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Método de Laplace (u otro asintótico integral) con near-corner

Considere la integral

$$\int_{-\infty}^\infty \exp(-\sqrt{h^2+M^2x^2}) dx.$$

Aquí $h$ es un pequeño parámetro positivo y $M$ es un gran positivo parámetro. Me gustaría obtener un "razonablemente uniforme" aproximación asintótica para esta integral en el límite de un gran $M$ pequeñas y $h$, específicamente al $h$ llega a cero antes de $M$ va al infinito.

La dificultad es que el líder de la orden de parte de el método de Laplace ve $\sqrt{h^2+M^2 x^2}$$h+\frac{M^2}{2h} x^2$, una función cuadrática, pero en realidad esta aproximación sólo es cualquier bien donde $|x| \ll h/M$. Por el contrario existe una contribución significativa a la integración en un intervalo de longitud en el orden de $1/M$, que es mucho más grande. De orden superior Taylor aproximaciones nunca vea esto porque simplemente siguen suponiendo que $|x| \ll h/M$, por lo que procederemos a dividir por más y más grandes poderes de $h$.

Una alternativa evidente es el de sacrificar la precisión en esta $O(h/M)$ proximidades de $0$, por ejemplo, mediante la supresión de $h^2$ total, pero esto obviamente no se consigue $o(h)$ de precisión, que es necesario para mi aplicación. Hay otra solución para esta situación? Tal vez por la "coincidencia" de las dos aproximaciones son válidas en los diferentes regímenes?

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Paul Enta Puntos 41

Como notado, un simple Laplace método no puede ser utilizado aquí, como 2 escalas están involucrados. Un uniforme asintótica de expansión debe ser encontrado. Como alternativa, en este caso, podemos reconocer una función Bessel modificada. De hecho, el cambio de $x=\frac{h}{M}\sinh t$, la integral se puede escribir como \begin{align} I&=\int_{-\infty}^\infty \exp(-\sqrt{h^2+M^2x^2}) \,dx\\ &=\frac{h}{M}\int_{-\infty}^\infty \exp(-h\cosh t)\cosh t \,dt \end{align} que es proporcional a una representación integral de una función Bessel modificada (DLMF): \begin{equation} K_{\nu}\left(z\right)=\int_{0}^{\infty}e^{-z\cosh t}\cosh\left(\nu t\right)% \mathrm{d}t \end{equation} con $\nu=1,z=h$, \begin{equation} I=\frac{2h}{M}K_1(h) \end{equation} El uso de la expansión de la serie de la función de Bessel cerca de $h=0$ (DLMF), \begin{align} I&\sim \frac{2h}{M}\left[ \frac{1}{h}+\frac{h}{2}\left(\ln\frac{h}{2} +\gamma-\frac{1}{2}\right)+\ldots\right]\\ &\sim\frac{2}{M}+\frac{h^2}{M}\left(\ln\frac{h}{2} +\gamma-\frac{1}{2}\right)+\ldots \end{align} EDIT:Otro método es utilizar la Mellin transformar técnica

El cambio de $x=th/M$ y, a continuación,$u=\sqrt{1+t^2}-1$, el problema es equivalente a encontrar el pequeño $h$ comportamiento de \begin{align} I&=2\frac{h}{M}\int_0^\infty\exp(-h\sqrt{1+t^2})\,dt\\ &=2\frac{h}{M}e^{-h}\int_0^\infty\frac{u+1}{\sqrt{u(u+2)}}\exp(-hu)\,du \end{align} Así pues, hemos de encontrar un transformadas de Laplace con un pequeño parámetro. Un método clásico que utiliza el Mellin transformar técnica es dada en (DLMF). Los resultados intermedios se indican a continuación, con la ayuda de un CAS. La definición de \begin{equation} H(u)=\frac{u+1}{\sqrt{u(u+2)}} \end{equation} de los siguientes comportamientos: se\ \begin{array}{lll} H(u)&\sim 1+\frac{1}{2u^2}+O\left( u^{-3} \right)& \text{ for }u\to\infty\\ &\sim O(u^{-1/2})& \text{ for } u\to 0 \end{array} y el Mellin transformación es \begin{equation} \mathcal{M}\left[H(u) \right](z)=\pi^{-1/2}2^{z-1}(z-1)\Gamma(-z)\Gamma\left( z-\frac{1}{2} \right) \end{equation} Para la función \begin{equation} F(z)=-h^{z-1}\Gamma(1-z)\mathcal{M}\left[H(u) \right](z) \end{equation} los residuos de $z=0,1,2,3$ \begin{align} \left. \operatorname{res}F(z)\right|_{z=0}&=\frac{1}{h}\\ \left. \operatorname{res}F(z)\right|_{z=1}&=1\\ \left. \operatorname{res}F(z)\right|_{z=2}&=\frac{h}{2}\left[ \ln\frac{h}{2}+\gamma+\frac{1}{2}\right]\\ \left. \operatorname{res}F(z)\right|_{z=3}&=\frac{h^2}{12}\left[6 \ln\frac{h}{2}+6\gamma-1\right] \end{align} Con $e^{-h}= 1-h+h^2/2+O(h^3)$, \begin{align} I&\sim \frac{2h}{M}(1-h+\frac{h^2}{2})\left[ \frac{1}{h}+\frac{h}{2}\left( \ln\frac{h}{2}+\gamma+\frac{1}{2}\right)+\frac{h^2}{12}\left(6 \ln\frac{h}{2}+6\gamma-1\right)\right]\\ &\sim \frac{2}{M}+\frac{h^2}{M}\left( \ln\frac{h}{2}+\gamma-\frac{1}{2} \right) \end{align}

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