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輸入計算

數學公式

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結果

第一類惠特克函數 M_{k,m}(z)
0.076828057
M = e^(-z/2) z^(m+1/2) 1F1(m-k+1/2; 2m+1; z)
a = m - k + 1/2 1.5
b = 2m + 1 7

什麼是惠特克函數 M_{k,m}(z)?

第一類惠特克函數 M_{k,m}(z) 是一個特殊函數,用來求解惠特克微分方程式:y'' + ( 1/4 - k/z + (m^2 - 1/4)/z^2 ) y = 0。該方程式的通解由 M_{k,m}(z) 與第二類惠特克函數 W_{k,m}(z) 共同組成。本計算器只回傳 M_{k,m}(z),也就是以庫默合流超幾何函數建構而成的正則解。它廣泛出現在數學物理之中,包括徑向庫侖波函數與拋物柱面相關問題。這屬於純數學範疇,放諸四海皆準,沒有任何地區性的特定假設。

惠特克 M 函數的折線圖,從原點上升、達到峰值,並隨 z 增大而衰減
z > 0 時第一類惠特克函數 M_{k,m}(z) 的典型形狀。

如何使用本計算器

請輸入三個實數:參數 k 與 m,以及自變數 z。請讓 z > 0,這樣當 m 為非整數時,z^(m+1/2) 才能得到實數結果。應避免使 2m+1 成為非正整數的 m 值(即 m = 0、-1/2、-1、…),因為這會在級數的分母中產生極點。精度選項僅控制顯示的位數多寡;底層採用雙精度浮點運算,對於中等範圍的輸入值(大約 |z| 在 30 以內)都能維持精確。

公式解析

令 a = m - k + 1/2、b = 2m + 1,則該函數為 M = e^(-z/2) * z^(m+1/2) * 1F1(a; b; z)。合流超幾何級數 1F1 採逐項相加的方式計算,使用遞迴關係式 term_n = term_{n-1} * (a + n - 1)/(b + n - 1) * z/n,由 term_0 = 1 起算。每一項持續累加,直到相對於目前總和已可忽略為止,並設有上限以避免無窮迴圈。

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將惠特克 M 公式分解為三個相乘因子的示意圖
M_{k,m}(z) 是指數衰減、冪因子與庫默爾 1F1 級數的乘積。

範例演算

取 k = 2、m = 3、z = 0.5。則 a = 3 - 2 + 0.5 = 1.5,b = 7。級數 1F1(1.5; 7; 0.5) 收斂至約 1.1160881。前置因子為 e^(-0.25) = 0.7788008 乘以 0.5^3.5 = 0.0883883,得到 0.0688384。再乘上級數值,即得 M_{2,3}(0.5) 約等於 0.0768344。

常見問題

為什麼 z 必須為正?當 m + 1/2 為非整數時,因子 z^(m+1/2) 在 z ≤ 0 時會是多值或複數,因此要得到實數結果就必須 z > 0。當 m + 1/2 > 0 時,函數在 z = 0 處的值為 0。

若 2m+1 為非正整數會怎樣?分母中的波赫哈默符號(Pochhammer symbol)會變成零,使級數無定義;此時計算器會回傳 0,你應該更換 m 值。

級數一定會收斂嗎?會。1F1 對 z 而言是整函數(entire function),不過當 |z| 很大時收斂速度緩慢,在一般雙精度運算下可能損失精確度。

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