菲涅耳積分

菲涅耳積分，常被寫作 S(x)和C(x)。以奧古斯丁·菲涅耳為名。

S(x)與C(x)。

定義

菲涅耳積分可由下面兩個級數求得，對所有x均收斂。

S(x)=\int _{0}^{x}\sin(t^{2})\,dt=\sum _{n=0}^{\infty }(-1)^{n}{\frac {x^{4n+3}}{(2n+1)!(4n+3)}},

C(x)=\int _{0}^{x}\cos(t^{2})\,dt=\sum _{n=0}^{\infty }(-1)^{n}{\frac {x^{4n+1}}{(2n)!(4n+1)}}.

羊角螺线

估計值

用來計算Fresnel integrals的扇形路徑

C和S的值當變數趨近於無窮大時，可用複變分析的方法求得。用以下這個函數的路徑積分：

e^{-z^{2}}

在複數平面上的一個扇型的邊界，其中下邊繞著正x軸，上半邊是沿著y = x, x ≥ 0的路徑，外圈則是一個半徑為R，中心在原點的弧形。

當R趨近於無窮大時，路徑積分沿弧形的部分將趨近於零[1]，而實數軸部分的積分將可由高斯積分

\int _{y-axis}^{}e^{-z^{2}}dz=\int _{0}^{\infty }e^{-t^{2}}dt={\frac {\sqrt {\pi }}{2}},

並且經過簡單的計算後，第一象限平分線的那條積分便可以變成菲涅耳積分。

\int _{slope}^{}\exp(-z^{2})dz=\int _{0}^{\infty }\exp(-t^{2}e^{i\pi /2})e^{i\pi /4}dt=e^{i\pi /4}(\int _{0}^{\infty }\cos(-z^{2})dz+i\int _{0}^{\infty }\sin(-z^{2})dz)

\int _{0}^{\infty }\cos t^{2}\,\mathrm {d} t=\int _{0}^{\infty }\sin t^{2}\,\mathrm {d} t={\frac {\sqrt {2\pi }}{4}}={\sqrt {\frac {\pi }{8}}}.

相关公式

下列一些包含菲涅耳積分的关系式[2]

$\int _{0}^{\infty }e^{-at}\sin(t^{2})\mathrm {d} t={\frac {1}{4}}*{\sqrt {2\pi }}*(\cos {\frac {a^{2}}{4}}*(1-2*{\rm {FresnelC}}((1/2)*a*{\sqrt {2}}/{\sqrt {\pi }}))+\sin {\frac {a^{2}}{4}}*(1-2*\mathrm {FresnelS} ((1/2)*a*{\sqrt {2}}/{\sqrt {\pi }})))$
$\int \sin(ax^{2}+2bx+c)\mathrm {d} x={\frac {{\sqrt {2\pi }}*(\cos((b^{2}-a*c)/a)*{\rm {FresnelS}}({\sqrt {2}}(ax+b)/({\sqrt {\pi a}}))-\sin((b^{2}-a*c)/a)*{\rm {FresnelC}}({\sqrt {2}}(ax+b)/({\sqrt {\pi a}})))}{2{\sqrt {a}}}}$
$\int \mathrm {FresnelC} (t)\mathrm {d} t=\mathrm {FresnelC} (t)*t-{\frac {\sin {\frac {\pi t^{2}}{2}}}{\pi }}$
$\int \mathrm {FresnelS} (t)\mathrm {d} t=\mathrm {FresnelS} (t)*t+{\frac {\cos {\frac {\pi t^{2}}{2}}}{\pi }}$
${\frac {\mathrm {d} ~\mathrm {FresnelC} (t)}{\mathrm {d} t}}=\cos {\frac {\pi t^{2}}{2}}$
${\frac {\mathrm {d} ~\mathrm {FresnelS} (t)}{\mathrm {d} t}}=\sin {\frac {\pi t^{2}}{2}}$

關聯條目

參考資料

Beatty, Thomas. (PDF). FGCU MATH - SUMMER 2013. [27 July 2013]. （原始内容存档 (PDF)于2015-02-07）.
Abromowitz and Stegun, Handbook of Mathematical Functions,p303-305, 1972 Natinal Bureau of Standards

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