Airy-Funktion

Dieser Artikel beschreibt eine spezielle Funktion. Für die Formel, die die Transmission von elektromagnetischer Strahlung beschreibt siehe Airy-Formel.

Die Airy-Funktion ${\displaystyle \operatorname {Ai} (x)}$ bezeichnet eine spezielle Funktion in der Mathematik. Die Funktion ${\displaystyle \operatorname {Ai} (x)}$ und die verwandte Funktion ${\displaystyle \operatorname {Bi} (x)}$, die ebenfalls Airy-Funktion genannt wird, sind Lösungen der linearen Differentialgleichung

${\displaystyle \ y''-xy=0\ ,}$

auch bekannt als Airy-Gleichung. Sie beschreibt unter anderem die Lösung der Schrödinger-Gleichung für einen linearen Potentialtopf.

Die Airy-Funktion ist nach dem britischen Astronomen George Biddell Airy benannt, der diese Funktion in seinen Arbeiten in der Optik verwendete (Airy 1838). Die Bezeichnung ${\displaystyle \operatorname {Ai} (x)}$ wurde von Harold Jeffreys eingeführt.

Definition

Reelle Airy-Funktion

Für reelle Werte ${\displaystyle x}$ ist die Airy-Funktion als Parameterintegral definiert:

${\displaystyle \mathrm {Ai} (x)={\frac {1}{\pi }}\int \limits _{0}^{\infty }\cos \left({\frac {t^{3}}{3}}+xt\right)\,{\rm {d}}t\ .}$

Eine zweite, linear unabhängige Lösung der Differentialgleichung ist die Airy-Funktion zweiter Art ${\displaystyle \mathrm {Bi} }$:

${\displaystyle \mathrm {Bi} (x)={\frac {1}{\pi }}\int \limits _{0}^{\infty }\left(\exp \left(-{\frac {t^{3}}{3}}+xt\right)+\sin \left({\frac {t^{3}}{3}}+xt\right)\right)\,{\rm {d}}t\ .}$

Komplexe Airy-Funktion

Die komplexe Airy-Funktion ist

${\displaystyle \operatorname {Ai} (z)={\frac {1}{2\pi i}}\int _{C}\exp \left({\tfrac {t^{3}}{3}}-zt\right)\,dt,}$

mit Kontour ${\displaystyle C}$ von ${\displaystyle z_{1}=\infty }$ mit ${\displaystyle \operatorname {arg} (z_{1})=-\pi /3}$ nach ${\displaystyle z_{2}=\infty }$ mit ${\displaystyle \operatorname {arg} (z_{2})=\pi /3}$.

Eigenschaften

Asymptotisches Verhalten

Für ${\displaystyle x}$ gegen ${\displaystyle +\infty }$ lassen sich ${\displaystyle \mathrm {Ai} (x)}$ und ${\displaystyle \mathrm {Bi} (x)}$ mit Hilfe der WKB-Näherung approximieren:

${\displaystyle {\begin{aligned}\mathrm {Ai} (x)&{}\simeq {\frac {e^{-{\frac {2}{3}}x^{3/2}}}{2{\sqrt {\pi }}\,x^{1/4}}}\\\mathrm {Bi} (x)&{}\simeq {\frac {e^{{\frac {2}{3}}x^{3/2}}}{{\sqrt {\pi }}\,x^{1/4}}}.\end{aligned}}}$

Für ${\displaystyle x}$ gegen ${\displaystyle -\infty }$ gelten die Beziehungen:

${\displaystyle {\begin{aligned}\mathrm {Ai} (x)&{}\simeq {\frac {\sin({\frac {2}{3}}(-x)^{3/2}+{\frac {1}{4}}\pi )}{{\sqrt {\pi }}\,(-x)^{1/4}}}\\\mathrm {Bi} (x)&{}\simeq {\frac {\cos({\frac {2}{3}}(-x)^{3/2}+{\frac {1}{4}}\pi )}{{\sqrt {\pi }}\,(-x)^{1/4}}}.\end{aligned}}}$

Nullstellen

Die Airy-Funktionen haben nur Nullstellen auf der negativen reellen Achse.^[1] Die ungefähre Lage folgt aus dem asymptotischen Verhalten für ${\displaystyle x\to -\infty }$ zu

${\displaystyle \operatorname {Ai} (x)=0\quad \Rightarrow \quad x\approx -{\bigl (}\textstyle {\frac {3}{2}}\pi (n-{\frac {1}{4}}){\bigr )}^{2/3},\quad n\in \mathbb {N} }$

${\displaystyle \operatorname {Bi} (x)=0\quad \Rightarrow \quad x\approx -{\bigl (}\textstyle {\frac {3}{2}}\pi (n-{\frac {3}{4}}){\bigr )}^{2/3},\quad n\in \mathbb {N} }$

Spezielle Werte

Die Airy-Funktionen und ihre Ableitungen haben für ${\displaystyle x=0}$ die folgenden Werte:

${\displaystyle {\begin{aligned}\mathrm {Ai} (0)&{}={\frac {1}{{\sqrt[{3}]{9}}\cdot \Gamma ({\frac {2}{3}})}},&\quad \mathrm {Ai} '(0)&{}=-{\frac {1}{{\sqrt[{3}]{3}}\cdot \Gamma ({\frac {1}{3}})}},\\\mathrm {Bi} (0)&{}={\frac {1}{{\sqrt[{6}]{3}}\cdot \Gamma ({\frac {2}{3}})}},&\quad \mathrm {Bi} '(0)&{}={\frac {\sqrt[{6}]{3}}{\Gamma ({\frac {1}{3}})}}.\end{aligned}}}$

Hierbei bezeichnet ${\displaystyle \Gamma (\cdot )}$ die Gammafunktion. Es folgt, dass die Wronski-Determinante von ${\displaystyle \mathrm {Ai} (x)}$ und ${\displaystyle \mathrm {Bi} (x)}$ gleich ${\displaystyle {\tfrac {1}{\pi }}}$ ist.

Fourier-Transformierte

Direkt aus der Definition der Airy-Funktion ${\displaystyle \operatorname {Ai} (x)}$ (siehe oben) folgt deren Fourier-Transformierte.

${\displaystyle {\mathcal {F}}(\operatorname {Ai} )(k):=\int _{-\infty }^{\infty }\operatorname {Ai} (x)\ \mathrm {e} ^{-2\pi \mathrm {i} kx}\,dx=\mathrm {e} ^{{\frac {\mathrm {i} }{3}}(2\pi k)^{3}}\,.}$

Man beachte die hier verwendete symmetrische Variante der Fourier-Transformation.

Weitere Darstellungen

• Unter Verwendung der hypergeometrischen Funktion ${\displaystyle {}_{0}F_{1}}$

${\displaystyle \mathrm {Ai} (z)={\frac {1}{3^{2/3}\cdot \Gamma ({\tfrac {2}{3}})}}\cdot \,{}_{0}F_{1}\left(0;{\tfrac {2}{3}};{\tfrac {1}{9}}z^{3}\right)-{\frac {z}{3^{1/3}\cdot \Gamma ({\tfrac {1}{3}})}}\cdot \,{}_{0}F_{1}\left(0;{\tfrac {4}{3}};{\tfrac {1}{9}}z^{3}\right)}$

${\displaystyle \mathrm {Bi} (z)={\frac {1}{3^{1/6}\cdot \Gamma ({\tfrac {2}{3}})}}\cdot \,{}_{0}F_{1}\left(0;{\tfrac {2}{3}};{\tfrac {1}{9}}z^{3}\right)+{\frac {3^{1/6}\cdot z}{\Gamma ({\tfrac {1}{3}})}}\cdot \,{}_{0}F_{1}\left(0;{\tfrac {4}{3}};{\tfrac {1}{9}}z^{3}\right)}$

• Für ${\displaystyle x>0}$ lassen sie sich auch mit der modifizierten Bessel-Funktion erster Art ${\displaystyle I}$ so darstellen:

${\displaystyle \mathrm {Ai} (x)={\frac {1}{3}}{\sqrt {x}}\left[I_{-1/3}\left({\frac {2}{3}}x^{3/2}\right)-I_{1/3}\left({\frac {2}{3}}x^{3/2}\right)\right]}$

${\displaystyle \mathrm {Bi} (x)={\sqrt {\frac {x}{3}}}\left[I_{-1/3}\left({\frac {2}{3}}x^{3/2}\right)+I_{1/3}\left({\frac {2}{3}}x^{3/2}\right)\right]}$

• Eine andere unendliche Integraldarstellung für ${\displaystyle \mathrm {Ai} }$ lautet

${\displaystyle \mathrm {Ai} (z)={\frac {1}{2\pi }}\int \limits _{-\infty }^{\infty }\exp \left(\mathrm {i} \cdot \left(zt+{\frac {t^{3}}{3}}\right)\right)\mathrm {d} t}$

• Es gibt die Reihendarstellungen^[2]

${\displaystyle \mathrm {Ai} (z)={\frac {1}{3^{2/3}\pi }}\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {\Gamma \left({\frac {1}{3}}(n+1)\right)}{n!}}\left(3^{1/3}z\right)^{n}\sin \left({\frac {2(n+1)\pi }{3}}\right)}$

${\displaystyle \mathrm {Bi} (z)={\frac {1}{3^{1/6}\pi }}\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {\Gamma \left({\frac {1}{3}}(n+1)\right)}{n!}}\left(3^{1/3}z\right)^{n}\left|\sin \left({\frac {2(n+1)\pi }{3}}\right)\right|}$

Komplexe Argumente

${\displaystyle \mathrm {Ai} (x)}$ und ${\displaystyle \mathrm {Bi} (x)}$ sind ganze Funktionen. Sie lassen sich also auf der gesamten komplexen Ebene analytisch fortsetzen.

${\displaystyle \Re \left[\mathrm {Ai} (x+iy)\right]}$	${\displaystyle \Im \left[\mathrm {Ai} (x+iy)\right]}$	${\displaystyle |\mathrm {Ai} (x+iy)|\,}$	${\displaystyle \mathrm {arg} \left[\mathrm {Ai} (x+iy)\right]\,}$

${\displaystyle \Re \left[\mathrm {Bi} (x+iy)\right]}$	${\displaystyle \Im \left[\mathrm {Bi} (x+iy)\right]}$	${\displaystyle |\mathrm {Bi} (x+iy)|\,}$	${\displaystyle \mathrm {arg} \left[\mathrm {Bi} (x+iy)\right]\,}$

Verallgemeinerungen

Definiere

${\displaystyle T_{n}(t,\alpha )=t^{n}{}_{2}F_{1}\left(-{\frac {n}{2}},{\frac {1-n}{2}};1-n;-{\frac {4\alpha }{t^{2}}}\right)}$

wobei ${\displaystyle {}_{2}F_{1}}$ die hypergeometrische Funktion ist. Dann gibt es folgende Verallgemeinerungen des Airy-Integrals

${\displaystyle \operatorname {Ci} _{n}(\alpha )=\int _{0}^{\infty }\cos(T_{n}(t,\alpha ))\mathrm {d} t}$

${\displaystyle \operatorname {Si} _{n}(\alpha )=\int _{0}^{\infty }\sin(T_{n}(t,\alpha ))\mathrm {d} t}$

${\displaystyle \operatorname {Ei} _{n}(\alpha )=\int _{0}^{\infty }\exp(-T_{n}(t,\alpha ))\mathrm {d} t}$

Verwandte Funktionen

Airy-Zeta-Funktion

Zu der Airy-Funktion lässt sich analog zu den anderen Zeta-Funktionen die Airysche Zeta-Funktion definieren als^[3]

${\displaystyle Z(n)=\sum _{r}{\frac {1}{r^{n}}},}$

wobei die Summe über die reellen (negativen) Nullstellen von ${\displaystyle \mathrm {Ai} }$ geht.

Scorersche Funktionen

Funktionsgraphen von ${\displaystyle \mathrm {Gi} (x)}$ und ${\displaystyle \mathrm {Hi} (x)}$.

Manchmal werden auch die beiden weiteren Funktionen ${\displaystyle \mathrm {Gi} (x)}$ und ${\displaystyle \mathrm {Hi} (x)}$ zu den Airy-Funktionen dazugerechnet. Die Integral-Definitionen lauten^[4]

${\displaystyle \mathrm {Gi} (x)={\frac {1}{\pi }}\int \limits _{0}^{\infty }\sin \left({\frac {t^{3}}{3}}+xt\right)\,\mathrm {d} t}$

${\displaystyle \mathrm {Hi} (x)={\frac {1}{\pi }}\int \limits _{0}^{\infty }\exp \left(-{\frac {t^{3}}{3}}+xt\right)\,\mathrm {d} t}$

Sie lassen sich auch durch die Funktionen ${\displaystyle \mathrm {Ai} }$ und ${\displaystyle \mathrm {Bi} }$ darstellen.

Literatur

• Milton Abramowitz, Irene A. Stegun: Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs, and Mathematical Tables. (siehe §10.4). National Bureau of Standards, 1954.
• George Biddell Airy: On the intensity of light in the neighbourhood of a caustic. In: Transactions of the Cambridge Philosophical Society. Band 6, 1838, S. 379–402.
• Frank Olver: Asymptotics and Special Functions. Chapter 11. Academic Press, New York 1974.

Weblinks

Commons: Airy-Funktion – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Eric W. Weisstein: Airy Functions. In: MathWorld (englisch).
• Bessel-Type Functions. Wolfram Funktionenseite.
• Chapter 9: Airy and related functions. In: Digital Library of Mathematical Functions.