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輸入計算

數學公式

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結果

第一類開爾文函數
71 rows
Order v = 0  |  x from -7 to 7
-7.0 7.0 -3.6329302425079018 -21.23940257957222
x ber_v(x) bei_v(x)
-7 -3.63293 -21.239403
-6.8 -5.815515 -18.073624
-6.6 -7.328688 -15.046993
-6.4 -8.27625 -12.222863
-6.2 -8.756062 -9.643739
-6 -8.858316 -7.334747
-5.8 -8.664445 -5.306845
-5.6 -8.246576 -3.559747
-5.4 -7.667394 -2.084517
-5.2 -6.980346 -0.86584
-5 -6.230082 0.116034
-4.8 -5.453076 0.883657
-4.6 -4.678357 1.461037
-4.4 -3.928307 1.872564
-4.2 -3.21948 2.142168
-4 -2.563417 2.29269
-3.8 -1.967423 2.345433
-3.6 -1.435305 2.319864
-3.4 -0.968039 2.233446
-3.2 -0.564376 2.101573
-3 -0.22138 1.937587
-2.8 0.065112 1.752851
-2.6 0.300092 1.556878
-2.4 0.489048 1.357485
-2.2 0.63769 1.16097
-2 0.751734 0.972292
-1.8 0.836722 0.795262
-1.6 0.897891 0.632726
-1.4 0.940075 0.486734
-1.2 0.967629 0.358704
-1 0.984382 0.249566
-0.8 0.993601 0.159886
-0.6 0.997975 0.08998
-0.4 0.9996 0.039998
-0.2 0.999975 0.01
0 1 0
0.2 0.999975 0.01
0.4 0.9996 0.039998
0.6 0.997975 0.08998
0.8 0.993601 0.159886
1 0.984382 0.249566
1.2 0.967629 0.358704
1.4 0.940075 0.486734
1.6 0.897891 0.632726
1.8 0.836722 0.795262
2 0.751734 0.972292
2.2 0.63769 1.16097
2.4 0.489048 1.357485
2.6 0.300092 1.556878
2.8 0.065112 1.752851
3 -0.22138 1.937587
3.2 -0.564376 2.101573
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3.6 -1.435305 2.319864
3.8 -1.967423 2.345433
4 -2.563417 2.29269
4.2 -3.21948 2.142168
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4.6 -4.678357 1.461037
4.8 -5.453076 0.883657
5 -6.230082 0.116034
5.2 -6.980346 -0.86584
5.4 -7.667394 -2.084517
5.6 -8.246576 -3.559747
5.8 -8.664445 -5.306845
6 -8.858316 -7.334747
6.2 -8.756062 -9.643739
6.4 -8.27625 -12.222863
6.6 -7.328688 -15.046993
6.8 -5.815515 -18.073624
7 -3.63293 -21.239403

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。

隨 x 振幅逐漸增大的兩條振盪曲線,一條實線一條虛線
在一段 x 範圍內 ber(x)(實線)和 bei(x)(虛線)的典型形狀。

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。

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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(\(\mathrm{ber}_0(2)=0.7517\)、\(\mathrm{bei}_0(2)=0.9723\))。

冪級數各項依次減小,累加到曲線上的一個點
範例:對級數各項求和得到 ber_0(2) 和 bei_0(2)。

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。

最後更新: