En las ciencias físicas, la función de Airy (o función de Airy de primer tipo ) Ai( x ) es una función especial que recibe su nombre del astrónomo británico George Biddell Airy (1801–1892). La función Ai( x ) y la función relacionada Bi( x ) son soluciones linealmente independientes de la ecuación diferencial
conocida como ecuación de Airy o ecuación de Stokes .
Como la solución de la ecuación diferencial lineal
es oscilatoria para k < 0 y exponencial para k > 0 , las funciones de Airy son oscilatorias para x < 0 y exponenciales para x > 0. De hecho, la ecuación de Airy es la ecuación diferencial lineal de segundo orden más simple con un punto de inflexión (un punto en el que el carácter de las soluciones cambia de oscilatorio a exponencial).
Definiciones
Para valores reales de x , la función de Airy de primera especie se puede definir mediante la integral impropia de Riemann :
que converge mediante la prueba de Dirichlet . Para cualquier número real x existe un número real positivo M tal que la función es creciente, ilimitada y convexa con derivada continua e ilimitada en el intervalo. La convergencia de la integral en este intervalo se puede demostrar mediante la prueba de Dirichlet después de la sustitución.
y = Ai( x ) satisface la ecuación de Airy
Esta ecuación tiene dos soluciones linealmente independientes . Hasta la multiplicación escalar, Ai( x ) es la solución sujeta a la condición y → 0 cuando x → ∞ . La opción estándar para la otra solución es la función de Airy de segundo tipo, denotada Bi( x ). Se define como la solución con la misma amplitud de oscilación que Ai( x ) cuando x → −∞ que difiere en fase en π /2 :
Propiedades
Los valores de Ai( x ) y Bi( x ) y sus derivadas en x = 0 están dados por
Aquí, Γ denota la función Gamma . De ello se deduce que el wronskiano de Ai( x ) y Bi( x ) es 1/ π .
Cuando x es positivo, Ai( x ) es positivo, convexo y decrece exponencialmente hasta cero, mientras que Bi( x ) es positivo, convexo y aumenta exponencialmente. Cuando x es negativo, Ai( x ) y Bi( x ) oscilan alrededor de cero con una frecuencia cada vez mayor y una amplitud cada vez menor. Esto se sustenta en las fórmulas asintóticas que se indican a continuación para las funciones de Airy.
Las funciones de Airy son ortogonales [1] en el sentido de que
nuevamente utilizan una integral de Riemann impropia.
Ceros reales de Ai( x ) y su derivada Ai'( x )
Ni Ai( x ) ni su derivada Ai'( x ) tienen ceros reales positivos. Los "primeros" ceros reales (es decir, los más cercanos a x=0) son: [2]
Los "primeros" ceros de Ai( x ) están en x ≈ −2,33811, −4,08795, −5,52056, −6,78671, ...
Los "primeros" ceros de su derivada Ai'( x ) están en x ≈ −1.01879, −3.24820, −4.82010, −6.16331, ...
Fórmulas asintóticas
Como se explica a continuación, las funciones de Airy se pueden extender al plano complejo, dando como resultado funciones completas . El comportamiento asintótico de las funciones de Airy cuando | z | tiende a infinito con un valor constante de arg ( z ) depende de arg( z ) : esto se denomina fenómeno de Stokes . Para | arg( z ) | < π tenemos la siguiente fórmula asintótica para Ai( z ) : [3]
o
donde En particular, los primeros términos son [4]
Hay uno similar para Bi( z ) , pero solo aplicable cuando | arg( z ) | < π /3 :
Una fórmula más precisa para Ai( z ) y una fórmula para Bi( z ) cuando π /3 < | arg( z ) | < π o, equivalentemente, para Ai(− z ) y Bi(− z ) cuando | arg( z ) | < 2 π /3 pero no cero, son: [3] [5]
Cuando | arg( z ) | = 0, estas son buenas aproximaciones, pero no son asintóticas porque la relación entre Ai(− z ) o Bi(− z ) y la aproximación anterior tiende a infinito siempre que el seno o el coseno tiende a cero. También hay disponibles expansiones asintóticas para estos límites. Estas se enumeran en (Abramowitz y Stegun, 1983) y (Olver, 1974).
También es posible obtener expresiones asintóticas para las derivadas Ai'(z) y Bi'(z) . De manera similar a lo anterior, cuando | arg( z ) | < π : [5]
Cuando | arg( z ) | < π /3 tenemos: [5]
De manera similar, una expresión para Ai'(− z ) y Bi'(− z ) cuando | arg( z ) | < 2 π /3 pero no cero, son [5]
Argumentos complejos
Podemos extender la definición de la función de Airy al plano complejo mediante
donde la integral se encuentra sobre una trayectoria C que comienza en el punto en el infinito con argumento − π /3 y termina en el punto en el infinito con argumento π/3. Alternativamente, podemos usar la ecuación diferencial y ′′ − xy = 0 para extender Ai( x ) y Bi( x ) a funciones enteras en el plano complejo.
La fórmula asintótica para Ai( x ) sigue siendo válida en el plano complejo si se toma el valor principal de x 2/3 y x está acotado a partir del eje real negativo. La fórmula para Bi( x ) es válida siempre que x esté en el sector para algún δ positivo. Finalmente, las fórmulas para Ai(− x ) y Bi(− x ) son válidas si x está en el sector
Del comportamiento asintótico de las funciones de Airy se deduce que tanto Ai( x ) como Bi( x ) tienen una infinidad de ceros en el eje real negativo. La función Ai( x ) no tiene otros ceros en el plano complejo, mientras que la función Bi( x ) también tiene una infinidad de ceros en el sector
Parcelas
Relación con otras funciones especiales
Para argumentos positivos, las funciones de Airy están relacionadas con las funciones de Bessel modificadas :
Aquí, I ±1/3 y K 1/3 son soluciones de
La primera derivada de la función de Airy es
Las funciones K 1/3 y K 2/3 se pueden representar en términos de integrales rápidamente convergentes [6] (ver también funciones de Bessel modificadas )
Para argumentos negativos, las funciones de Airy están relacionadas con las funciones de Bessel :
Aquí, J ±1/3 son soluciones de
Las funciones de Scorer Hi( x ) y -Gi( x ) resuelven la ecuación y ′′ − xy = 1/π . También pueden expresarse en términos de las funciones de Airy:
Transformada de Fourier
Usando la definición de la función de Airy Ai( x ), es sencillo mostrar que su transformada de Fourier está dada por Esto se puede obtener tomando la transformada de Fourier de la ecuación de Airy. Sea , entonces , que entonces tiene soluciones Solo hay una dimensión de soluciones porque la transformada de Fourier requiere que y decaiga a cero lo suficientemente rápido, y Bi crece hasta el infinito exponencialmente rápido, por lo que no se puede obtener mediante la transformada de Fourier.
Aplicaciones
Mecánica cuántica
La función de Airy es la solución de la ecuación de Schrödinger independiente del tiempo para una partícula confinada dentro de un pozo de potencial triangular y para una partícula en un campo de fuerza constante unidimensional. Por la misma razón, también sirve para proporcionar aproximaciones semiclásicas uniformes cerca de un punto de inflexión en la aproximación WKB , cuando el potencial puede aproximarse localmente mediante una función lineal de posición. La solución del pozo de potencial triangular es directamente relevante para la comprensión de los electrones atrapados en heterojunciones de semiconductores .
Óptica
Un haz óptico asimétrico transversalmente, donde el perfil del campo eléctrico viene dado por la función de Airy, tiene la interesante propiedad de que su intensidad máxima se acelera hacia un lado en lugar de propagarse en línea recta como sucede en los haces simétricos. Esto se produce a expensas de que la cola de baja intensidad se extienda en la dirección opuesta, por lo que, por supuesto, se conserva el momento general del haz.
Cáusticos
La función de Airy subyace a la forma de la intensidad cerca de una cáustica direccional óptica , como la del arcoíris (llamada arcoíris supernumerario). Históricamente, este fue el problema matemático que llevó a Airy a desarrollar esta función especial. En 1841, William Hallowes Miller midió experimentalmente el análogo del arcoíris supernumerario haciendo brillar la luz a través de un cilindro delgado de agua y luego observando a través de un telescopio. Observó hasta 30 bandas. [7]
Probabilidad
A mediados de la década de 1980, se descubrió que la función de Airy estaba íntimamente relacionada con la distribución de Chernoff . [8]
^ David E. Aspnes, Revista física, 147 , 554 (1966)
^ "Airy y funciones relacionadas". dlmf.nist.gov . Consultado el 9 de octubre de 2022 .
^ ab Abramowitz y Stegun (1983, p. 448), Ecuaciones 10.4.59, 10.4.61
^ "DLMF: §9.7 Expansiones asintóticas ‣ Funciones de Airy ‣ Capítulo 9 Funciones de Airy y relacionadas". dlmf.nist.gov . Consultado el 11 de mayo de 2023 .
^ abcd Abramowitz y Stegun (1983, pág. 448), ecuaciones 10.4.60 y 10.4.64
^ M.Kh.Khokonov. Procesos en cascada de pérdida de energía por emisión de fotones duros // JETP, V.99, No.4, pp. 690-707 \ (2004).
^ Miller, William Hallowes. "Sobre los arcoíris espurios". Transactions of the Cambridge Philosophical Society 7 (1848): 277.
^ Groeneboom, Piet; Lalley, Steven; Temme, Nico (2015). "Distribución de Chernoff y ecuaciones diferenciales de tipo parabólico y de Airy". Revista de análisis matemático y aplicaciones . 423 (2): 1804–1824. arXiv : 1305.6053 . doi : 10.1016/j.jmaa.2014.10.051 . S2CID 119173815.
^ Quastel, Jeremy; Remenik, Daniel (2014). "Procesos Airy y problemas variacionales". Temas de sistemas percolativos y desordenados . Springer Proceedings in Mathematics & Statistics. Vol. 69. págs. 121–171. arXiv : 1301.0750 . doi :10.1007/978-1-4939-0339-9_5. ISBN .978-1-4939-0338-2.S2CID118241762 .
Referencias
Abramowitz, Milton ; Stegun, Irene Ann , eds. (1983) [junio de 1964]. "Capítulo 10". Manual de funciones matemáticas con fórmulas, gráficos y tablas matemáticas . Serie de Matemáticas Aplicadas. Vol. 55 (Novena reimpresión con correcciones adicionales de la décima impresión original con correcciones (diciembre de 1972); primera ed.). Washington DC; Nueva York: Departamento de Comercio de los Estados Unidos, Oficina Nacional de Normas; Dover Publications. pág. 448. ISBN 978-0-486-61272-0. LCCN 64-60036. MR 0167642. LCCN 65-12253.
Airy (1838), "Sobre la intensidad de la luz en las proximidades de una cáustica", Transactions of the Cambridge Philosophical Society , 6 , University Press: 379–402, Bibcode :1838TCaPS...6..379A
Frank William John Olver (1974). Asintótica y funciones especiales, Capítulo 11. Academic Press, Nueva York.
Press, WH; Teukolsky, SA; Vetterling, WT; Flannery, BP (2007), "Sección 6.6.3. Funciones de Airy", Recetas numéricas: el arte de la computación científica (3.ª ed.), Nueva York: Cambridge University Press, ISBN 978-0-85-0-312-0978-0-521-88068-8, archivado desde el original el 11-08-2011 , consultado el 9-08-2011
Vallée, Olivier; Soares, Manuel (2004), Funciones de Airy y aplicaciones a la física, Londres: Imperial College Press, ISBN 978-1-86094-478-9, MR 2114198, archivado desde el original el 13 de enero de 2010 , consultado el 14 de mayo de 2010