Integral de Fresnel

De Viquipèdia
Salta a la navegació Salta a la cerca
S(x) i C(x). El màxim de C(x) és 0,977451424. Si s'utilitza πt²/2 en comptes de t², llavors la imatge estaria escalada verticalment i horitzontalment.[1]

Les integrals de Fresnel, S(x) i C(x), són dues funcions transcendentals anomenades així en honor a Augustin-Jean Fresnel i que són emprades en camps que es basen en equacions d'ones, com ara l'òptica. Tenen el seu origen en realitzar l'anàlisi de fenòmens de difracció de Fresnel en el camp proper, i es defineixen segons les següents expressions integrals:[1]

Els gràfics simultanis paramètrics de S(x) i C(x) són una espiral de Cornu, o clotoide.[2][3]

Definició[modifica]

Integrals normalitzades de Fresnel, S(x) i C(x). En aquestes corbes, l'argument de la funció trigonomètrica és πt²/2, a diferència de t² en l'exemple previ.

Les integrals de Fresnel admeten les següents expansions en sèrie de potències que convergeixen per a tot x:

Definicions alernatives[modifica]

Alguns autors utilitzen com a exponent de les integrals que defineixen a S(x) i C(x), el que es coneix com convenció de Abramowitz i Stegun, o integrals normalitzades de Fresnel. Per tal d'obtenir les mateixes funcions cal multiplicar la integral per i dividir l'argument x pel mateix factor.[4][5]

Espiral de Cornu[modifica]

Espiral de Cornu (x,i)=(C(t), S(t)). L'espiral convergeix al centre dels dos remolins extrems de la imatge, a mesura que t tendeix a més infinit i menys infinit.

L'espiral de Cornu, o espiral d'Euler, també coneguda com a clotoide, és la corba que té les equacions paramètriques donades per S(t) i C(t). L'espiral de Cornu va ser creada per Marie-Alfred Cornu com un nomograma per als càlculs de difracció òptica.[3]

Atès que:

en aquesta parametrització el vector tangent té longitud unitat i t és la longitud d'arc mesurada a partir de (0,0) ( incloent el signe), del que es dedueix que la corba té una longitud infinita.

A part d'això, l'espiral de Cornu té la propietat de que la seva curvatura en qualsevol punt és proporcional a la distància al llarg de la corba mesurada des de l'origen.[3] Aquesta propietat fa que sigui útil com a corba de transició en el traçat d'autopistes o ferrocarrils, ja que un vehicle que segueixi aquesta corba a velocitat constant tindrà una acceleració angular constant. Igualment les seccions d'aquesta espiral-clotoide són emprades normalment en muntanyes russes pel que algunes voltes completes conegudes com "loops" són "clotoides".

Propietats[modifica]

  • Utilitzant les expansions en sèries de potències indicades prèviament, es poden estendre les integrals de Fresnel al domini dels nombres complexos, obtenint d'aquesta manera funcionis analítiques d'una variable complexa. Les integrals de Fresnel es poden expressar utilitzant la funció error mitjançant les següents expressions:[6]
  • Excepte en casos especials no és possible avaluar les integrals que defineixen C(x) i S(x) en forma tancada. Els límits d'aquestes funcions quan x tendeix a infinit són:[7]

Valors particulars[modifica]

Vegeu també[modifica]

Referències[modifica]

  1. 1,0 1,1 Milton Abramowitz and Irene A. Stegun, eds. Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs, and Mathematical Tables. New York: Dover, 1972. (See Chapter 7)
  2. Stewart, James. Calculus Early Transcendentals. Cengage Learning EMEA, 2008. ISBN 978-0-495-38273-7. 
  3. 3,0 3,1 3,2 R. Nave, The Cornu spiral, Hyperphysics (2002) (Uses πt²/2 instead of t².)
  4. Abramowitz, Milton; Stegun, Irene Ann, eds. (1983) [June 1964]. "Chapter 7, eqn 7.3.1 – 7.3.2". Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs, and Mathematical Tables. Applied Mathematics Series. 55 Washington D.C.; New York: United States Department of Commerce, National Bureau of Standards; Dover Publications. ISBN 978-0-486-61272-0. LCCN 64-60036 & 65-12253. MR 0167642.
  5. Temme, N. M. (2010), "Error Functions, Dawson's and Fresnel Integrals: Properties", in Olver, Frank W. J.; Lozier, Daniel M.; Boisvert, Ronald F.; Clark, Charles W. (eds.), NIST Handbook of Mathematical Functions, Cambridge University Press, ISBN 978-0-521-19225-5, MR 2723248.
  6. functions.wolfram.com, Fresnel integral S: Representations through equivalent functions and Fresnel integral C: Representations through equivalent functions. Note: Wolfram uses the Abramowitz & Stegun convention.
  7. Zajta, Aurel J.; Goel, Sudhir K. «Parametric Integration Techniques». Mathematics Magazine, 62, 1989, pàg. 318–322. DOI: 10.1080/0025570X.1989.11977462. (Un altre mètode basat en integració utilitzant derivades paramètriques).

Bibliografia[modifica]

  • Goodman, Joseph W.. Introduction to Fourier optics. Nova York: McGraw-Hill, 1996. ISBN 0-07-024254-2.