Funkcja eliptyczna Jacobiego
W matematyce , funkcji eliptycznych Jacobiego są eliptyczne funkcje wielkiego historycznego znaczenia.
Wprowadzone przez Carla Gustava Jakoba Jacobiego około 1830 roku mają bezpośrednie zastosowanie, na przykład w równaniu wahadła . Przedstawiają także analogie z funkcjami trygonometrycznymi , na co zwraca uwagę wybór notacji sn i cn , które przypominają sin i cos . Jeśli eliptyczne funkcje theta Weierstrassa wydają się lepiej dostosowane do rozważań teoretycznych, praktyczne problemy fizyczne wymagają bardziej funkcji Jacobiego.
Wprowadzenie
Istnieje 12 eliptycznych funkcji Jacobiego.
Są to funkcje zmiennej złożonej, ale zależne od parametru elementu k wynoszącego] 0,1 [, implikowane w notacjach. k nazywa się modułem funkcji Jacobiego. Za pomocą tego parametru k , kojarzy nam się z dwóch liczb K i K ' , określone przez eliptycznych całek i , a także liczby , zwane comodule .
K.=∫0π/2reθ1-k2grzech2θ{\ Displaystyle K = \ int _ {0} ^ {\ pi / 2} {\ Frac {\ mathrm {d} \ theta} {\ sqrt {1-k ^ {2} \ sin ^ {2} \ theta} }}}K.′=∫0π/2reθ1-(1-k2)grzech2θ{\ Displaystyle K '= \ int _ {0} ^ {\ pi / 2} {\ Frac {\ mathrm {d} \ theta} {\ sqrt {1- (1-k ^ {2}) \ sin ^ { 2} \ theta}}}}k′=1-k2{\ displaystyle k '= {\ sqrt {1-k ^ {2}}}}
Na płaszczyźnie zespolonej mamy prostokąt, którego cztery wierzchołki są umownie oznaczane jako s , c , d i n , tak że s jest na początku, c w punkcie odciętej K na osi rzeczywistej, d w punkcie afiksu zespolonego
K + i K „a n w punkcie umieszczają ı k” na osi urojonej.
Nazwa każdej z funkcji Jacobiego jest następnie powiązana z parą utworzoną przez dwa wierzchołki prostokąta. Zatem nazwy 12 eliptycznych funkcji Jacobiego to: sc , sd , sn , cd , cn , cs , dn , ds , dc , ns , nc i nd .
Dla dowolnego wierzchołka p spośród czterech wierzchołków s c d n i dla dowolnego wierzchołka q wziętego spośród trzech pozostałych wierzchołków, funkcja Jacobiego pq jest jedyną funkcją zmiennej zespolonej, która jest podwójnie okresowa i meromorficzna , i która spełnia następujące właściwości :
- Przyjmuje proste zero na wierzchołku p i prosty biegun na wierzchołku q .
- Jest okresowy o okresie 4 K według osi rzeczywistej i okresowy o okresie 4 K ' według urojonej osi. Liczby K i K ' nazywane są „okresami kwartalnymi”.
- Jest okresowy w kierunku pq , z okresem dwukrotnie większym od odległości p do q .
- Współczynnik pierwszego członu jego rozwoju szeregowego w sąsiedztwie u = 0 ma wartość 1. Innymi słowy, ten pierwszy człon ma wartość u , 1 / u lub 1 w zależności od tego, czy wierzchołek odpowiadający u = 0 jest zero, biegun lub zwykły punkt funkcji.
W bardziej ogólnym ujęciu k jest złożone, podobnie jak K i K ' , a my pracujemy na równoległoboku. Jeśli jednak K i K ' są rzeczywiste, eliptyczne funkcje Jacobiego przyjmują wartości rzeczywiste, gdy są stosowane do zmiennej rzeczywistej.
Definicja
Wśród dwunastu funkcji Jacobiego są trzy, zwane podstawowymi funkcjami Jacobiego. Są to sn , cn i dn . Na ich podstawie definiujemy inne funkcje Jacobiego. Aby zdefiniować trzy podstawowe funkcje, wprowadzamy funkcję pośrednią, funkcję amplitudy Jacobiego.
Niekompletna całka eliptyczna pierwszego rodzaju i funkcji amplitudy
Przypomnijmy, że niepełna całka eliptyczna pierwszego rodzaju związana z modułem k jest rosnącą nieparzystą funkcją liczb rzeczywistych określonych przez:
fa(w,k)=∫0wrex1-k2grzech2x{\ Displaystyle F (a, k) = \ int _ {0} ^ {a} {\ Frac {\ mathrm {d} x} {\ sqrt {1-k ^ {2} \ sin ^ {2} x} }}}Zauważamy, że zdefiniowana wcześniej stała K to nic innego jak . Nazywa się to całkowitą całką eliptyczną pierwszego rodzaju .
fa(π2,k){\ Displaystyle F ({\ Frac {\ pi} {2}}, k)}
Funkcję amplitudy Jacobiego nazywamy odwrotnością funkcji F , oznaczonej przez A :
u=fa(w,k)⟺w=W(u,k){\ Displaystyle u = F (a, k) \ iff a = A (u, k)}To samo dziwne i rosnące na realne i wzrasta gatunku gdy u wzrasta o 2 K .
Trzy podstawowe funkcje Jacobiego (1827)
Są zdefiniowane w następujący sposób:
- funkcja sinus Jacobi : . Na rzeczywiste, to jest okresowa o okresie 4 K .snie(u,k)=grzech(W(u,k)){\ Displaystyle {\ rm {sn}} (u, k) = \ sin (A (u, k))}
- funkcja cosinus Jacobi : . Na rzeczywiste, to jest okresowa o okresie 4 K .vsnie(u,k)=sałata(W(u,k)){\ Displaystyle {\ rm {CN}} (u, k) = \ cos (A (u, k))}
- Funkcja dn Jacobi : . Na rzeczywiste, to jest okresowa o okresie 2 K .renie(u,k)=1-k2snie(u,k)2{\ Displaystyle {\ rm {dn}} (u, k) = {\ sqrt {1-k ^ {2} {\ rm {sn}} (u, k) ^ {2}}}}
sn jest funkcją nieparzystą, podczas gdy cn i dn są parzyste.
Przypadki graniczne
Znajdujemy kołowe i hiperboliczne funkcje trygonometryczne dla wartości granicznych 0 i 1 k :
- Jeśli k = 0, znajdujemy zwykłą trygonometrię. W istocie , , i k ' są przesyłane do nieskończoności. sn jest sinusem, cn cosinusem i dn funkcją stałą 1.fa(w,0)=w{\ displaystyle F (a, 0) = a}W(u)=u{\ Displaystyle A (u) = u}K.=π2{\ Displaystyle K = {\ Frac {\ pi} {2}}}
- Jeśli k = 1, widzimy, że pojawiają się funkcje trygonometrii hiperbolicznej. Rzeczywiście, więc ( wzór Gudermanna ), K jest wysyłane do nieskończoności i . sn to funkcja tanh , cn i dn to funkcja 1 / cosh .u=fa(w,1)=wrsoltgodz(grzech(w)){\ Displaystyle u = F (a, 1) = {\ rm {argth}} (\ sin (a))}grzech(w)=tanh(u){\ Displaystyle \ sin (a) = \ tanh (u)}K.′=π2{\ displaystyle K '= {\ frac {\ pi} {2}}}
Pozostałe funkcje
Gudermann (1838), a następnie Glaisher (1882) przedstawi dziewięć innych funkcji:
nies(u,k)=1snie(u,k){\ Displaystyle {\ rm {ns}} (u, k) = {\ frac {1} {{\ rm {sn}} (u, k)}}}, ,
nievs(u,k)=1vsnie(u,k){\ Displaystyle {\ rm {nc}} (u, k) = {\ frac {1} {{\ rm {cn}} (u, k)}}}niere(u,k)=1renie(u,k){\ Displaystyle {\ rm {nd}} (u, k) = {\ frac {1} {{\ rm {dn}} (u, k)}}}
svs(u,k)=snie(u,k)vsnie(u,k){\ Displaystyle {\ rm {sc}} (u, k) = {\ Frac {{\ rm {sn}} (u, k)} {{\ rm {cn}} (u, k)}}},
vss(u,k)=vsnie(u,k)snie(u,k){\ Displaystyle {\ rm {cs}} (u, k) = {\ Frac {{\ rm {cn}} (u, k)} {{\ rm {sn}} (u, k)}}}
sre(u,k)=snie(u,k)renie(u,k){\ Displaystyle {\ rm {sd}} (u, k) = {\ Frac {{\ rm {sn}} (u, k)} {{\ rm {dn}} (u, k)}}},
res(u,k)=renie(u,k)snie(u,k){\ Displaystyle {\ rm {ds}} (u, k) = {\ Frac {{\ rm {dn}} (u, k)} {{\ rm {sn}} (u, k)}}}
vsre(u,k)=vsnie(u,k)renie(u,k){\ Displaystyle {\ rm {cd}} (u, k) = {\ Frac {{\ rm {cn}} (u, k)} {{\ rm {dn}} (u, k)}}},
revs(u,k)=renie(u,k)vsnie(u,k){\ Displaystyle {\ rm {DC}} (u, k) = {\ Frac {{\ rm {dn}} (u, k)} {{\ rm {cn}} (u, k)}}}
Funkcje wzajemne
Możemy zdefiniować odwrotne funkcje funkcji eliptycznych Jacobiego, dla x między -1 a 1:
- Wrvssnie(x,k)=∫0xret(1-t2)(1-k2t2){\ Displaystyle \ mathrm {Arcsn} \, (x, k) = \ int _ {0} ^ {x} {\ Frac {\ mathrm {d} t} {\ sqrt {(1-t ^ {2}) (1-k ^ {2} t ^ {2})}}}}
- Wrvsvsnie(x,k)=∫x1ret(1-t2)(1-k2+k2t2){\ Displaystyle \ mathrm {Arccn} \, (x, k) = \ int _ {x} ^ {1} {\ Frac {\ mathrm {d} t} {\ sqrt {(1-t ^ {2}) (1-k ^ {2} + k ^ {2} t ^ {2})}}}}
Formularz
Niezwykłe wartości
Dla rzeczywistych wartości zmiennej:
- dla u = 0 mamysn(0)=0,cn(0)=1,dn(0)=1.{\ Displaystyle {\ tekst {sn}} (0) = 0, \, {\ tekst {CN}} (0) = 1, \, {\ tekst {dn}} (0) = 1.}
- dla u = K / 2 mamysn(K.2)=11+k′,cn(K.2)=k′1+k′,dn(K.2)=k′.{\ Displaystyle {\ text {sn}} \ lewo ({\ Frac {K} {2}} \ prawej) = {\ Frac {1} {\ sqrt {1 + k '}}}, \, {\ tekst {cn}} \ left ({\ frac {K} {2}} \ right) = {\ sqrt {\ frac {k '} {1 + k'}}}, \, {\ text {dn}} \ left ({\ frac {K} {2}} \ right) = {\ sqrt {k '}}.}
- dla u = K mamysn(K.)=1,cn(K.)=0,dn(K.)=k′{\ Displaystyle {\ tekst {sn}} (K) = 1, \, {\ tekst {CN}} (K) = 0, \, {\ tekst {dn}} (K) = k '}
Pochodne
Pochodne podstawowych funkcji to:
W′(u)=dn(u){\ Displaystyle A '(u) = {\ tekst {dn}} (u)}
sn′(u)=cn(u)dn(u){\ Displaystyle {\ text {sn}} '(u) = {\ tekst {CN}} (u) {\ tekst {dn}} (u)}
cn′(u)=-sn(u)dn(u){\ Displaystyle {\ tekst {CN}} '(u) = - {\ tekst {sn}} (u) {\ tekst {dn}} (u)}
dn′(u)=-k2sn(u)cn(u){\ Displaystyle {\ tekst {dn}} '(u) = - k ^ {2} {\ tekst {sn}} (u) {\ tekst {cn}} (u)}
Tłumaczenie
Mamy następujące relacje:
- sn(u+K.)=cn(u)dn(u){\ Displaystyle {\ text {sn}} (u + K) = {\ Frac {{\ tekst {cn}} (u)} {{\ tekst {dn}} (u)}} \,}
- cn(u+K.)=-k′sn(u)dn(u){\ Displaystyle {\ tekst {CN}} (u + K) = - k '{\ Frac {{\ tekst {sn}} (u)} {{\ tekst {dn}} (u)}}}
- dn(u+K.)=k′dn(u){\ Displaystyle {\ tekst {dn}} (u + K) = {\ Frac {k '} {{\ tekst {dn}} (u)}} \,}
- sn(u+2K.)=-sn(u){\ Displaystyle {\ text {sn}} (u + 2 k) = - {\ tekst {sn}} (u)}
- cn(u+2K.)=-cn(u){\ Displaystyle {\ tekst {CN}} (u + 2K) = - {\ tekst {CN}} (u)}
- dn(u+2K.)=dn(u){\ displaystyle {\ text {dn}} (u + 2K) = {\ tekst {dn}} (u)}
Relacje trygonometryczne
Dodanie
Dostępne są następujące wzory dodawania, uogólniające wzory trygonometryczne dodawania:
- sn(u+v)=sn(u)cn(v)dn(v)+sn(v)cn(u)dn(u)1-k2sn2(u)sn2(v){\ Displaystyle {\ tekst {sn}} (u + v) = {\ Frac {{\ tekst {sn}} (u) {\ tekst {cn}} (v) {\ tekst {dn}} (v) + {\ text {sn}} (v) {\ text {cn}} (u) {\ text {dn}} (u)} {1-k ^ {2} {\ text {sn}} ^ {2 } (u) {\ text {sn}} ^ {2} (v)}}}
- cn(u+v)=cn(u)cn(v)-sn(u)dn(u)sn(v)dn(v)1-k2sn2(u)sn2(v){\ Displaystyle {\ tekst {CN}} (u + v) = {\ Frac {{\ tekst {CN}} (u) {\ tekst {cn}} (v) - {\ tekst {sn}} (u ) {\ text {dn}} (u) {\ text {sn}} (v) {\ text {dn}} (v)} {1-k ^ {2} {\ text {sn}} ^ {2 } (u) {\ text {sn}} ^ {2} (v)}}}
- dn(u+v)=dn(u)dn(v)-k2sn(u)cn(u)sn(v)cn(v)1-k2sn2(u)sn2(v){\ Displaystyle {\ tekst {DN}} (u + v) = {\ Frac {{\ tekst {DN}} (u) {\ tekst {dn}} (v) -k ^ {2} {\ tekst { sn}} (u) {\ text {cn}} (u) {\ text {sn}} (v) {\ text {cn}} (v)} {1-k ^ {2} {\ text {sn }} ^ {2} (u) {\ text {sn}} ^ {2} (v)}}}
Kwadraty
- sn2(u)+cn2(u)=1{\ Displaystyle {\ tekst {sn}} ^ {2} (u) + {\ tekst {cn}} ^ {2} (u) = 1 \,}
- k2sn2(u)+dn2(u)=1{\ Displaystyle k ^ {2} {\ tekst {sn}} ^ {2} (u) + {\ tekst {dn}} ^ {2} (u) = 1 \,}
-
k2cn2(u)+k′2=dn2(u){\ Displaystyle k ^ {2} {\ tekst {cn}} ^ {2} (u) + k '^ {2} = {\ tekst {dn}} ^ {2} (u) \,}z tym uzupełnienie modułu k .k′=1-k2{\ displaystyle k '= {\ sqrt {1-k ^ {2}}}}
- cn2(u)+k′2sn2(u)=dn2(u){\ Displaystyle {\ tekst {CN}} ^ {2} (u) + k '^ {2} {\ tekst {sn}} ^ {2} (u) = {\ tekst {dn}} ^ {2} (u) \,}
Przekształca kwadraty w podwójne łuki
- sn2(u)=1-cn(2u)1+dn(2u){\ Displaystyle {\ tekst {sn}} ^ {2} (u) = {\ Frac {1 - {\ tekst {CN}} (2u)} {1 + {\ tekst {dn}} (2u)}} }
- cn2(u)=dn(2u)+cn(2u)1+dn(2u){\ Displaystyle {\ tekst {CN}} ^ {2} (u) = {\ Frac {{\ tekst {dn}} (2u) + {\ tekst {cn}} (2u)} {1 + {\ tekst {dn}} (2u)}}}
- dn2(u)=dn(2u)+cn(2u)1+cn(2u){\ Displaystyle {\ tekst {DN}} ^ {2} (u) = {\ Frac {{\ tekst {DN}} (2u) + {\ tekst {cn}} (2u)} {1 + {\ tekst {cn}} (2u)}}}
Równania różniczkowe
Zasady wyprowadzania funkcji Jacobiego pozwalają wykazać, że sn , cn i dn są odpowiednio rozwiązaniami następujących równań różniczkowych:
-
sn :x¨+(1+k2)x-2k2x3=0{\ Displaystyle {\ ddot {x}} + (1 + k ^ {2}) x-2k ^ {2} x ^ {3} = 0}
-
cn :x¨+(1-2k2)x+2k2x3=0{\ Displaystyle {\ ddot {x}} + (1-2k ^ {2}) x + 2k ^ {2} x ^ {3} = 0}
-
dn :x¨-(2-k2)x+2x3=0{\ Displaystyle {\ ddot {x}} - (2-k ^ {2}) x + 2x ^ {3} = 0}
Aplikacje
Proste wahadło wahadłowe
Rozważymy proste wahadło o długości l , oscylujące w polu grawitacyjnym g . Niech θ będzie kątem, jaki tworzy z opadającym pionem, a θ 0 jego maksymalną amplitudą. θ spełnia równanie ruchu (wynikające z zachowania energii mechanicznej wahadła):
θ˙2=2soll(sałataθ-sałataθ0){\ Displaystyle {{\ kropka {\ theta}} ^ {2}} = 2 {\ Frac {g} {l}} (\ cos \ theta - \ cos \ theta _ {0})}Rozwiązanie tego równania, które znika w czasie t = 0, weryfikuje:
grzech(θ2)=grzech(θ02)snie(ω0t,k){\ Displaystyle \ sin \ lewo ({\ Frac {\ theta} {2}} \ prawej) = \ sin \ lewo ({\ Frac {\ theta _ {0}} {2}} \ prawej) \ \ mathrm {sn} (\ omega _ {0} t, k)}gdzie moduł funkcji Jacobiego otrzymał wartość , a gdzie jest pulsacja prostego wahadła dla małych amplitud.
k=grzech(θ02){\ Displaystyle k = \ sin \ lewo ({\ Frac {\ theta _ {0}} {2}} \ prawej)}ω0=soll{\ displaystyle \ omega _ {0} = {\ sqrt {\ frac {g} {l}}}}
Demonstracja
Sprawdźmy, czy zaproponowane rozwiązanie θ spełnia równanie ruchu. Wyprowadzamy równość względem czasu, co daje:
grzech(θ2)=grzech(θ02)snie(ω0t)=ksnie(ω0t){\ Displaystyle \ sin \ lewo ({\ Frac {\ theta} {2}} \ prawej) = \ sin \ lewo ({\ Frac {\ theta _ {0}} {2}} \ prawej) \ \ mathrm {sn} (\ omega _ {0} t) = k \, \ mathrm {sn} (\ omega _ {0} t)}
12sałata(θ2)θ˙=kω0vsnie(ω0t)renie(ω0t){\ Displaystyle {\ Frac {1} {2}} \ cos \ lewo ({\ Frac {\ theta} {2}} \ prawej) \, {\ kropka {\ theta}} = k \, \ omega _ { 0} \, \ mathrm {cn} (\ omega _ {0} t) \, \ mathrm {dn} (\ omega _ {0} t)}Podnieśliśmy do kwadratu i wyrażamy cn i dn w postaci sn , a następnie używamy tożsamości trygonometrycznych:
14sałata2(θ2)θ˙2=k2ω02(1-snie2(ω0t))(1-k2snie2(ω0t))=ω02(k2-k2snie2(ω0t))(1-grzech2(θ2))=ω02(grzech2(θ02)-grzech2(θ2))sałata2(θ2)=ω02sałataθ-sałataθ02sałata2(θ2){\ Displaystyle {\ rozpocząć {wyrównane} {\ Frac {1} {4}} \ cos ^ {2} \ lewo ({\ Frac {\ theta} {2}} \ prawej) {\ kropka {\ theta}} ^ {2} & = k ^ {2} \ omega _ {0} ^ {2} \ left (1- \ mathrm {sn} ^ {2} (\ omega _ {0} t) \ right) \ left ( 1-k ^ {2} \ mathrm {sn} ^ {2} (\ omega _ {0} t) \ right) \\ & = \ omega _ {0} ^ {2} \ left (k ^ {2} -k ^ {2} \, \ mathrm {sn} ^ {2} (\ omega _ {0} t) \ right) \ left (1- \ sin ^ {2} \ left ({\ frac {\ theta} {2}} \ right) \ right) \\ & = \ omega _ {0} ^ {2} \ left (\ sin ^ {2} \ left ({\ frac {\ theta _ {0}} {2} } \ right) - \ sin ^ {2} \ left ({\ frac {\ theta} {2}} \ right) \ right) \ cos ^ {2} \ left ({\ frac {\ theta} {2} } \ right) \\ & = \ omega _ {0} ^ {2} {\ frac {\ cos \ theta - \ cos \ theta _ {0}} {2}} \ cos ^ {2} \ left ({ \ frac {\ theta} {2}} \ right) \\\ end {aligned}}}Wiedząc to , wracamy do zdrowia .
ω0=soll{\ displaystyle \ omega _ {0} = {\ sqrt {\ frac {g} {l}}}}θ˙2=2soll(sałataθ-sałataθ0){\ Displaystyle {{\ kropka {\ theta}} ^ {2}} = 2 {\ Frac {g} {l}} (\ cos \ theta - \ cos \ theta _ {0})}
Z powyższego obliczenia wynika również, że:
θ˙=2kω0vsnie(ω0t){\ Displaystyle {\ kropka {\ theta}} = 2k \, \ omega _ {0} \, \ mathrm {cn} (\ omega _ {0} t)}
Okres wahadła jest . Funkcja amplitudy rośnie wraz z t i odgrywa rolę „skali czasu” dostosowanej do problemu: dla każdego okresu czasu rzeczywistego wahadła amplituda wzrośnie o 2π . Aizochroniczność ruchu jest oczywista, ponieważ okres wahadła zależy od modułu k , a więc od θ 0 .
T=4K.(k)ω0{\ Displaystyle T = {\ Frac {4 K (k)} {\ omega _ {0}}}}W(ω0t,k){\ Displaystyle A (\ omega _ {0} t, k)}
Dla małych oscylacji k jest bardzo małe, więc funkcja sn jest podobna do sinusa. Przybliżając sinus θ przez θ i robiąc to samo dla θ 0 , znajdujemy formułę klasyczną .
θ=θ0grzech(ω0t){\ Displaystyle \ theta = \ theta _ {0} \ sin (\ omega _ {0} t)}
Kiedy θ 0 zmierza do π , k dąży do 1, a K ( k ) dąży do nieskończoności jako . Jeśli T 0 jest okresem prostego wahadła dla małych oscylacji, to okres wahadła staje się:
ln(41-k2){\ Displaystyle \ ln \ lewo ({\ Frac {4} {\ sqrt {1-k ^ {2}}}} \ prawej)}2πω0{\ Displaystyle {\ Frac {2 \ pi} {\ omega _ {0}}}}
T=T02πln(8π-θ0){\ Displaystyle T = T_ {0} \, {\ Frac {2} {\ pi}} \ ln \ lewo ({\ Frac {8} {\ pi - \ theta _ {0}}} \ prawej)}.
Po osiągnięciu limitu sn jest równy funkcji tanh . Mamy wtedy:
θ=2arcsin(tanh(ω0t))=4arctan(exp(ω0t))-π{\ Displaystyle \ theta = 2 \ arcsin (\ tanh (\ omega _ {0} t)) = 4 \ arctan (\ exp (\ omega _ {0} t)) - \ pi}który ma tendencję do gatunku , gdy t ma tendencję do nieskończoności.
Proste wirujące wahadło
W przypadku wahadła animowanego z prędkością dostatecznie dużą, aby się obracało, równanie ruchu zapisujemy:
θ˙2=2soll2[H.-l+lsałata(θ)]{\ Displaystyle {\ kropka {\ theta}} ^ {2} = {\ Frac {2g} {l ^ {2}}} [H-l + l \ cos (\ teta)]}gdzie H jest stałą jednorodną pod względem długości i ściśle większą niż 2 l . Rozwiązanie θ jest następnie wyrażane za pomocą funkcji amplitudy Jacobiego w postaci:
θ=2W(H.sol2l2t,k){\ Displaystyle \ theta = 2A \ lewo ({\ sqrt {\ Frac {Hg} {2l ^ {2}}}} \, t, k \ prawej)}gdzie podajemy wartość modułu funkcji Jacobiego .
k=2lH.{\ displaystyle k = {\ sqrt {\ frac {2l} {H}}}}
Demonstracja
Jeśli wyprowadzimy równość w odniesieniu do czasu, otrzymamy:
θ˙=2H.sol2l2renie(H.sol2l2t){\ Displaystyle {\ kropka {\ theta}} = 2 {\ sqrt {\ Frac {Hg} {2l ^ {2}}}} \ mathrm {dn} \ left ({\ sqrt {\ frac {Hg} {2l ^ {2}}}} \, t \ right)}dlatego też przez podniesienie do kwadratu i uwzględnienie, że :
grzech(θ2)=grzech[W(H.sol2l2t)]=snie(H.sol2l2t){\ Displaystyle \ sin \ lewo ({\ Frac {\ theta} {2}} \ prawej) = \ sin \ lewo [A \ lewo ({\ sqrt {\ Frac {Hg} {2l ^ {2}}}} \, t \ right) \ right] = \ mathrm {sn} \ left ({\ sqrt {\ frac {Hg} {2l ^ {2}}}} \, t \ right)}
θ˙2=2H.soll2[1-k2snie2(H.sol2l2t)]=2H.soll2[1-2lH.grzech2(θ2)]=2soll2[H.-l(1-sałata(θ))]{\ Displaystyle {\ rozpocząć {wyrównane} {\ kropka {\ theta}} ^ {2} & = {\ Frac {2Hg} {l ^ {2}}} \ lewo [1-k ^ {2} \ mathrm { sn} ^ {2} \ left ({\ sqrt {\ frac {Hg} {2l ^ {2}}}} \, t \ right) \ right] \\ & = {\ frac {2Hg} {l ^ { 2}}} \ left [1 - {\ frac {2l} {H}} \ sin ^ {2} \ left ({\ frac {\ theta} {2}} \ right) \ right] \\ & = { \ frac {2g} {l ^ {2}}} [Hl (1- \ cos (\ theta))] \ end {aligned}}}zgodnie z oczekiwaniami.
Ruch Poinsota ciała stałego
Ruch ten jest ruchem bryły w ruchu obrotowym, wziętym względem jej środka bezwładności G , gdy moment w porównaniu z G sił zewnętrznych jest zerowy. Dla dowolnej bryły bez określonej symetrii równania ruchu są rozwiązywane za pomocą funkcji eliptycznych Jacobiego. W szczególności trzy składowe chwilowego wektora obrotu w układzie odniesienia połączone z bryłą utworzoną z głównych osi bezwładności są odpowiednio proporcjonalne do cn , sn , dn .
Propagacja fal
Funkcja umożliwia modelowanie wysokości powierzchni wody, gdy przechodzi soliton , na przykład tsunami , gdzie, z wyjątkiem zmiany jednostki, ξ jest wysokością fali, x jest odciętą, na której to mierzymy wysokość, t to czas, a B to parametr uwzględniający głębokość ośrodka. Jest to rzeczywiście jedno z rozwiązań równania Kortewega i Vriesa . Modelowana w ten sposób fala nazywana jest falą cnoidalną .
ξ:(x,t)→vsnie2(b(x-vst)){\ Displaystyle \ xi: (x, t) \ do \ mathrm {cn} ^ {2} (B (x-ct))}
Pompowanie optyczne
Funkcja sn interweniuje w celu modelowania wyczerpania pompy w optycznej mieszaninie trójfalowej, która jest używana w optycznych oscylatorach parametrycznych .
Zobacz też
Bibliografia
-
M. Abramowitz, IA Stegun, Handbook of Mathematical Functions , National Bureau of Standards,1972( czytaj online ), rozdział 16, LM Milne-Thomsona.
- Hermann Laurent , Elementary Theory of Eliptical Functions , Gauthier-Villars, Paryż,1880( czytaj online )
- Alfred George Greenhill , Funkcje eliptyczne i ich zastosowania , G. Carré, Paryż,1895( czytaj online )
- Paul Appell , Émile Lacour, Zasady teorii funkcji eliptycznych i zastosowań , Gauthier-Villars et fils, Paryż,1897( czytaj online )
Linki zewnętrzne
-
WP Reinhardt, PL Walker, „ Jacobian Elliptic Functions ” . Spośród wielu właściwości funkcji eliptycznych Jacobiego, które podaje ta witryna, można znaleźć w szczególności w rozdziale 22.20 Metody szybkiego numerycznego obliczania tych funkcji.
Uwagi i odniesienia
-
Abramowitz-Stegun 1972 , str. 569
-
Abramowitz-Stegun 1972 , str. 571
-
Abramowitz-Stegun 1972 , s. 570
-
WP Reinhardt, PL Walker, „ Jacobian Elliptic Functions ” , w dlmf.nist.gov , §22.15, Inverse Functions
-
Abramowitz-Stegun 1972 , str. 574
-
Abramowitz-Stegun 1972 , s. 572
-
WP Reinhardt, PL Walker, „ Jacobian Elliptic Functions ” , at dlmf.nist.gov , §22.13, Derivatives and Differential Equations
-
L. Landau, E.Lifchitz, Fizyka teoretyczna, mechanika , elipsy, 1994, s. 176
-
Paul Elwyn Britton, „ Fiber laser pompowane okresowo polerowane urządzenia nieliniowe na bazie niobianu litu ” , na Uniwersytecie w Southampton ,2000, s. 101, rozdz. 5 ("Wzmocnienie i generowanie parametryczne")
<img src="https://fr.wikipedia.org/wiki/Special:CentralAutoLogin/start?type=1x1" alt="" title="" width="1" height="1" style="border: none; position: absolute;">