在积分学中,椭圆积分最初出现于椭圆的弧长有关的问题中。Guilio Fagnano和长城欧拉是最早的研究者。现代数学将椭圆积分定义为:可以表达为如下形式的任何函数f的积分其中R是其两个参数的有理函数,P是一个无重根的3或4阶多项式的平方根,而c是一个常数。通常,椭圆积分不能用基本函数表达。这个一般规则的例外出现在P有重根的时候,或者是R(x,y)没有y的奇数幂时。但是,通过适当的简化公式,每个椭圆积分可以变为只涉及有理函数和三个经典形式的积分。(也即,第一,第二,和第三类的椭圆积分)。

不完全类

第一类

第一类不完全椭圆积分F定义为

与此等价,用卡尔·雅可比的形式,可以设;则

其中,假定任何有竖直条出现的地方,紧跟竖直条的变量是(如上定义的)参数;而且,当反斜杠出现的时候,跟着出现的是模角。在这个意义下,,这里的记法来自标准参考书Abramowitz and Stegun。使用限界符;| \是椭圆积分中的传统做法。

但是,还有许多不同的常规用于椭圆积分的记法。取值为椭圆积分的函数没有(象平方根,正弦误差函数那样的)标准和唯一的名字。甚至关于该领域的文献也常常采用不同的记法。Gradstein, Ryzhik, Eq.(8.111)]采用。该记法和这里的;以及下面的等价。

和上面的不同对应的是,如果从Mathematica语言翻译代码到maple语言,必须将EllipticK函数的参数用它的平方根代替。反过来,如果从Maple翻到Mathematica,则参数应该用它的平方代替。Maple中的EllipticK(x)几乎和Mathematica中的EllipticK[]相等;至少当时是相等的。

注意

其中u如上文所定义:由此可见,雅可比椭圆函数是椭圆积分的逆。

加法公式

此公式成立是有条件的。参见《第一、二类椭圆积分加法公式的成立条件》

性质

第二类

第二类不完全椭圆积分E是

与此等价,采用另外一个记法(作变量替换

),

其它关系包括

第三类

第三类不完全椭圆积分是

或者

或者

数字n称为特征数,可以取任意值,和其它参数独立。但是要注意对于任意是无穷的。

完全类

第一类

如果幅度为pi/2或者x=1,则称椭圆积分为完全的。第一类完全椭圆积分K可以定位为

或者

它是第一类不完全椭圆积分的特例:

这个特例可以表达为幂级数

它等价于

其中n!!表示双阶乘。采用高斯的超几何函数,第一类完全椭圆积分可以表达为

第一类完全椭圆积分有时称为四分周期。它可以采用算术几何平均值计算。

特殊值

第一类完全椭圆积分的导数}-

第二类

第二类完全椭圆积分E可以定义为

或者

它是第二类不完全椭圆积分的特殊情况:

它可以用幂级数表达

也就是

用高斯超几何函数表示的话,第二类完全椭圆积分可以写作

特殊值

第二类完全椭圆积分的导数

第三类

第三轮完全椭圆积分II可以定义为

注意有时第三类椭圆积分被定义为带相反符号的n,也即

第三类完全椭圆积分和第一类椭圆积分之间的关系

第三类完全椭圆积分的导数

特殊值

参考资料