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输入计算

数学公式

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结果

Modified Bessel Function Kν(x), order ν = 0
2.427069
value at the first x in the table (51 rows total)
x Kν(x)
0.100000 2.427069
0.200000 1.752704
0.300000 1.372460
0.400000 1.114529
0.500000 0.924419
0.600000 0.777522
0.700000 0.660520
0.800000 0.565347
0.900000 0.486730
1.000000 0.421024
1.100000 0.365602
1.200000 0.318508
1.300000 0.278248
1.400000 0.243655
1.500000 0.213806
1.600000 0.187955
1.700000 0.165496
1.800000 0.145931
1.900000 0.128846
2.000000 0.113894
2.100000 0.100784
2.200000 0.089269
2.300000 0.079140
2.400000 0.070217
2.500000 0.062348
2.600000 0.055398
2.700000 0.049255
2.800000 0.043820
2.900000 0.039006
3.000000 0.034740
3.100000 0.030955
3.200000 0.027595
3.300000 0.024611
3.400000 0.021958
3.500000 0.019599
3.600000 0.017500
3.700000 0.015631
3.800000 0.013966
3.900000 0.012482
4.000000 0.011160
4.100000 0.009980
4.200000 0.008927
4.300000 0.007988
4.400000 0.007149
4.500000 0.006400
4.600000 0.005730
4.700000 0.005132
4.800000 0.004597
4.900000 0.004119
5.000000 0.003691
5.100000 0.003308

这个计算器能做什么

本工具用于列表并绘制第二类修正贝塞尔函数,记作 \(K_{\nu}(x)\)。给定一个固定的实数阶数 \(\nu\) 和一段 \(x\) 取值序列,它会返回一张包含 \(x\) 与 \(K_{\nu}(x)\) 两列数据的表格,并配上一条展示函数衰减趋势的曲线图。这是纯数学计算,普遍适用,不涉及任何地区或国家的特殊设定。

背景知识

修正贝塞尔函数是修正贝塞尔方程 $$x^2 y'' + x y' - (x^2 + \nu^2)y = 0$$ 的两个线性无关解。第一类 \(I_{\nu}(x)\) 随 \(x\) 增长,而第二类 \(K_{\nu}(x)\) 则按指数规律衰减。需要注意的是 \(K_{\nu}(x) = K_{-\nu}(x)\),因此阶数的正负并不影响结果——计算器内部统一使用 \(|\nu|\)。

若干阶数的第二类修正贝塞尔函数折线图,随 x 增大均衰减趋于零
对于若干阶数 ν,Kν(x) 单调递减,并在 x = 0 附近发散。

使用方法

依次填入阶数 \(\nu\)(任意实数)、x 的初始值、每一行 \(x\) 递增的步长,以及重复次数(即 \(x\) 取样点的个数,也就是表格行数)。第 \(i\) 行对应的 \(x = \text{startX} + i\cdot\text{stepX}\)。由于 \(K_{\nu}(x)\) 仅在 \(x > 0\) 时有定义,且当 \(x\to 0^{+}\) 时发散到 \(+\infty\),因此当某一行的 \(x = 0\)(或为负值)时,结果会显示为 Infinity(无穷大)。

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公式解析

计算器采用复合辛普森(Simpson)求积法对积分表达式 $$K_{\nu}(x) = \int_{0}^{\infty} e^{-x \cosh t}\,\cosh(\nu t)\,dt$$ 进行数值计算。当被积函数小到可以忽略时(即 \(x\cdot\cosh t\) 超过约 45 时)便截断积分上限。这种形式在整数阶处不存在奇点,因此 \(K_{0}\)、\(K_{1}\)、… 都能直接求出,避免了用含 \(I_{\nu}\) 的闭式表达时出现的 \(0/0\) 问题。

被积函数 e^{-x cosh t} cosh(νt) 的示意图,显示从零到无穷积分的曲线下面积
Kν(x) 是被积函数从 t = 0 到 ∞ 的曲线下面积。

计算示例

取 \(\nu = 0\)、\(\text{startX} = 0.1\)、\(\text{stepX} = 0.1\)、迭代次数 = 3,得到的表格为:$$x = 0.1 \rightarrow 2.427069, \quad x = 0.2 \rightarrow 1.752704, \quad x = 0.3 \rightarrow 1.372460$$这些数值与 \(K_{0}\) 的标准函数表完全吻合。

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常见问题

为什么第一个数值有时是 \(\infty\)?因为 \(K_{\nu}(0)\) 是发散的,请选用一个较小的正数作为 startX,例如 0.1。

负阶数可以用吗?可以。由于 \(K_{\nu}(x) = K_{-\nu}(x)\),所以 \(-\nu\) 的结果与 \(\nu\) 的结果完全相同。

为什么 x 很大时数值变成了 0?因为 \(K_{\nu}(x)\) 按 \(\sqrt{\pi/2x}\cdot e^{-x}\) 的规律衰减,当 \(x\) 很大时会下溢为 0,这是正常且正确的结果。

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