Μετάβαση στο περιεχόμενο

Ολοκλήρωμα Φρέσνελ

Από τη Βικιπαίδεια, την ελεύθερη εγκυκλοπαίδεια
Διαγράμματα των S(x) και C(x). Το μέγιστο του C(x) είναι περίπου 0.977451424. Εάν τα ολοκληρώματα των S και C ορίζονταν χρησιμοποιώντας π/2t2 αντί για t2, τότε η εικόνα θα κλιμακωνόταν κάθετα και οριζόντια (βλέπε παρακάτω).

Τα ολοκληρώματα Φρέσνελ S(x) και C(x) 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:

Η παραμετρική καμπύλη 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

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

Τα ολοκληρώματα Φρέσνελ με επιχειρήματα π/2t2 αντί για t2 συγκλίνουν στο 1/2 αντί για 1/2·π2.

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

Ορισμένοι ευρέως χρησιμοποιούμενοι πίνακες[2][3] χρησιμοποιούν π/2t2 αντί για t2 για το επιχείρημα των ολοκληρωμάτων που ορίζουν τα S(x) και C(x). Αυτό αλλάζει τα όριά τους στο άπειρο από 1/2-√π/2 σε 1/2·π/21/2[4] και το μήκος τόξου για την πρώτη σπειροειδή στροφή από 2π σε 2 (at t = 2). Αυτές οι εναλλακτικές συναρτήσεις είναι συνήθως γνωστές ως κανονικοποιημένα ολοκληρώματα Φρέσνελ.

Κύριο άρθρο: σπείρα Όιλερ

Σπείρα Όιλερ (x, y) = (C(t), S(t)). Η σπείρα συγκλίνει στο κέντρο των οπών της εικόνας καθώς t 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 S(t) έναντι του C(t). 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 dx και dy είναι έτσι:

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

Δηλαδή, η παράμετρος t είναι το μήκος της καμπύλης μετρούμενο από την αρχή (0, 0) και η σπείρα Όιλερ έχει άπειρο μήκος. Το διάνυσμα (cos(t2), sin(t2)) όπου θ = t2 εκφράζει επίσης το μοναδιαίο εφαπτόμενο διάνυσμα κατά μήκος της σπείρας. Εφόσον το t είναι το μήκος της καμπύλης, η καμπυλότητα κ μπορεί να εκφραστεί ως εξής

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

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 t 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.

C(x) και S(x) είναι περιττές συναρτήσεις της 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 x → ∞ δίνεται από τους τύπους:

Μιγαδικό ολοκλήρωμα ΦρέσνελS(z)

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

Τα ολοκληρώματα Φρέσνελ μπορούν να εκφραστούν χρησιμοποιώντας τη συνάρτηση σφάλματος ως εξής:[5]

Μιγαδικό ολοκλήρωμα Φρέσνελ C(z)

ή

Όρια καθώς το x πλησιάζει στο άπειρο

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

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

Το ολοκλήρωμα

είναι μια συγκλίνουσα υπεργεωμετρική συνάρτηση και επίσης μια ατελής συνάρτηση γάμμα [7]

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

Ο πρώτος όρος στο ασυμπτωτικό ανάπτυγμα είναι

και ως εκ τούτου

Για m = 0, το φανταστικό μέρος αυτής της εξίσωσης ειδικότερα είναι

με την αριστερή πλευρά να συγκλίνει για a > 1 και τη δεξιά πλευρά να είναι η αναλυτική της επέκταση σε όλο το επίπεδο λιγότερο όπου βρίσκονται οι πόλοι της Γ(a-1).

Ο μετασχηματισμός Κούμερ της συγκλίνουσας υπεργεωμετρικής συνάρτησης είναι

με

Αριθμητική προσέγγιση

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Για υπολογισμό με αυθαίρετη ακρίβεια, η δυναμοσειρά είναι κατάλληλη για μικρό επιχείρημα. Για μεγάλο επιχείρημα, τα ασυμπτωτικά αναπτύγματα συγκλίνουν γρηγορότερα.[8] Μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν μέθοδοι συνεχιζόμενων κλασμάτων.[9]

Για τον υπολογισμό με συγκεκριμένη ακρίβεια στόχου, έχουν αναπτυχθεί άλλες προσεγγίσεις. Ο Cody[10] ανέπτυξε ένα σύνολο αποτελεσματικών προσεγγίσεων που βασίζονται σε ορθολογικές συναρτήσεις και δίνουν σχετικά σφάλματα μέχρι 2×10−19. 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.[11] Ο Μπόερσμα ανέπτυξε μια προσέγγιση με σφάλμα μικρότερο από 1.6×10−9.[12]

Τα ολοκληρώματα Φρέσνελ χρησιμοποιήθηκαν αρχικά για τον υπολογισμό της έντασης του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου σε ένα περιβάλλον όπου το φως κάμπτεται γύρω από αδιαφανή αντικείμενα.[13] Πιο πρόσφατα, έχουν χρησιμοποιηθεί στο σχεδιασμό αυτοκινητοδρόμων και σιδηροδρόμων, συγκεκριμένα στις ζώνες μετάβασης της καμπυλότητας τους, βλ. καμπύλη μετάβασης τροχιάς.[14] Άλλες εφαρμογές είναι το τρενάκι του λούνα παρκ[13] ή ο υπολογισμός των μεταβάσεων σε μια πίστα ποδηλατοδρομίου ώστε να επιτρέπεται η γρήγορη είσοδος στις στροφές και η σταδιακή έξοδος.

Εξωτερικοί σύνδεσμοι

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]
  1. «A Table of Integrals of the Error Functions» (PDF). 
  2. Abramowitz & Stegun 1983, eqn 7.3.1–7.3.2.
  3. Temme 2010.
  4. Abramowitz & Stegun 1983, eqn 7.3.20.
  5. 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 π2.
  6. Another method based on parametric integration is described for example in Zajta & Goel 1989.
  7. Mathar 2012.
  8. Temme 2010, §7.12(ii).
  9. Press και άλλοι 2007.
  10. Cody 1968.
  11. van Snyder 1993.
  12. Boersma 1960.
  13. 13,0 13,1 Beatty 2013.
  14. Stewart 2008, σελ. 383.