBi[z]. Their derivatives are implemented as AiryAiPrime[z] and AiryBiPrime[z].

For the special case x>0, the functions can be written as

Ai(x) = 1/3sqrt(x)[I_(-1/3)(2/3x^(3/2))-I_(1/3)(2/3x^(3/2))]

(5)

= 1/pisqrt(x/3)K_(1/3)(2/3x^(3/2))

(6)

Bi(x) = sqrt(x/3)[I_(-1/3)(2/3x^(3/2))+I_(1/3)(2/3x^(3/2))],

(7)

where I(x) is a modified Bessel function of the first kind and K(x) is a modified Bessel function of the second kind.

AiryAiReImAbs
 
 
  Min   Max    
  Re    
  Im      

Plots of Ai(z) in the complex plane are illustrated above.

AiryBiReImAbs
 
 
  Min   Max    
  Re    
  Im      

Similarly, plots of Bi(z) appear above.

The Airy Ai(z) function is given by the integral

 Ai(z)=1/(2pi)int_(-infty)^inftye^(i(zt+t^3/3))dt

(8)

and the series

Ai(z) = 1/(3^(2/3)pi)sum_(n=0)^(infty)(Gamma(1/3(n+1)))/(n!)(3^(1/3)z)^nsin[(2(n+1)pi)/3]

(9)

Bi(z) = 1/(3^(1/6)pi)sum_(n=0)^(infty)(Gamma(1/3(n+1)))/(n!)(3^(1/3)z)^n|sin[(2(n+1)pi)/3]|

(10)

(Banderier et al. 2000).

For z=0,

Ai(0) = 1/(3^(2/3)Gamma(2/3))

(11)

Bi(0) = 1/(3^(1/6)Gamma(2/3)),

(12)

where Gamma(z) is the gamma function. Similarly,

= -1/(3^(1/3)Gamma(1/3))

(13)

= (3^(1/6))/(Gamma(1/3)).

(14)

The asymptotic series of Ai(z) has a different form in different quadrants of the complex plane, a fact known as the stokes phenomenon.

AiryGiReImAiryGiContoursAiryHiReImAiryHiContours

Functions related to the Airy functions have been defined as

Gi(z) = 1/piint_0^inftysin(1/3t^3+zt)dt

(15)

= 1/3Bi(z)+int_0^z[Ai(z)Bi(t)-Ai(t)Bi(z)]dt

(16)

= 1/3Bi(z)-(z^2_1F_2(1;4/3,5/3;1/9z^3))/(2pi)

(17)

Hi(z) = 1/piint_0^inftyexp(-1/3t^3+zt)dt

(18)

= 2/3Bi(z)+int_0^z[Ai(t)Bi(z)-Ai(z)Bi(t)]dt

(19)

= 2/3Bi(z)+(_1F_2(1;4/3,5/3;1/9z^3)z^2)/(2pi),

(20)

where _pF_q is a generalized hypergeometric function.

Watson (1966, pp. 188-190) gives a slightly more general definition of the Airy function as the solution to the Airy differential equation

(21)

which is finite at the origin, where  denotes the derivative dPhi/dzk^2=1/3, and either sign is permitted. Call these solutions (1/pi)Phi(+/-k^2,z), then

 1/piPhi(+/-1/3;z)=int_0^inftycos(t^3+/-zt)dt

(22)

Phi(1/3;z) = 1/3pisqrt(z/3)[J_(-1/3)((2z^(3/2))/(3^(3/2)))+J_(1/3)((2z^(3/2))/(3^(3/2)))]

(23)

Phi(-1/3;z) = 1/3pisqrt(z/3)[I_(-1/3)((2z^(3/2))/(3^(3/2)))-I_(1/3)((2z^(3/2))/(3^(3/2)))],

(24)

where J(z) is a Bessel function of the first kind. Using the identity

 K_n(z)=pi/2(I_(-n)(z)-I_n(z))/(sin(npi)),

(25)

where K(z) is a modified Bessel function of the second kind, the second case can be re-expressed

Phi(-1/3;z) = 1/3pisqrt(z/3)2/pisin(1/3pi)K_(1/3)((2z^(3/2))/(3^(3/2)))

(26)

= pi/3sqrt(z/3)2/pi(sqrt(3))/2K_(1/3)((2z^(3/2))/(3^(3/2)))

(27)

= 1/3sqrt(z)K_(1/3)((2z^(3/2))/(3^(3/2))).

(28)


REFERENCES:

Abramowitz, M. and Stegun, I. A. (Eds.). "Airy Functions." §10.4 in Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs, and Mathematical Tables, 9th printing. New York: Dover, pp. 446-452, 1972.

Banderier, C.; Flajolet, P.; Schaeffer, G.; and Soria, M. "Planar Maps and Airy Phenomena." In Automata, Languages and Programming. Proceedings of the 27th International Colloquium (ICALP 2000) held at the University of Geneva, Geneva, July 9-15, 2000 (Ed. U. Montanari, J. D. P. Rolim, and E. Welzl). Berlin: Springer, pp. 388-402, 2000.

Press, W. H.; Flannery, B. P.; Teukolsky, S. A.; and Vetterling, W. T. "Bessel Functions of Fractional Order, Airy Functions, Spherical Bessel Functions." §6.7 in Numerical Recipes in FORTRAN: The Art of Scientific Computing, 2nd ed. Cambridge, England: Cambridge University Press, pp. 234-245, 1992.

Sloane, N. J. A. Sequences A096714 and A096715 in "The On-Line Encyclopedia of Integer Sequences."

Spanier, J. and Oldham, K. B. "The Airy Functions Ai(x) and Bi(x)." Ch. 56 in An Atlas of Functions. Washington, DC: Hemisphere, pp. 555-562, 1987.

Watson, G. N. A Treatise on the Theory of Bessel Functions, 2nd ed. Cambridge, England: Cambridge University Press, 1966.

EN

تصفح الموقع بالشكل العمودي