数値積分しかできない関数の積分

著者:Mathcot.H.I.
初版:2007.12.08
Update:2011.08.26




定積分は存在する(積分が収束する)が、初等関数で積分結果が表せない積分が 存在します。
こういう積分は
ことになります。

誤差関数 erf(x), erf(z)
∫exp (-x2)dx=((√π)/2)erf(x)
∫exp (x2)dx=-i ((√π)/2)erf (i x)
0 exp (-x2)dx=(√π)/2
  
正弦積分関数Si (x)
余弦積分関数Ci (x)
∫sin (x)/x dx=Si (x)
∫cos (x)/x dx=Ci (x)


 
Polylogarithm function Lin(x)(ポリログ関数), 多重対数関数1) [特殊関数]
 Lin+1(z)=∫0z Lin(t)/t dt, Li1(z)=-ln(1-z)
n=2の時dilogarithm function Li2(z)(2重対数関数1),Spence's function)
 Li2(z)=-∫0z {log(1-z)}/z dz
n=3の時trilogarithm function(3重対数関数)
デバイ模型1), デバイ比熱式2),3)に 現れる積分
∫[0,x] x4 ex/(ex-1)2 dx=12x2 Li2(ex)-24x Li3(ex)+24 Li4(ex)-x4 +4x3 ln(1-ex)-(x4/(ex-1))
∫[0,x] x3/(ex-1) dx=6Li4(ex)-6x Li3(ex)+3x2 Li2(ex)+x3 ln(1-ex) -x4/4
0 x4 ex/(ex-1)2 dx=Γ(5)ζ(4)=(4!)π4/90=(4/15)π4≒25.975757609067316596384088716999
0 x3/(ex-1) dx =π4/15≒6.493939402266829149096022
 
Fresnel積分S(x), C(x)
Fresnel正弦積分: S(z)=0xsin(πt2/2) dt Fresnel余弦積分: C(x)=∫0xcos(πt2/2) dt
∫sin(x2/2)dx=√πS(x/√π)
∫cos(x2/2)dx=(√π) C(x/√π)


指数積分関数Ei (x), Ei (z)

∫exp (x)/x dx=-Ei (i, -x)
∫exp (-x)/x dx=Ei (i, -x)



Lambert's W function ランベルトW関数1) 
z=W(z)eW(z) のW(z)
y=W(x)のグラフ1)
W(x)計算サイト1)
W(-π/2)=iπ/2
W(-1/e)=-1
W(-ln(2)/2)=-ln(2)
W(0)=0
W(e)=1
W(1)=Ω(オメガ定数)
∫W(x)dx=x{W(x)-1+(1/W(x))}+C
xx=zの解:x=ln(z)/W(ln(z))=exp(W(ln(z)))


ガンマ関数1) Γ(x), Γ(k, x)
別呼称:Omega function, product log(対数積)
nが自然数のとき Γ(n+1)=n!
Γ(1)=0!=1,Γ(1/2)=√π
Γ(z)=∫0 tz-1 e-t dt (Re z >0)
留数Res(Γ(z),-n)=(-1)n/n!
ホワイタッカーのM 関数Whittaker M (m,n,x)
∫exp(x3) dx =(x/9){-3Γ(1/3,-x3) Γ(2/3)+2π√3}/{Γ(2/3) (-x3)1/3}
∫exp(-x3) dx ={x exp(-x3)/4}{3exp(x3/2) M (1/6, 2/3, x3)+4(x3)1/6}/{(x3)1/6}
0exp (-x3) dx=2π√3/{9Γ(2/3)} 0exp (-x5) dx=π/{5sin (π/5)Γ(4/5)}




∫[0,π/2] sin(cos(x))dx=(π/2) StruveH(0,1)
∫[0,π/2] sin(sin(x))dx=(π/2) StruveH(0,1)
∫[0,π/2] cos(cos(x))dx=(π/2) BesselJ(0,1)
∫[0,π/2] cos(sin(x))dx=(π/2) BesselJ(0,1)


∫1/√sin(x)dx=i √2 csgn(cos(x) F(√{1+sin(x)},1/√2)
Fは第 一種楕円関数F(φ,m)

∫[0→π]1/√sin(x)dx=2√2 K(1/√2)
Kは第 一種完全楕円関数K(m)

∫√{1+(cos(x))^2}dx=-csgn(sin(x)) E(cos(x),1)
∫√{1+(sin(x))^2}dx=csgn(cos(x)) E(sin(x),1)
E は第二種完全楕円関数E(m)


参考URL
[1] 超越関数
[2] 特殊関数[Mathematica](オイラーのΓ(z)関数,逆Γ関数,不完全Γ(a,z)関数,ディΓ関数Ψ(z),β(a,b)関 数,逆β関数,レルヒの超越関数Φ(z,s,a),多重対数関数Lin(z),リーマンのζ(s)関数,一般化さ れたζ(s,a)関数,リーマン・ジーゲル関数θ(t),Z(t),指数積分Ei(z),En(z), 対数積分Li(z),正弦積分Si(z),余弦積分Ci(z),双曲線余弦積分Chi(z),双曲線正弦積分Shi(z),誤差関数 erf(z),相補誤 差関数erfc(z),フレネルのC積分C(z),逆誤差関数、逆相補誤差関数,ベッセル関数Jn(z),Yn(z),変形ベッセル関数 In(z),Kn (z),シュトルーベ関数Hn(z),変形シュトルーべ関数Ln(z),エアリー関数Ai(z),Bi(z),第一種ルジャンドル関数 Pn(z),第一種 ルジャンドル陪関数Pnm(z),第 二種ルジャンドル関数Qn(z),第二種ルジャンドル陪関数Qnm(z),超幾何関数0F1(;a;z),2F1(a;b;c;z), クンマーの合流型超幾何関数1F1(a;b;z),合流型超幾何関数U(a,b,z),マ イヤーのG関数,2変数のアッペル超幾何関数F1(a;b1,b2;c;x,y),乗積対 数関数W(z)

[3] 正規分布関数
[4] 楕円積分と楕円関数
[5] dilogarithm関数Ei2(z)1], dilog(x)  2]
[6] Matlab関数1] 
[7] Fresnel正弦積分1],2]と Fresnel余弦積分3],4] 、フレスネル積分表5 

 

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更新履歴:
初版:2007.12.08
Update:2008.04.15
Update:2008.11.22
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