朗伯W函数

来自testwiki
跳转到导航 跳转到搜索
W0(x)的图像,1ex4

朗伯W函数Template:Lang-en,又称为欧米加函数乘积对数),是f(w)=wew反函数,其中ew指数函数w是任意复数。对于任何复数z,都有:

z=W(z)eW(z).

由于函数f不是单射,因此函数W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x1e有定义,在(1e,0)内是多值的;如果加上w1的限制,则定义了一个单值函数W0(x)(见图)。我们有W0(0)=0W0(1e)=1。而在[1e,0)内的w1分支,则记为W1(x),从W1(1e)=1递减为W1(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)=ay(t1)

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)=xπ0π(1vcotv)2+v2x+vcscvevcotvdv,|arg(x)|<π
W(x)=1e1π[ddxW(x)]ln(1zx)dx


x∉[1e,0],k ,若 x(1e,0),k=1,±2,±3,...

Wk(x)=1+(lnx1+2kπi)ei2π0lntlnt+lnx+(2k+1)πitlnt+lnx+(2k1)πidtt+1=1+(lnx1+2kπi)ei2π0ln(tlnt+lnx)2+(4k21)π2+2π(tlnt+lnx)i(tlnt+lnx)2+(2k1)2π2dtt+1

把被积函数的实部和虚部分离出来:

Wk(x)=1+(lnx1+2kπi)ei2π0[12ln(tlnt+lnx)2+(2k+1)2π2(tlnt+lnx)2+(2k1)2π2+iarctan2π(tlnt+lnx)(tlnt+lnx)2+(4k21)π2]dtt+1
Wk(x)=1+(lnx1)cos14π0ln(tlnt+lnx)2+(2k+1)2π2(tlnt+lnx)2+(2k1)2π2dtt+12kπsin14π0ln(tlnt+lnx)2+(2k+1)2π2(tlnt+lnx)2+(2k1)2π2dtt+1+i[(lnx1)sin14π0ln(tlnt+lnx)2+(2k+1)2π2(tlnt+lnx)2+(2k1)2π2dtt+1+2kπcos14π0ln(tlnt+lnx)2+(2k+1)2π2(tlnt+lnx)2+(2k1)2π2dtt+1]e12π0arctan2π(tlnt+lnx)(tlnt+lnx)2+(4k21)π2dtt+1


Wk(x)=u+vi,x=t+si ,则有 (u+vi)eu+vi=t+si ,展开分离出实部和虚部,

eu(ucosvvsinv)=t,eu(usinv+vcosv)=s,当s=0时,易知 u=vcotv


Wk(x)=(1lnx)sin14π0ln(tlnt+lnx)2+(2k+1)2π2(tlnt+lnx)2+(2k1)2π2dtt+12kπcos14π0ln(tlnt+lnx)2+(2k+1)2π2(tlnt+lnx)2+(2k1)2π2dtt+1e12π0arctan2π(tlnt+lnx)(tlnt+lnx)2+(4k21)π2dtt+1cot(lnx1)sin14π0ln(tlnt+lnx)2+(2k+1)2π2(tlnt+lnx)2+(2k1)2π2dtt+1+2kπcos14π0ln(tlnt+lnx)2+(2k+1)2π2(tlnt+lnx)2+(2k1)2π2dtt+1e12π0arctan2π(tlnt+lnx)(tlnt+lnx)2+(4k21)π2dtt+1+(lnx1)sin14π0ln(tlnt+lnx)2+(2k+1)2π2(tlnt+lnx)2+(2k1)2π2dtt+1+2kπcos14π0ln(tlnt+lnx)2+(2k+1)2π2(tlnt+lnx)2+(2k1)2π2dtt+1e12π0arctan2π(tlnt+lnx)(tlnt+lnx)2+(4k21)π2dtt+1i,
W0(x)=1+(lnx1)e1π0arg(tlnt+lnx+πi)dtt+1,x>0

x>1e ,上式还可化为W0(x)=1+(lnx1)e1π0arctanπtlnt+lnxdtt+1

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)]ddzW(z)=W(z)z1e,

因此:

ddzW(z)=W(z)z[1+W(z)]z1e.

函数W(x),以及许多含有W(x)的表达式,都可以用w=W(x)变量代换来积分,也就是说x=wew

W(x)dx=x[W(x)+1W(x)1]+C
01W(x)dx=Ω+1Ω20.330366

其中Ω欧米加常数

性质

1zzzzz...=limn(zn)=W(lnz)lnz

其中高德納箭號表示法

2、若z>0,则lnW(z)=lnzW(z)

泰勒级数

W0x=0的泰勒级数如下:

W0(x)=n=1(n)n1n! xn=xx2+32x383x4+12524x5

收敛半径1e


加法定理

W(x)+W(y)=W[xyW(x)+xyW(y)]
x>0,y>0

複數值

實部

[W(x+yi)]=k=1(k)k1k!(x2+y2)kcos(karctanxy) , x2+y2<1e2

虛部

[W(x+yi)]=k=1(k)k1k!(x2+y2)ksin(karctanxy), x2+y2<1e2

模長

|W(x+yi)|=W(x+y)

模角

arg[W(x+yi)]=k=1(k)k1k!arctan[cot(karctanxy)], x2+y2<1e2

共軛值

W(x+yi)=k=1(k)k1k!(x2+y2)k[cos(karctanxy)isin(karctanxy)], x2+y2<1e2

特殊值

W(π2)=π2i
W(ln22)=ln2
W(1e)=1
W(1)=Ω=1dx(exx)2+π210.56714329欧米加常数
W(e)=1
W(ee+1)=e
W(1e11e)=1e
W(πeπ)=π
W(klnk)=lnk (k>0)
W(iπ)=iπ
W(iπ)=iπ
W(icos1sin1)=i
W(32π)=32πi
W(877ln2)=327ln2
W(354ln3)=92ln3
W(ln24)=4ln2
W(1)=e12π01t+1arctan2πtlntdtcos[14π01t+1ln(tlnt)24π2+(tlnt)2dt]+πsin[14π01t+1ln(tlnt)24π2+(tlnt)2dt]i{πcos[14π01t+1ln(tlnt)24π2+(tlnt)2dt]+sin[14π01t+1ln(tlnt)24π2+(tlnt)2dt]}e12π01t+1arctan2πtlntdt0.318131.33723i
W(lnkk)=lnk
W[ln(x+1)x(x+1)1x]=x+1xln(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=XeX的形式。

例子

例子1
2t=5t
1=5t2t
1=5tetln2
15=tetln2
ln25=(tln2)etln2
tln2=Wk(ln25)
t=Wk(ln25)ln2

更一般地,以下的方程

Qax+b=cx+d

其中

Q>0Q1c0

两边同乘: ac

得到:acQax+b=ax+adc

同除以:Qax

得到:acQb=(ax+adc)Qax

同除:Qadc

acQbadc=(ax+adc)Q(ax+adc)

可以用变量代换

t=ax+adc

化为

tQt=acQbadc

即:t(elnQ)t=acQbadc

同乘:lnQ

得出

tlnQetlnQ=lnQacQbadc

tlnQ=Wk(alnQcQbadc)

带入t=ax+adc

(ax+adc)lnQ=Wk(alnQcQbadc)

因此最终的解为

x=Wk(alnQcQbadc)alnQdc

若辅助方程:xex=alnQcQbadc中,

alnQcQbadc(,1e),

辅助方程无实数解,原方程亦无实解;

若:alnQcQbadc{1e}[0,+),

辅助方程有一实数解,原方程有一实解:

x=Wk(alnQcQbadc)alnQdc

若: alnQcQbadc(1e,0),

辅助方程有二实解,设为W(alnQcQbadc)

W1(alnQcQbadc)

x1=W(alnQcQbadc)alnQdc

x2=W1(alnQcQbadc)alnQdc

例子2

用类似的方法,可知以下方程的解

xx=t,

x=lntW(lnt)

x=exp(Wk[ln(t)]).
例子3

以下方程的解

xlogbx=a

具有形式

x=alnbWk(alnb)


例子4
xabx=0
a>0 : b>0 : x>0

取对数,

alnx=xlnb
lnxx=lnba
elnxx=elnba
x1x=b1a

取倒数,

(1x)1x=b1a
1x=lnbaW(1alnb)

最终解为 : x=alnbWk(lnba)

例子5
(ax+b)n=ucx+d

两边开n次方并除以a

x+ba=ucnx+dna(cos2kπn+isin2kπn)

u=elnu

化为

x+ba=eclnunx+dlnuna(cos2kπn+isin2kπn)

两边同乘

clnunucnxcbna

(clnunxcblnuna)eclnunxcblnuna=clnunaudncbna(cos2kπn+isin2kπn)

最终得

xk=nclnuWk[clnunaudncbna(cos2kπn+isin2kπn)]ba

k

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:

ecx=ao(xr)(1)

其中 a0, cr 為實常數。

其解為x=r+W(cecrao)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:
ecx=ao(xr1)(xr2)(2)
其中 r1r2 是不同實常數,為二維多項式的根。於此函數解有單一引數 xriao 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 r1 = r2,(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
ecx=aoi=1(xri)i=1(xsi)(3)
其中 risi 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

计算

W函数可以用以下的递推关系算出:

wj+1=wjwjewjzewj(wj+1)(wj+2)(wjewjz)2wj+2

参考来源

  1. 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
  2. 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
  3. 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
  4. 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
  5. 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
  6. Aude Maignan, T.C. Scott, "Fleshing out the Generalized Lambert W Function", SIGSAM, vol. 50, no. 2, (June 2016), pp. 45-60
  7. 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
  8. 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