Ολοκλήρωμα Φρέσνελ

Από testwiki
Αναθεώρηση ως προς 17:11, 17 Μαρτίου 2025 από τον imported>Projethomere (Νέα σελίδα: image:Fresnel Integrals (Unnormalised).svg|250px|thumb| Διαγράμματα των {{math|{{color|#b30000|''S''(''x'')}}}} και {{math|{{color|#00b300|''C''(''x'')}}}}. Το μέγιστο του {{math|''C''(''x'')}} είναι περίπου {{val|0.977451424}}. Εάν τα ολοκληρώματα των {{mvar|S}} και {{mvar|C}} ορίζονταν χρησιμοποιώντας {{math|{{sfrac|''π''|2}}''t''<sup>2</sup>}} αντί για {{math|''t''<sup>...)
(διαφορά) ← Παλαιότερη αναθεώρηση | Τελευταία αναθεώρηση (διαφορά) | Νεότερη αναθεώρηση → (διαφορά)
Μετάβαση στην πλοήγηση Πήδηση στην αναζήτηση
Διαγράμματα των Πρότυπο:Math και Πρότυπο:Math. Το μέγιστο του Πρότυπο:Math είναι περίπου Πρότυπο:Val. Εάν τα ολοκληρώματα των Πρότυπο:Mvar και Πρότυπο:Mvar ορίζονταν χρησιμοποιώντας Πρότυπο:Math αντί για Πρότυπο:Math, τότε η εικόνα θα κλιμακωνόταν κάθετα και οριζόντια (βλέπε παρακάτω).

Τα ολοκληρώματα Φρέσνελ Πρότυπο:Math και Πρότυπο:Math είναι δύο υπερβατικές συναρτήσεις που πήραν το όνομά τους από τον Αουγκουστέν-Ζαν Φρέσνελ και χρησιμοποιούνται στην οπτική ενώ σχετίζονται στενά με τη συνάρτηση σφάλματος (erf)[1]. Προκύπτουν κατά την περιγραφή των φαινομένων περίθλασης Φρέσνελ κοντινού πεδίου και ορίζονται μέσω των ακόλουθων ολοκληρωτικών παραστάσεων:

S(x)=0xsin(t2)dt,C(x)=0xcos(t2)dt.

Η παραμετρική καμπύλη (S(t),C(t)) είναι η σπείρα του Όιλερ ή το κλωθοειδές, μια καμπύλη της οποίας η καμπυλότητα μεταβάλλεται γραμμικά με το μήκος του τόξου.

Ο όρος ολοκλήρωμα Φρέσνελ μπορεί επίσης να αναφέρεται στο μιγαδικό ορισμένο ολοκλήρωμα

e±iax2dx=πae±iπ/4

όπου Πρότυπο:Math είναι πραγματικό και θετικό- αυτό μπορεί να εκτιμηθεί κλείνοντας ένα περίγραμμα στο μιγαδικό επίπεδο και εφαρμόζοντας το θεώρημα ολοκληρωμάτων του Κωσύ.

Ορισμός

Τα ολοκληρώματα Φρέσνελ με επιχειρήματα Πρότυπο:Math αντί για Πρότυπο:Math συγκλίνουν στο Πρότυπο:Sfrac αντί για Πρότυπο:Math.

Τα ολοκληρώματα Φρέσνελ δέχονται τα ακόλουθα αναπτύγματα δυναμοσειρών που συγκλίνουν για όλα τα Πρότυπο:Mvar:

S(x)=0xsin(t2)dt=n=0(1)nx4n+3(2n+1)!(4n+3),C(x)=0xcos(t2)dt=n=0(1)nx4n+1(2n)!(4n+1).

Ορισμένοι ευρέως χρησιμοποιούμενοι πίνακεςΠρότυπο:SfnΠρότυπο:Sfn χρησιμοποιούν Πρότυπο:Math αντί για Πρότυπο:Math για το επιχείρημα των ολοκληρωμάτων που ορίζουν τα Πρότυπο:Math και Πρότυπο:Math. Αυτό αλλάζει τα όριά τους στο άπειρο από 1/2-√π/2 σε Πρότυπο:MathΠρότυπο:SfracΠρότυπο:Sfn και το μήκος τόξου για την πρώτη σπειροειδή στροφή από Πρότυπο:Math σε 2 (at Πρότυπο:Math). Αυτές οι εναλλακτικές συναρτήσεις είναι συνήθως γνωστές ως κανονικοποιημένα ολοκληρώματα Φρέσνελ.

Σπείρα Όιλερ

Κύριο άρθρο: σπείρα Όιλερ

Σπείρα Όιλερ Πρότυπο:Math. Η σπείρα συγκλίνει στο κέντρο των οπών της εικόνας καθώς Πρότυπο:Mvar τείνει στο θετικό ή αρνητικό άπειρο.

Η σπείρα Όιλερ, επίσης γνωστή ως σπείρα Κορνού ή κλωθοειδής, είναι η καμπύλη που δημιουργείται από την παραμετρική γραφική παράσταση του Πρότυπο:Math έναντι του Πρότυπο:Math. Η σπείρα Όιλερ μελετήθηκε για πρώτη φορά στα μέσα του 18ου αιώνα από τον Λέοναρντ Όιλερ στο πλαίσιο της θεωρίας δοκού Όιλερ-Μπερνούλι. Έναν αιώνα αργότερα, η Μαρί Άλφρεντ Κορνού κατασκεύασε την ίδια σπείρα ως νομόγραμμα για υπολογισμούς περίθλασης.

Από τους ορισμούς των ολοκληρωμάτων Φρέσνελ, τα απειροστά Πρότυπο:Mvar και Πρότυπο:Mvar είναι έτσι:

dx=C(t)dt=cos(t2)dt,dy=S(t)dt=sin(t2)dt.

Έτσι, το μήκος της σπείρας που μετράται από την αρχή μπορεί να εκφραστεί ως εξής

L=0t0dx2+dy2=0t0dt=t0.

Δηλαδή, η παράμετρος Πρότυπο:Mvar είναι το μήκος της καμπύλης μετρούμενο από την αρχή Πρότυπο:Math και η σπείρα Όιλερ έχει άπειρο μήκος. Το διάνυσμα Πρότυπο:Math όπου Πρότυπο:Math εκφράζει επίσης το μοναδιαίο εφαπτόμενο διάνυσμα κατά μήκος της σπείρας. Εφόσον το Πρότυπο:Mvar είναι το μήκος της καμπύλης, η καμπυλότητα Πρότυπο:Mvar μπορεί να εκφραστεί ως εξής

κ=1R=dθdt=2t.

Έτσι, ο ρυθμός μεταβολής της καμπυλότητας σε σχέση με το μήκος της καμπύλης είναι

dκdt=d2θdt2=2.

Μια σπείρα Όιλερ έχει την ιδιότητα ότι η καμπυλότητά της σε οποιοδήποτε σημείο είναι ανάλογη της απόστασης κατά μήκος της σπείρας, που μετριέται από την αρχή. Αυτή η ιδιότητα την καθιστά χρήσιμη ως καμπύλη μετάβασης στη μηχανική αυτοκινητοδρόμων και σιδηροδρόμων: αν ένα όχημα ακολουθεί τη σπείρα με μοναδιαία ταχύτητα, η παράμετρος Πρότυπο:Mvar στις παραπάνω παραγώγους αντιπροσωπεύει επίσης τον χρόνο. Κατά συνέπεια, ένα όχημα που ακολουθεί τη σπείρα με σταθερή ταχύτητα θα έχει σταθερό ρυθμό γωνιακής επιτάχυνσης.

Τα τμήματα από τις σπείρες του Όιλερ ενσωματώνονται συνήθως στο σχήμα των βρόχων του οδοστρωτήρα για να δημιουργηθούν οι λεγόμενοι βρόχοι κλωθοειδούς μορφής.

Ιδιότητες

Πρότυπο:Math και Πρότυπο:Math είναι περιττές συναρτήσεις της Πρότυπο:Mvar,

C(x)=C(x),S(x)=S(x).

γεγονός που γίνεται εύκολα αντιληπτό από το ότι τα αναπτύγματα των δυναμοσειρών τους έχουν μόνο όρους περιττού βαθμού, ή εναλλακτικά επειδή είναι αντιπαράγωγα ζυγών συναρτήσεων που είναι επίσης μηδενικές στην αρχή.

Η ασυμπτωτική των ολοκληρωμάτων Φρέσνελ ως Πρότυπο:Math δίνεται από τους τύπους:

S(x)=18πsgnx[1+O(x4)](cos(x2)2x+sin(x2)4x3),[6px]C(x)=18πsgnx+[1+O(x4)](sin(x2)2xcos(x2)4x3).

Μιγαδικό ολοκλήρωμα ΦρέσνελΠρότυπο:Math

Χρησιμοποιώντας τα παραπάνω αναπτύγματα δυναμοσειρών, τα ολοκληρώματα Φρέσνελ μπορούν να επεκταθούν στο πεδίο των μιγαδικών αριθμών, όπου γίνονται πλήρεις συναρτήσεις της μιγαδικής μεταβλητής Πρότυπο:Mvar.

Τα ολοκληρώματα Φρέσνελ μπορούν να εκφραστούν χρησιμοποιώντας τη συνάρτηση σφάλματος ως εξής:[2]

Μιγαδικό ολοκλήρωμα Φρέσνελ Πρότυπο:Math

S(z)=π21+i4[erf(1+i2z)ierf(1i2z)],[6px]C(z)=π21i4[erf(1+i2z)+ierf(1i2z)].

ή

C(z)+iS(z)=π21+i2erf(1i2z),[6px]S(z)+iC(z)=π21+i2erf(1+i2z).

Όρια καθώς το Πρότυπο:Math πλησιάζει στο άπειρο

Τα ολοκληρώματα που ορίζουν τα Πρότυπο:Math και Πρότυπο:Math δεν μπορούν να αξιολογηθούν σε κλειστή μορφή ως προς τις στοιχειώδεις συναρτήσεις, εκτός από ειδικές περιπτώσεις. Τα όρια αυτών των συναρτήσεων καθώς η Πρότυπο:Mvar πηγαίνει στο άπειρο είναι γνωστά:

0cos(t2)dt=0sin(t2)dt=2π4=π80.6267.

Πρότυπο:Collapse top

Το περίγραμμα του τομέα που χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό των ορίων των ολοκληρωμάτων Φρέσνελ

Αυτό μπορεί να προκύψει με οποιαδήποτε από τις διάφορες μεθόδους. Μία από αυτές [3] χρησιμοποιεί ένα ολοκλήρωμα της συνάρτησης ez2 γύρω από το όριο της τομεακής περιοχής στο μιγαδικό επίπεδο που σχηματίζεται από τον θετικό άξονα Πρότυπο:Math, τη διχοτόμο του πρώτου τεταρτημορίου Πρότυπο:Math με Πρότυπο:Math, και ένα κυκλικό τόξο ακτίνας Πρότυπο:Math με κέντρο την αρχή.

Καθώς το Πρότυπο:Math πηγαίνει στο άπειρο, το ολοκλήρωμα κατά μήκος του κυκλικού τόξου Πρότυπο:Math τείνει στο Πρότυπο:Math

|γ2ez2dz|=|0π4eR2(cost+isint)2Reitdt|R0π4eR2cos2tdtR0π4eR2(14πt)dt=π4R(1eR2),

όπου χρησιμοποιήθηκαν πολικές συντεταγμένες Πρότυπο:Math και χρησιμοποιήθηκε η ανισότητα του Ζορντάν για τη δεύτερη ανισότητα. Το ολοκλήρωμα κατά μήκος του πραγματικού άξονα Πρότυπο:Math τείνει στο μισό γκαουσιανό ολοκλήρωμα

γ1ez2dz=0et2dt=π2.

Ας σημειωθεί επίσης ότι επειδή το ολοκλήρωμα είναι μια ολόκληρη συνάρτηση στο μιγαδικό επίπεδο, το ολοκλήρωμά του κατά μήκος ολόκληρου του περιγράμματος είναι μηδέν. Συνολικά, πρέπει να έχουμε

γ3ez2dz=γ1ez2dz=0et2dt,

όπου Πρότυπο:Math δηλώνει τη διχοτόμο του πρώτου τεταρτημορίου, όπως στο διάγραμμα. Για να αξιολογήσουμε το αριστερό μέρος, παραμετροποιήστε τη διχοτόμο ως εξής

z=teiπ4=22(1+i)t

όπου το Πρότυπο:Mvar κυμαίνεται από 0 έως Πρότυπο:Math. Ας σημειωθεί ότι το τετράγωνο αυτής της έκφρασης είναι απλά Πρότυπο:Math. Επομένως, η αντικατάσταση δίνει την αριστερή πλευρά ως εξής

0eit222(1+i)dt.

Χρησιμοποιώντας τον τύπο του Όιλερ για να πάρουμε το πραγματικό και το φανταστικό μέρος του Πρότυπο:Math το δίνει ως εξής

0(cos(t2)isin(t2))22(1+i)dt[6px]=220[cos(t2)+sin(t2)+i(cos(t2)sin(t2))]dt[6px]=π2+0i,

όπου έχουμε γράψει Πρότυπο:Math για να τονίσουμε ότι η τιμή του αρχικού ολοκληρώματος Γκάους είναι πλήρως πραγματική με μηδενικό φανταστικό μέρος. Αφήνοντας

IC=0cos(t2)dt,IS=0sin(t2)dt

και στη συνέχεια εξισώνοντας το πραγματικό και το φανταστικό μέρος προκύπτει το ακόλουθο σύστημα δύο εξισώσεων στους δύο αγνώστους Πρότυπο:Math και Πρότυπο:Math:

IC+IS=π2,ICIS=0.

Η επίλυση για τα Πρότυπο:Math και Πρότυπο:Math δίνει το επιθυμητό αποτέλεσμα. Πρότυπο:Collapse bottom

Γενίκευση

Το ολοκλήρωμα

xmeixndx=l=0ilxm+nll!dx=l=0il(m+nl+1)xm+nl+1l!

είναι μια συγκλίνουσα υπεργεωμετρική συνάρτηση και επίσης μια ατελής συνάρτηση γάμμα Πρότυπο:Sfn

xmeixndx=xm+1m+11F1(m+1n1+m+1nixn)[6px]=1nim+1nγ(m+1n,ixn),

το οποίο ανάγεται σε ολοκληρώματα Φρέσνελ αν ληφθούν πραγματικά ή φανταστικά μέρη:

xmsin(xn)dx=xm+n+1m+n+11F2(12+m+12n32+m+12n,32x2n4).

Ο πρώτος όρος στο ασυμπτωτικό ανάπτυγμα είναι

1F1(m+1n1+m+1nixn)m+1nΓ(m+1n)eiπm+12nxm1,

και ως εκ τούτου

0xmeixndx=1nΓ(m+1n)eiπm+12n.

Για Πρότυπο:Math, το φανταστικό μέρος αυτής της εξίσωσης ειδικότερα είναι

0sin(xa)dx=Γ(1+1a)sin(π2a),

με την αριστερή πλευρά να συγκλίνει για Πρότυπο:Math και τη δεξιά πλευρά να είναι η αναλυτική της επέκταση σε όλο το επίπεδο λιγότερο όπου βρίσκονται οι πόλοι της Πρότυπο:Math.

Ο μετασχηματισμός Κούμερ της συγκλίνουσας υπεργεωμετρικής συνάρτησης είναι

xmeixndx=Vn,m(x)eixn,

με

Vn,m:=xm+1m+11F1(11+m+1nixn).

Αριθμητική προσέγγιση

Για υπολογισμό με αυθαίρετη ακρίβεια, η δυναμοσειρά είναι κατάλληλη για μικρό επιχείρημα. Για μεγάλο επιχείρημα, τα ασυμπτωτικά αναπτύγματα συγκλίνουν γρηγορότερα.Πρότυπο:Sfn Μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν μέθοδοι συνεχιζόμενων κλασμάτων.Πρότυπο:Sfn

Για τον υπολογισμό με συγκεκριμένη ακρίβεια στόχου, έχουν αναπτυχθεί άλλες προσεγγίσεις. Ο CodyΠρότυπο:Sfn ανέπτυξε ένα σύνολο αποτελεσματικών προσεγγίσεων που βασίζονται σε ορθολογικές συναρτήσεις και δίνουν σχετικά σφάλματα μέχρι Πρότυπο:Val. Μια FORTRAN υλοποίηση της προσέγγισης Cody που περιλαμβάνει τις τιμές των συντελεστών που απαιτούνται για την υλοποίηση σε άλλες γλώσσες δημοσιεύθηκε από τον van Snyder.Πρότυπο:Sfn Ο Μπόερσμα ανέπτυξε μια προσέγγιση με σφάλμα μικρότερο από Πρότυπο:Val.Πρότυπο:Sfn

Εφαρμογές

Τα ολοκληρώματα Φρέσνελ χρησιμοποιήθηκαν αρχικά για τον υπολογισμό της έντασης του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου σε ένα περιβάλλον όπου το φως κάμπτεται γύρω από αδιαφανή αντικείμενα.Πρότυπο:Sfn Πιο πρόσφατα, έχουν χρησιμοποιηθεί στο σχεδιασμό αυτοκινητοδρόμων και σιδηροδρόμων, συγκεκριμένα στις ζώνες μετάβασης της καμπυλότητας τους, βλ. καμπύλη μετάβασης τροχιάς.Πρότυπο:Sfn Άλλες εφαρμογές είναι το τρενάκι του λούνα παρκΠρότυπο:Sfn ή ο υπολογισμός των μεταβάσεων σε μια πίστα ποδηλατοδρομίου ώστε να επιτρέπεται η γρήγορη είσοδος στις στροφές και η σταδιακή έξοδος.

Φωτοθήκη

Εξωτερικοί σύνδεσμοι

Δείτε επίσης

Βιβλιογραφία

Παραπομπές

Πρότυπο:Reflist

Πηγές

Πρότυπο:Portal bar Πρότυπο:Authority control

  1. Πρότυπο:Cite web
  2. functions.wolfram.com, Fresnel integral S: Representations through equivalent functions and Fresnel integral C: Representations through equivalent functions. Note: Wolfram uses the Abramowitz & Stegun convention, which differs from the one in this article by factors of Πρότυπο:Math.
  3. Another method based on parametric integration is described for example in Πρότυπο:Harvnb.