這個計算器的功能
本工具會針對你指定的階數(degree)v,在一段掃描的 x 範圍內,列出第一類開爾文函數 berv(x) 與 beiv(x) 的數值表。這兩個函數其實是貝索函數 Jv 在旋轉自變數 \(x\cdot e^{i3\pi/4}\) 上的實部與虛部,常見於交流電阻(集膚效應)、圓柱體熱傳導,以及其他物理與工程問題中。
使用方式
請輸入四個數值:階數 v(常用 0、1、2…)、起始 x 值 x 起始值、每一列遞增的步長 遞增步長,以及 計算列數(表格列數)。預設值會讓 x 從 −7 掃描到 +7,每步 0.2(共 71 列)。計算結果會列出 x、berv(x)、beiv(x)。
公式說明
級數為 $$\mathrm{ber}_v(x) + i\,\mathrm{bei}_v(x) = \left(\frac{x}{2}\right)^{v} e^{\,3v\pi i/4} \sum_{k=0}^{\infty} \frac{\left(\frac{i\,x^{2}}{4}\right)^{k}}{k!\,\Gamma(v+k+1)}$$我們以複數項遞迴的方式計算:每一項都等於前一項乘上 \(\frac{i x^{2}/4}{k(v+k)}\),如此便不必重複計算冪次與階乘。Gamma 函數則對實數 v 採用 Lanczos 近似求得。當某一項相對於累加和已可忽略時,級數即停止加總。
計算範例(v = 0,x = 2)
由級數可得 \(\mathrm{ber}_0(2) \approx 1 - 0.25 + 0.001736 - \cdots \approx 0.75173\),\(\mathrm{bei}_0(2) \approx 1 - 0.027778 + 0.0000694 \approx 0.97229\),與標準函數表相符(\(\mathrm{ber}_0(2)=0.7517\)、\(\mathrm{bei}_0(2)=0.9723\))。
常見問題
v 可以是非整數嗎?可以。Gamma 函數能處理實數 v。當 x 為負且 v 為非整數時,前置因子 \(\left(\frac{x}{2}\right)^{v}\) 是多值函數;此時採用主分支(principal branch)。
為什麼 v=0 時數值會對稱?因為 v=0 的級數只含 x 的偶次冪,所以 \(\mathrm{ber}_0(-x)=\mathrm{ber}_0(x)\)、\(\mathrm{bei}_0(-x)=\mathrm{bei}_0(x)\)。
x 很大時會如何?對於中等大小的 \(|x|\),級數收斂良好。當 \(|x| > 20\) 時需要相當多的項數,改用漸近展開會更穩定;為求最佳精度,建議將數值維持在預設範圍內。