Μετάβαση στο περιεχόμενο

Τριγωνομετρικό ολοκλήρωμα

Από τη Βικιπαίδεια, την ελεύθερη εγκυκλοπαίδεια
Plot of the hyperbolic sine integral function Shi(z) in the complex plane from −2 − 2i to 2 + 2i
Γραφική παράσταση της ολοκληρωτικής συνάρτησης του υπερβολικού ημιτόνου Shi(z) στο μιγαδικό επίπεδο από -2 - 2i έως 2 + 2i
Si(x) (μπλε) και Ci(x) (πράσινο) στο ίδιο διάγραμμα.
Hμιτονικό ολοκλήρωμα στο μιγαδικό επίπεδο, σχεδιασμένο με μια παραλλαγή του χρωματισμού πεδίου.
Συνημιτονικό ολοκλήρωμα στο μιγαδικό επίπεδο. Ας σημειωθεί η αποκοπή του κλάδου κατά μήκος του αρνητικού πραγματικού άξονα.

Στα μαθηματικά, τα τριγωνομετρικά ολοκληρώματα[1][2] είναι μια οικογένεια μη στοιχειωδών ολοκληρωμάτων που περιλαμβάνουν τριγωνομετρικές συναρτήσεις.

Hμιτονικό ολοκλήρωμα

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]
Plot of Si(x) for 0 ≤ x ≤ 8π.
Γραφική απεικόνιση της ολοκληρωτικής συνάρτησης συνημιτόνου Ci(z) στο μιγαδικό επίπεδο από το −2 − 2i to 2 + 2i
Γραφική απεικόνιση της ολοκληρωτικής συνάρτησης συνημιτόνου Ci(z) στο μιγαδικό επίπεδο −2 − 2i to 2 + 2i

Οι διαφορετικοί ορισμοί του ημιτονικού ολοκληρώματος είναι[3]

Ας σημειωθεί ότι το ολοκλήρωμα είναι η συνάρτηση sinc, καθώς και η μηδενική σφαιρική συνάρτηση Μπέσελ. Δεδομένου ότι η sinc είναι μια άρτια ολόκληρη συνάρτηση (ολομορφική σε ολόκληρο το μιγαδικό επίπεδο), η Si είναι ολόκληρη, περιττή και το ολοκλήρωμα στον ορισμό της μπορεί να ληφθεί κατά μήκος οποιασδήποτε διαδρομής που συνδέει τα ακραία σημεία.

Εξ ορισμού, Si(x) είναι η αντιπαράγωγος της sin x / x της οποίας η τιμή είναι μηδέν στο x = 0 και si(x) είναι η αντιπαράγωγος της οποίας η τιμή είναι μηδέν στο x = ∞. Η διαφορά τους δίνεται από το ολοκλήρωμα του Ντίριχλετ,

Στην επεξεργασία σήματος, οι ταλαντώσεις του ημιτονικού ολοκληρώματος προκαλούν υπερύψωση και τετελεσμένα δακτυλίωσης όταν χρησιμοποιείται το φίλτρο sinc και δακτυλίωση στο πεδίο της συχνότητας εάν χρησιμοποιείται ένα αποκομμένο φίλτρο sinc ως χαμηλοπερατό φίλτρο.

Σχετικό είναι το φαινόμενο Γκιμπς: Εάν το ημιτονοειδές ολοκλήρωμα θεωρηθεί ως συνέλιξη της συνάρτησης sinc με τη βηματική συνάρτηση Χέβισαϊντ (Heaviside), αυτό αντιστοιχεί στην αποκοπή της σειράς Φουριέ, η οποία είναι η αιτία του φαινομένου Γκιμπς.

Συνημιτονικό ολοκλήρωμα

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]
Plot of Ci(x) for 0 < x ≤ 8π

Οι διαφορετικοί ορισμοί του συνημιτονικού ολοκληρώματος είναι οι εξής

H Cin   είναι μια άρτια, ακέραιη συνάρτηση. Για το λόγο αυτό, ορισμένα κείμενα ορίζουν την   Cin   ως την πρωταρχική συνάρτηση και εξάγουν την   Ci   ως προς την   Cin ..

για όπου γ   ≈   0.57721566490 ...   είναι η σταθερά Όιλερ-Μασκερόνι. Ορισμένα κείμενα χρησιμοποιούν το  ci   αντί του   Ci  . Ο περιορισμός στην   Arg(x)   αποσκοπεί στην αποφυγή μιας ασυνέχειας (που φαίνεται ως η πορτοκαλί έναντι της μπλε περιοχής στο αριστερό μισό του παραπάνω διαγράμματος) που προκύπτει λόγω μιας αποκοπής κλάδου στην τυπική συνάρτηση λογαρίθμου (  ln  ).

Ci(x)   είναι η αντιπαράγωγος από   cos x/ x (που εξαφανίζεται καθώς ). Οι δύο ορισμοί συνδέονται με

Υπερβολικό ημιτονικό ολοκλήρωμα

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Το υπερβολικό ημιτονικό ολοκλήρωμα ορίζεται ως εξής

Plot of the hyperbolic cosine integral function Chi(z) in the complex plane from −2 − 2i to 2 + 2i
Γραφική παράσταση της υπερβολικής συνάρτησης συνημιτονικού ολοκληρώματος Chi(z) στο μιγαδικό επίπεδο από -2 - 2i έως 2 + 2i

όπου είναι η σταθερά Όιλερ-Μαστσερόνι. Έχει τη σειρά επέκτασης

Βοηθητικές συναρτήσεις

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Τα τριγωνομετρικά ολοκληρώματα μπορούν να κατανοηθούν με βάση τη λεγόμενη βοηθητική συνάρτηση

Χρησιμοποιώντας αυτές τις συναρτήσεις, τα τριγωνομετρικά ολοκληρώματα μπορούν να επανεκφραστούν ως εξής

(cf. Abramowitz & Stegun, p. 232)

Σπείρα του Νίλσεν.

Η σπείρα που σχηματίζεται από το παραμετρικό διάγραμμα των si, ci είναι γνωστή ως σπείρα του Νίλσεν.

Η σπείρα συνδέεται στενά με τα ολοκληρώματα Φρέσνελ και τη σπείρα του Όιλερ. Η σπείρα του Νίλσεν έχει εφαρμογές στην επεξεργασία όρασης, στην κατασκευή δρόμων και τροχιών και σε άλλους τομείς.[4]

Διάφορα αναπτύγματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αξιολόγηση τριγωνομετρικών ολοκληρωμάτων, ανάλογα με το εύρος του επιχειρήματος.

Ασυμπτωτική σειρά (για μεγάλο επιχείρημα)

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Οι σειρές αυτές είναι ασυμπτωτικές και αποκλίνουσες, αν και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για εκτιμήσεις και ακόμη και για ακριβή αξιολόγηση στο ℜ(x) ≫ 1.

Συγκλίνουσες σειρές

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Αυτές οι σειρές συγκλίνουν σε οποιοδήποτε μιγαδικό x, αν και για |x| ≫ 1, οι σειρές συγκλίνουν αργά αρχικά, απαιτώντας πολλούς όρους για υψηλή ακρίβεια.

Παραγωγή της επέκτασης σειράς

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Από το ανάπτυγμα σειράς Μακλάουριν του ημιτόνικού:

Σχέση με το εκθετικό ολοκλήρωμα του φανταστικού επιχειρήματος

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Η συνάρτηση

ονομάζεται εκθετικό ολοκλήρωμα. Είναι στενά συνδεδεμένο με το Si και το Ci,

Καθώς κάθε αντίστοιχη συνάρτηση είναι αναλυτική εκτός από την αποκοπή σε αρνητικές τιμές του όρου, η περιοχή ισχύος της σχέσης θα πρέπει να επεκταθεί σε (Εκτός αυτής της περιοχής, στην έκφραση εμφανίζονται πρόσθετοι όροι που είναι ακέραιοι παράγοντες του π).

Οι περιπτώσεις φανταστικού ορίσματος της γενικευμένης ολοκληρο-εκθετικής συνάρτησης είναι

το οποίο είναι το πραγματικό μέρος της

Παρομοίως

Αποτελεσματική αξιολόγηση

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Οι προσεγγίσεις Padé των συγκλίνουσων σειρών Τέιλορ παρέχουν έναν αποτελεσματικό τρόπο για την αξιολόγηση των συναρτήσεων για μικρά ορίσματα. Οι ακόλουθοι τύποι, που δίνονται από τους Ρόου κ.ά. (2015),[5] είναι ακριβέστερες από 10-16 για 0 ≤ x ≤ 4,

Τα ολοκληρώματα μπορούν να εκτιμηθούν έμμεσα μέσω των βοηθητικών συναρτήσεων και , οι οποίες ορίζονται ως εξής

or equivalently

Για οι ρητές συναρτήσεις Padé που δίνονται παρακάτω προσεγγίζουν τις και με σφάλμα μικρότερο από 10-16:[5]

Εξωτερικοί σύνδεσμοι

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]
  1. «Integration of Trigonometric Functions». GeeksforGeeks (στα Αγγλικά). 25 Απριλίου 2021. Ανακτήθηκε στις 5 Μαρτίου 2025. 
  2. «Trigonometric Integrals». math24.net. Ανακτήθηκε στις 5 Μαρτίου 2025. 
  3. Prudnikov, Anatoliĭ Platonovich· Brychkov, I︠U︡riĭ Aleksandrovich (1986). Integrals and Series: Special functions. CRC Press. ISBN 978-2-88124-090-4. 
  4. Gray (1993). Modern Differential Geometry of Curves and Surfaces. Boca Raton. σελίδες 119. 
  5. 5,0 5,1 Rowe, B. (2015). «GALSIM: The modular galaxy image simulation toolkit». Astronomy and Computing 10: 121. doi:10.1016/j.ascom.2015.02.002. Bibcode2015A&C....10..121R. 
  • Canuto, Claudio; Tabacco, Anita (2015), Mathematical Analysis II (2nd έκδοση), Springer .
  • Ghorpade, Sudhir R.; Limaye, Balmohan V. (2006), A Course in Calculus and Real Analysis, Springer .
  • Hijab, Omar (2011), Introduction to Calculus and Classical Analysis (3rd έκδοση), Springer .
  • Montesinos, Vicente; Zizler, Peter; Zizler, Václav (2015), An Introduction to Modern Analysis, Springer .
  • Oberguggenberger, Michael; Ostermann, Alexander (2011), Analysis for Computer Scientists, Springer .
  • Pugh, Charles C. (2015), Real Mathematical Analysis (2nd έκδοση), Springer .