W 0 ( x ) 的图像,− 1 e ≤ x ≤ 4
朗伯W函数 (Template:Lang-en ,又称为欧米加函数 或乘积对数 ),是f ( w ) = w e w 的反函数 ,其中e w 是指数函数 ,w 是任意复数 。对于任何复数z ,都有:
z = W ( z ) e W ( z ) .
由于函数f 不是单射 ,因此函数W 是多值 的(除了0以外)。如果我们把x 限制为实数,并要求w 是实数,那么函数仅对于x ≥ 1 e 有定义,在( − 1 e , 0 ) 内是多值的;如果加上w ≥ − 1 的限制,则定义了一个单值函数W 0 ( x ) (见图)。我们有W 0 ( 0 ) = 0 ,W 0 ( − 1 e ) = − 1 。而在[ − 1 e , 0 ) 内的w ≤ − 1 分支,则记为W − 1 ( x ) ,从W − 1 ( − 1 e ) = − 1 递减为W − 1 ( 0 − ) = − ∞ 。
朗伯W 函数不能用初等函数 来表示。它在组合数学 中有许多用途,例如树 的计算。它可以用来解许多含有指数的方程,也出现在某些微分方程 的解中,例如y ( t ) = a y ( t − 1 ) 。
复平面上的朗伯W函数的函數圖形
微分和积分
朗伯 W 函数的积分形式为
W ( x ) = x π ∫ 0 π ( 1 − v cot v ) 2 + v 2 x + v csc v ⋅ e − v cot v d v , | arg ( x ) | < π
W ( x ) = ∫ − ∞ − 1 e − 1 π ℑ [ d d x W ( x ) ] ln ( 1 − z x ) d x
若 x ∉ [ − 1 e , 0 ] , k ∈ ℤ ,若 x ∈ ( − 1 e , 0 ) , k = 1 , ± 2 , ± 3 , . . .
W k ( x ) = 1 + ( ln x − 1 + 2 k π i ) e i 2 π ∫ 0 ∞ ln t − ln t + ln x + ( 2 k + 1 ) π i t − ln t + ln x + ( 2 k − 1 ) π i ⋅ d t t + 1 = 1 + ( ln x − 1 + 2 k π i ) e i 2 π ∫ 0 ∞ ln ( t − ln t + ln x ) 2 + ( 4 k 2 − 1 ) π 2 + 2 π ( t − ln t + ln x ) i ( t − ln t + ln x ) 2 + ( 2 k − 1 ) 2 π 2 ⋅ d t t + 1
把被积函数的实部和虚部分离出来:
W k ( x ) = 1 + ( ln x − 1 + 2 k π i ) e i 2 π ∫ 0 ∞ [ 1 2 ln ( t − ln t + ln x ) 2 + ( 2 k + 1 ) 2 π 2 ( t − ln t + ln x ) 2 + ( 2 k − 1 ) 2 π 2 + i arctan 2 π ( t − ln t + ln x ) ( t − ln t + ln x ) 2 + ( 4 k 2 − 1 ) π 2 ] ⋅ d t t + 1
W k ( x ) = 1 + ( ln x − 1 ) cos 1 4 π ∫ 0 ∞ ln ( t − ln t + ln x ) 2 + ( 2 k + 1 ) 2 π 2 ( t − ln t + ln x ) 2 + ( 2 k − 1 ) 2 π 2 ⋅ d t t + 1 − 2 k π sin 1 4 π ∫ 0 ∞ ln ( t − ln t + ln x ) 2 + ( 2 k + 1 ) 2 π 2 ( t − ln t + ln x ) 2 + ( 2 k − 1 ) 2 π 2 ⋅ d t t + 1 + i [ ( ln x − 1 ) sin 1 4 π ∫ 0 ∞ ln ( t − ln t + ln x ) 2 + ( 2 k + 1 ) 2 π 2 ( t − ln t + ln x ) 2 + ( 2 k − 1 ) 2 π 2 ⋅ d t t + 1 + 2 k π cos 1 4 π ∫ 0 ∞ ln ( t − ln t + ln x ) 2 + ( 2 k + 1 ) 2 π 2 ( t − ln t + ln x ) 2 + ( 2 k − 1 ) 2 π 2 ⋅ d t t + 1 ] e 1 2 π ∫ 0 ∞ arctan 2 π ( t − ln t + ln x ) ( t − ln t + ln x ) 2 + ( 4 k 2 − 1 ) π 2 ⋅ d t t + 1
设 W k ( x ) = u + v i , x = t + s i ,则有 ( u + v i ) e u + v i = t + s i ,展开分离出实部和虚部,
e u ( u cos v − v sin v ) = t , e u ( u sin v + v cos v ) = s ,当s = 0 时,易知 u = − v cot v
W k ( x ) = ( 1 − ln x ) sin 1 4 π ∫ 0 ∞ ln ( t − ln t + ln x ) 2 + ( 2 k + 1 ) 2 π 2 ( t − ln t + ln x ) 2 + ( 2 k − 1 ) 2 π 2 ⋅ d t t + 1 − 2 k π cos 1 4 π ∫ 0 ∞ ln ( t − ln t + ln x ) 2 + ( 2 k + 1 ) 2 π 2 ( t − ln t + ln x ) 2 + ( 2 k − 1 ) 2 π 2 ⋅ d t t + 1 e 1 2 π ∫ 0 ∞ arctan 2 π ( t − ln t + ln x ) ( t − ln t + ln x ) 2 + ( 4 k 2 − 1 ) π 2 ⋅ d t t + 1 cot ( ln x − 1 ) sin 1 4 π ∫ 0 ∞ ln ( t − ln t + ln x ) 2 + ( 2 k + 1 ) 2 π 2 ( t − ln t + ln x ) 2 + ( 2 k − 1 ) 2 π 2 ⋅ d t t + 1 + 2 k π cos 1 4 π ∫ 0 ∞ ln ( t − ln t + ln x ) 2 + ( 2 k + 1 ) 2 π 2 ( t − ln t + ln x ) 2 + ( 2 k − 1 ) 2 π 2 ⋅ d t t + 1 e 1 2 π ∫ 0 ∞ arctan 2 π ( t − ln t + ln x ) ( t − ln t + ln x ) 2 + ( 4 k 2 − 1 ) π 2 ⋅ d t t + 1 + ( ln x − 1 ) sin 1 4 π ∫ 0 ∞ ln ( t − ln t + ln x ) 2 + ( 2 k + 1 ) 2 π 2 ( t − ln t + ln x ) 2 + ( 2 k − 1 ) 2 π 2 ⋅ d t t + 1 + 2 k π cos 1 4 π ∫ 0 ∞ ln ( t − ln t + ln x ) 2 + ( 2 k + 1 ) 2 π 2 ( t − ln t + ln x ) 2 + ( 2 k − 1 ) 2 π 2 ⋅ d t t + 1 e 1 2 π ∫ 0 ∞ arctan 2 π ( t − ln t + ln x ) ( t − ln t + ln x ) 2 + ( 4 k 2 − 1 ) π 2 ⋅ d t t + 1 i ,
W 0 ( x ) = 1 + ( ln x − 1 ) e − 1 π ∫ 0 ∞ arg ( t − ln t + ln x + π i ) ⋅ d t t + 1 , x > 0
若 x > 1 e ,上式还可化为W 0 ( x ) = 1 + ( ln x − 1 ) e − 1 π ∫ 0 ∞ arctan π t − ln t + ln x ⋅ d t t + 1
由隐函数 的求导法则,朗伯W 函数满足以下的微分方程 :
z [ 1 + W ( z ) ] d d z W ( z ) = W ( z ) ,z ≠ − 1 e ,
因此:
d d z W ( z ) = W ( z ) z [ 1 + W ( z ) ] ,z ≠ − 1 e .
函数W ( x ) ,以及许多含有W ( x ) 的表达式,都可以用w = W ( x ) 的变量代换 来积分,也就是说x = w e w
∫ W ( x ) d x = x [ W ( x ) + 1 W ( x ) − 1 ] + C
∫ 0 1 W ( x ) d x = Ω + 1 Ω − 2 ≈ 0 . 3 3 0 3 6 6
其中Ω 為欧米加常数 。
性质
1 、z z z z z . . . = lim n → ∞ ( z ⇈ n ) = − W ( − ln z ) ln z ,
其中⇈ 是高德納箭號表示法 。
2 、若z > 0 ,则ln W ( z ) = ln z − W ( z )
泰勒级数
W 0 在x = 0 的泰勒级数如下:
W 0 ( x ) = ∑ n = 1 ∞ ( − n ) n − 1 n ! x n = x − x 2 + 3 2 x 3 − 8 3 x 4 + 1 2 5 2 4 x 5 − ⋯
收敛半径 为 1 e 。
加法定理
W ( x ) + W ( y ) = W [ x y W ( x ) + x y W ( y ) ]
x > 0 , y > 0
複數值
實部
ℜ [ W ( x + y i ) ] = ∑ k = 1 ∞ ( − k ) k − 1 k ! ( x 2 + y 2 ) k cos ( k arctan x y ) , x 2 + y 2 < 1 e 2
虛部
ℑ [ W ( x + y i ) ] = ∑ k = 1 ∞ ( − k ) k − 1 k ! ( x 2 + y 2 ) k sin ( k arctan x y ) , x 2 + y 2 < 1 e 2
模長
| W ( x + y i ) | = W ( x + y )
模角
arg [ W ( x + y i ) ] = ∑ k = 1 ∞ ( − k ) k − 1 k ! arctan [ cot ( k arctan x y ) ] , x 2 + y 2 < 1 e 2
共軛值
W ( x + y i ) ‾ = ∑ k = 1 ∞ ( − k ) k − 1 k ! ( x 2 + y 2 ) k [ cos ( k arctan x y ) − i sin ( k arctan x y ) ] , x 2 + y 2 < 1 e 2
特殊值
W ( − π 2 ) = π 2 i
W ( − ln 2 2 ) = − ln 2
W ( − 1 e ) = − 1
W ( 1 ) = Ω = 1 ∫ − ∞ ∞ d x ( e x − x ) 2 + π 2 − 1 ≈ 0 . 5 6 7 1 4 3 2 9 … (欧米加常数 )
W ( e ) = 1
W ( e e + 1 ) = e
W ( 1 e 1 − 1 e ) = 1 e
W ( π e π ) = π
W ( k ln k ) = ln k ( k > 0 )
W ( i π ) = − i π
W ( − i π ) = i π
W ( i cos 1 − sin 1 ) = i
W ( − 3 2 π ) = − 3 2 π i
W ( − 8 7 7 ln 2 ) = − 3 2 7 ln 2
W ( − 3 5 4 ln 3 ) = − 9 2 ln 3
W ( − ln 2 4 ) = − 4 ln 2
W ( − 1 ) = e 1 2 π ∫ 0 ∞ 1 t + 1 arctan 2 π t − ln t d t − cos [ 1 4 π ∫ 0 ∞ 1 t + 1 ln ( t − ln t ) 2 4 π 2 + ( t − ln t ) 2 d t ] + π sin [ 1 4 π ∫ 0 ∞ 1 t + 1 ln ( t − ln t ) 2 4 π 2 + ( t − ln t ) 2 d t ] − i { π cos [ 1 4 π ∫ 0 ∞ 1 t + 1 ln ( t − ln t ) 2 4 π 2 + ( t − ln t ) 2 d t ] + sin [ 1 4 π ∫ 0 ∞ 1 t + 1 ln ( t − ln t ) 2 4 π 2 + ( t − ln t ) 2 d t ] } e 1 2 π ∫ 0 ∞ 1 t + 1 arctan 2 π t − ln t d t ≈ − 0 . 3 1 8 1 3 − 1 . 3 3 7 2 3 i
W ( − ln k k ) = − ln k
W [ − ln ( x + 1 ) x ( x + 1 ) 1 x ] = − x + 1 x ln ( x + 1 ) > , − 1 < x < 0
应用
许多含有指数的方程都可以用W 函数来解出。一般的方法是把未知数都移到方程的一侧,并设法化为Y = X e X 的形式。
例子
例子1
2 t = 5 t
⇒ 1 = 5 t 2 t
⇒ 1 = 5 t e − t ln 2
⇒ 1 5 = t e − t ln 2
⇒ − ln 2 5 = ( − t ln 2 ) e − t ln 2
⇒ − t ln 2 = W k ( − ln 2 5 )
⇒ t = − W k ( − ln 2 5 ) ln 2
更一般地,以下的方程
Q a x + b = c x + d
其中
Q > 0 ∧ Q ≠ 1 ∧ c ≠ 0
两边同乘: a c ,
得到:a c Q a x + b = a x + a d c
同除以:Q a x ,
得到:a c Q b = ( a x + a d c ) Q − a x
同除:Q a d c ,
a c Q b − a d c = ( a x + a d c ) Q − ( a x + a d c )
可以用变量代换
令t = a x + a d c
化为
t Q − t = a c Q b − a d c
即:t ( e ln Q ) − t = a c Q b − a d c
同乘:ln Q
得出
t ln Q ⋅ e − t ln Q = ln Q ⋅ a c Q b − a d c
故t ln Q = − W k ( − a ln Q c Q b − a d c )
带入t = a x + a d c
为
( a x + a d c ) ln Q = − W k ( − a ln Q c Q b − a d c )
因此最终的解为
x = − W k ( − a ln Q c Q b − a d c ) a ln Q − d c
若辅助方程:x e x = − a ln Q c Q b − a d c 中,
− a ln Q c Q b − a d c ∈ ( − ∞ , − 1 e ) ,
辅助方程无实数解,原方程亦无实解;
若:− a ln Q c Q b − a d c ∈ { − 1 e } ∪ [ 0 , + ∞ ) ,
辅助方程有一实数解,原方程有一实解:
x = − W k ( − a ln Q c Q b − a d c ) a ln Q − d c
若: − a ln Q c Q b − a d c ∈ ( − 1 e , 0 ) ,
辅助方程有二实解,设为W ( − a ln Q c Q b − a d c ) ,
W − 1 ( − a ln Q c Q b − a d c ) ,
为
x 1 = − W ( − a ln Q c Q b − a d c ) a ln Q − d c
x 2 = − W − 1 ( − a ln Q c Q b − a d c ) a ln Q − d c
例子2
用类似的方法,可知以下方程的解
x x = t ,
为
x = ln t W ( ln t )
或
x = exp ( W k [ ln ( t ) ] ) .
例子3
以下方程的解
x log b x = a
具有形式
x = a ln b W k ( a ln b )
例子4
x a − b x = 0
a > 0 : b > 0 : x > 0
取对数,
a ln x = x ln b
ln x x = ln b a
e ln x x = e ln b a
x 1 x = b 1 a
取倒数,
( 1 x ) 1 x = b − 1 a
1 x = − ln b a W ( − 1 a ln b )
最终解为 : x = − a ln b W k ( − ln b a )
例子5
( a x + b ) n = u c x + d
两边开n 次方并除以a 得
x + b a = u c n x + d n a ( cos 2 k π n + i sin 2 k π n )
令u = e ln u ,
化为
x + b a = e c ln u n x + d ln u n a ( cos 2 k π n + i sin 2 k π n )
两边同乘
− c ln u n u − c n x − c b n a ,
( − c ln u n x − c b ln u n a ) e − c ln u n x − c b ln u n a = − c ln u n a u d n − c b n a ( cos 2 k π n + i sin 2 k π n )
最终得
x k = − n c ln u W k [ − c ln u n a u d n − c b n a ( cos 2 k π n + i sin 2 k π n ) ] − b a
k ∈ ℤ
一般化
標準的 Lambert W 函數可用來表示以下超越代數方程式的解:
e − c x = a o ( x − r ) ( 1 )
其中 a 0 , c 與 r 為實常數。
其解為x = r + W ( c e − c r a o ) c
Lambert W 函數之一般化[ 1] [ 2] [ 3] 包括:
一項在低維空間內廣義相對論 與量子力學 的應用(量子引力 ),實際上一種以前未知的 連結 於此二區域中,如 “Journal of Classical and Quantum Gravity”[ 4] 所示其 (1) 的右邊式現為二維多項式 x:
e − c x = a o ( x − r 1 ) ( x − r 2 ) ( 2 )
其中 r 1 和 r 2 是不同實常數,為二維多項式的根。於此函數解有單一引數 x 但 r i 和 a o 為函數的參數。如此一來,此一般式類似於 “hypergeometric”(超几何分布)函數與 “Meijer G“,但屬於不同類函數。當 r 1 = r 2 ,(2)的兩方可分解為 (1) 因此其解簡化為標準 W 函數。(2)式代表著 “dilaton”(軸子 )場的方程,可據此推導線性,雙體重力問題 1+1 維(一空間維與一時間維)當兩不等(靜止)質量,以及,量子力學的特徵能Delta位勢阱 給不等電位於一維空間。
量子力學的一特例特徵能的分析解三體問題,亦即(三維)氢分子離子 。[ 5] 於此 (1)(或 (2))的右手邊現為無限級數多項式之比於 x :
e − c x = a o ∏ i = 1 ∞ ( x − r i ) ∏ i = 1 ∞ ( x − s i ) ( 3 )
其中 r i 與 s i 是相異實常數而 x 是特徵能和內核距離R之函數。式 (3) 與其特例表示於 (1) 和 (2) 是與一更大類型延遲微分方程 。由于哈代 的“虚假导数”概念,多根的特殊情况得以解决[ 6] 。
Lambert "W" 函數於基礎物理問題之應用並未完全即使標準情況如 (1) 最近在原子,分子,與光學物理領域可見[ 7] 以及黎曼假设 的 Keiper-Li 准则 [ 8]
图象
朗伯W函数在复平面上的图像
z = Re(W0 (x + i y ))
z = Im(W0 (x + i y ))
计算
W 函数可以用以下的递推关系 算出:
w j + 1 = w j − w j e w j − z e w j ( w j + 1 ) − ( w j + 2 ) ( w j e w j − z ) 2 w j + 2
参考来源
↑ T.C. Scott and R.B. Mann, General Relativity and Quantum Mechanics: Towards a Generalization of the Lambert W Function , AAECC (Applicable Algebra in Engineering, Communication and Computing), vol. 17, no. 1, (April 2006), pp.41-47, [1] ; Arxiv [2] Template:Wayback
↑ T.C. Scott, G. Fee and J. Grotendorst, "Asymptotic series of Generalized Lambert W Function" Template:Wayback , SIGSAM, vol. 47, no. 3, (September 2013), pp. 75-83
↑ T.C. Scott, G. Fee, J. Grotendorst and W.Z. Zhang, "Numerics of the Generalized Lambert W Function" Template:Wayback , SIGSAM, vol. 48, no. 2, (June 2014), pp. 42-56
↑ P.S. Farrugia, R.B. Mann, and T.C. Scott, N-body Gravity and the Schrödinger Equation , Class. Quantum Grav. vol. 24, (2007), pp. 4647-4659, [3] ; Arxiv [4] Template:Wayback
↑ T.C. Scott, M. Aubert-Frécon and J. Grotendorst, New Approach for the Electronic Energies of the Hydrogen Molecular Ion , Chem. Phys. vol. 324, (2006), pp. 323-338, [5] Template:Wayback ; Arxiv [6] Template:Wayback
↑ Aude Maignan, T.C. Scott, "Fleshing out the Generalized Lambert W Function", SIGSAM, vol. 50, no. 2, (June 2016), pp. 45-60
↑ T.C. Scott, A. Lüchow, D. Bressanini and J.D. Morgan III, The Nodal Surfaces of Helium Atom Eigenfunctions , Phys. Rev. A 75, (2007), p. 060101, [7] Template:Wayback
↑ R.C. McPhedran, T.C Scott and Aude Maignan, "The Keiper-Li Criterion for the Riemann Hypothesis and Generalized Lambert Functions", ACM Commun. Comput. Algebra, vol. 57, no. 3, (December 2023), pp. 85-110
外部链接