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输入计算

数学公式

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结果

菲涅尔正弦积分 S(x)
0.438259147390355
at x = 1 (pi/2 convention)
配套余弦积分 C(x) 0.779893400376823
定义 S(x) = ∫₀ˣ sin(π t²/2) dt
对称性 S(-x) = -S(x)(奇函数)

什么是菲涅尔正弦积分?

菲涅尔正弦积分 \(S(x)\) 及其配套的余弦积分 \(C(x)\) 是一类特殊函数,常见于光学(菲涅尔衍射)、天线理论以及科纽螺线(欧拉螺线)的几何描述中。本计算器采用 \(\pi/2\) 归一化约定:\(S(x)\) 定义为 \(\sin(\pi t^2 / 2)\) 从 0 到 \(x\) 的积分,\(C(x)\) 则把被积函数换成余弦。在该约定下,当 \(x\) 趋向正无穷时,两个函数都会逼近 \(1/2\)。

菲涅耳正弦积分 S(x) 振荡并收敛于正负二分之一的图像
菲涅耳正弦积分 \(S(x)\) 振荡,并在 \(x \to \pm\infty\) 时收敛于 \(\pm 1/2\)。

使用方法

输入任意实数 \(x\)(正负皆可),并选择想要显示的小数位数。由于被积函数关于 \(t\) 是偶函数,所以 \(S(x)\) 与 \(C(x)\) 都是奇函数:\(S(-x) = -S(x)\),\(C(-x) = -C(x)\)。计算器会先求出数值大小,再自动补上正负号。当 \(x = 0\) 时,两个积分都恰好等于 0。

公式详解

这两个积分没有初等的封闭表达式,因此只能用数值方法求解。本计算器使用的菲涅尔正弦积分定义为:

$$S(x) = \int_{0}^{x} \sin\!\left(\frac{\pi}{2}\,t^{2}\right)\,dt$$

对于中等大小的自变量,我们采用收敛迅速的幂级数:$$S(x) = \sum (-1)^n (\pi/2)^{2n+1} x^{4n+3} / [(2n+1)! \, (4n+3)]$$,\(C(x)\) 也有类似的级数。当 \(|x|\) 较大时,被积函数振荡得很快,此时改用复合辛普森(Simpson)法则,并让子区间数量随 \(x^2\) 增长,以保证计算精度。

曲线 sin(πt²/2) 从 0 到 x 下方的阴影面积
\(S(x)\) 是 \(\sin(\pi t^2/2)\) 从 0 到 \(x\) 的带符号面积。

实例演算(x = 1)

把级数逐项相加:$$0.52359878 - 0.09228062 + 0.00724487 - 0.00031216 + 0.00000845 + \ldots$$,可得 \(S(1) \approx 0.4382591474\),与权威参考值 \(0.4382591473903\) 完全吻合。对应的配套值为 \(C(1) \approx 0.7798934004\)。

常见问题

用的是哪种归一化方式? 采用 \(\pi/2\) 归一化形式,即在正弦和余弦内部带有 \(\pi/2\) 因子,因此极限值是 \(1/2\),而不是涉及 \(\sqrt{\pi/8}\) 的形式。

x 很大时会怎样? \(S(x)\) 与 \(C(x)\) 会围绕 \(1/2\) 上下振荡,振幅逐渐减小;当 \(x\) 趋向正无穷时收敛到 \(1/2\),趋向负无穷时收敛到 \(-1/2\)。

会同时计算 C(x) 吗? 会。在主要输出 \(S(x)\) 的同时,还会把配套的余弦积分 \(C(x)\) 作为次要结果一并显示。

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