انتگرال بیضوی

در حساب انتگرال، انتگرال بیضوی (الگو:Lang-en) بدواً در ارتباط با مسئله طول کمان بیضی مطرح می‌شوند. این انتگرال‌ها را برای اولین بار الگو:پم و لئونارد اویلر بررسی کردند. ریاضیات نوین، انتگرال بیضوی را به عنوان هر تابع f که بتواند به شکل زیر بیان شود، تعریف می‌کند:

الگو:وسط

که در آن $R$ تابع گویای دو آرگومان آن، $P$ ریشه دوم یک چند جمله‌ای درجه سه یا چهار بدون ریشه‌های تکراری و $c$ یک ثابت است.

در کل، انتگرال‌های بیضوی را نمی‌توان بر حسب توابع مقدماتی بیان کرد. استثناها برای این قاعده کلی وقتی است که $P$ ریشه‌های تکراری دارد یا وقتی که $(R(x,y$ شامل توان‌های فرد $y$ نباشند. به هر حال، با فرمول تحویل مناسب، هر انتگرال بیضوی می‌تواند به شکلی که انتگرالهایی را روی توابع گویا و سه شکل متعارف (برای نمونه، انتگرالهای بیضوی نوع اول، دوم و سوم) دربر گیرد، درآید.

علاوه بر فرم‌هائی که در زیر داده شده‌اند، انتگرال‌های بیضوی نیز ممکن است به الگو:پم و الگو:پم بیان شوند. درک بیشتر از نظریه انتگرال بیضوی می‌تواند از طریق بررسی الگو:پم حاصل شود. از نظر تاریخی، توابع بیضوی به عنوان توابع معکوس انتگرال‌های بیضوی کشف شدند.

نمادها

انتگرال‌های بیضوی اغلب به شکل توابعی با آرگومان‌های مختلف بیان می‌شوند. این آرگومان‌های مختلف کاملاً معادلند (انتگرال بیضوی مشابهی می‌دهند)، اما به علت ظاهر متفاوتشان گیج کننده اند. بیشتر متون با نقشه نام گذاری متعارف همراهند. پیش از تعریف انتگرال‌ها، قواعد نامگذاری آرگومان‌ها را مرور می‌کنیم:

• الگو:Math برون‌مرکزی زاویه‌ای
• الگو:ریاضی مدول بیضوی یا برون‌مرکزی (هندسه)
• الگو:ریاضی مشخصه (پارامتر)

توجه کنید که سه قرارداد بالا کاملاً توسط دیگری تعیین شده‌اند. با مشخص شدن یکی، دیگری نیز مشخص می‌گردد. انتگرالهای بیضوی نیز به آرگومان دیگری وابسته‌اند که می‌تواند با راه‌های مختلفی تعیین شود.

انتگرال بیضوی ناقص نوع اول

انتگرال بیضوی ناقص نوع اول F به شکل زیر تعریف می‌شود:

الگو:وسط

به‌طور یکسان، با استفاده از نمادنگاری در صورت یاکوبی قرار می‌دهیم: الگو:ریاضی و الگو:ریاضی سپس،

الگو:وسط

وقتی دانسته شده‌است که زمانی یک میله عمودی استفاده شود (|)، آرگومان بعد از میله عمودی پارامتر است (چنان‌که در بالا تعریف شد)؛ و وقتی بک اسلش (\) به کار رود، بعد از آن زاویه مدولار می‌آید. در این قرارداد، با نمادگذاری مستقیم وام گرفته شده از کتاب مرجع استانداردهای آبراموویتز و اشتگان (Abramowitz and Stegun). استفاده از؛ | \ در انتگرال‌های بیضوی متداول است.

الگو:وسط

انتگرال بیضوی ناقص نوع دوم

انتگرال بیضوی ناقص نوع دوم $E$ به این شکل است:

الگو:وسط

به صورت معادل، با استفاده از نمادگذاری جایگزین (جانشانی) الگو:ریاضی و الگو:ریاضی

الگو:وسط

نسبت‌های اضافی شامل زیر می‌شوند:

الگو:وسط

انتگرال بیضوی ناقص نوع سوم

انتگرال بیضوی ناقص نوع سوم به این شکل است:

الگو:وسط

یا

الگو:وسط

یا

الگو:وسط

عدد n مشخصه نامیده می‌شود و هر مقداری را مستقل از دیگر آرگومانها می‌تواند بگیرد. توجه داشته باشید که به هر حال مقدار برای هر m نامحدود است.

انتگرال بیضوی کامل نوع اول

انتگرال بیضوی کامل نوع اول الگو:ریاضی

انتگرال‌های بیضوی وقتی کامل خوانده می‌شوند که دامنه نصف پی (pi/2) و بنابراین x=۱ باشد. انتگرال بیضوی کامل نوع اول K می‌تواند به صورت زیر تعریف شود:

الگو:وسط

یا

الگو:وسط

این یک حالت خاص انتگرال بیضوی ناقص نوع اول است:

حالت خاص می‌تواند به شکل یک سری توانی بیان شود

الگو:وسط

بر حسب الگو:پم، انتگرال بیضوی کامل نوع اول می‌تواند به شکل

الگو:وسط

بیان شود.

گاهی اوقات انتگرال بیضوی کامل نوع اول یک چهارم دوره (ربع دوره quarter period) نامیده می‌شود و می‌تواند بر حسب میانگین هندسی-حسابی محاسبه گردد.

$K(k)=\frac{\frac{\pi }{2}}{\mathrm{agm}(1,\sqrt{1-k^2})}.$

مشتق انتگرال بیضوی کامل نوع اول:

$\frac{d}{dk}\left(k(1-k^2)\frac{dK(k)}{dk}\right)=kK(k)$

انتگرال بیضوی کامل نوع دوم

گراف انتگرال کامل بیضوی نوع دوم $E(k)$ در بازهٔ $[0,1]$ (مقادیر ممکن برون‌مرکزی). مقدار محیط بیضی برابر است با حاصلضرب مقدار $E(k)$ (محور عمودی) برای برون‌مرکزی بیضی (محور افقی، $k=e$) در چهار برابر نیم‌قطر بزرگ بیضی ($S(a,b)=4aE(e)$).

الگو:مرتبط از آن‌جا که فرمولی با فرم بسته (مثل فرمول محیط دایره، که حالت خاص بیضی است) برای محیط بیضی وجود ندارد، مسئلهٔ بیان محیط دقیق بیضی منجر به ایجاد توابع بیضوی شد که موضوعی مهم در ریاضیات و فیزیک است. برای محاسبه محیط بیضی، باید ابتدا انتگرال کامل بیضوی نوع دوم را محاسبه کرد. به این ترتیب محیط بیضی با نیم‌قطر بزرگ $a$ و نیم‌قطر کوچک $b$ برابر است با:

الگو:وسط

که در آن $e$ همان برون‌مرکزی ($\frac{c}{a}=\frac{\sqrt{a^2-b^2}}{a}$) است و $E$ عبارت است از:

الگو:وسط

محیط بیضی بر اساس انتگرال کامل بیضوی نوع دوم را با استفاده از «سری گاوس-کومر»الگو:یادچپ نیز می‌توان محاسبه کرد:

الگو:وسط

الگو:وسط

انتگرال بیضوی کامل نوع سوم

انتگرال بیضوی کامل نوع سوم می‌تواند به صورت زیر تعریف شود

الگو:وسط

توجه کنید که گاهی اوقات انتگرال بیضوی کامل نوع سوم با یک علامت معکوس در n تعریف می‌گردد، برای مثال

الگو:وسط

مشتقات جزئی انتگرال بیضوی کامل نوع سوم

الگو:وسط

جستارهای وابسته

• منحنی بیضوی
• تابع تتای رامانوجان

منابع

• الگو:یادکرد-ویکی

• الگو:Cite journal
• الگو:Dlmf
• الگو:Cite book
• الگو:Cite book
• الگو:Cite book
• الگو:Cite book
• الگو:Cite book
• الگو:Citation