En mathématiques, et plus précisément en analyse, la fonction W de Lambert, nommée ainsi d'après Jean-Henri Lambert, et parfois aussi appelée la fonction Oméga, est la réciproque de la fonction de variable complexe f définie par f(w) = w ew, c'est-à-dire
que pour tous nombres complexesz et w, nous avons :
Puisque la fonction f n'est pas injective, W est une fonction multivaluée ou « multiforme » qui comprend deux branches pour les valeurs réelles . Une des branches, la branche principale, W0 peut être prolongée analytiquement en dehors de ]−∞, –1/e]. Pour tout nombre complexez ∉ ]−∞, –1/e], on a :
La fonction W de Lambert ne peut pas être exprimée à l'aide de fonctions élémentaires.
Historique
Lambert s'est intéressé à l'équation connue sous le nom d'équation transcendante de Lambert en 1758[1], ce qui conduisit à une note de Leonhard Euler en 1783[2] qui discutait le cas particulier de w ew.
La première description de la fonction W
semble due à George Pólya et Gábor Szegő en 1925[3]. La fonction de Lambert fut « redécouverte » tous les dix ans environ dans des applications spécialisées, mais son importance ne fut pas vraiment appréciée avant les années 1990, lorsqu'il fut annoncé que la fonction de Lambert donnait une solution exacte aux valeurs propres de l'énergie du système quantique correspondant au modèle décrit par l'opérateur de Dirac à puits double pour le cas de charges égales, un problème physique fondamental. Corless et d'autres développeurs du système Maple firent une recherche bibliographique et découvrirent que cette fonction apparait un peu partout dans des applications pratiques[4].
Branches de la « fonction » de Lambert
Si nous nous limitons aux arguments réels x ≥ −1/e, il existe une fonction et une seule W0 à valeurs réelles telle que
c'est la branche principale de W dans ce domaine. La représentation graphique de W0 figure à droite.
On note généralement W−1 l'autre branche à valeurs réelles, c'est-à-dire la branche correspondant aux arguments x tels que , et à valeurs .
Propriétés élémentaires
Expression de eW(y)
On a W(y) eW(y) = y, donc, si W désigne une des deux branches W0 ou W−1 :
Conséquences de la définition
De l'égalité de la définition, on peut déduire :
(où W désigne l'une quelconque des deux branches)
si x ≥ –1.
si x ≤ –1.
(où W désigne l'une quelconque des deux branches et x est non nul)
ce qui a pour conséquence que chacune des deux branches de W satisfait l'équation différentielle :
pour x ≠ −1/e.
Cette équation est d'ailleurs à variables séparables, et ses solutions sont toutes de la forme (avec k ≠ 0) ou .
Primitives
La fonction W désignant une des deux branches W0 ou W−1, beaucoup de fonctions impliquant W, peuvent être intégrées en utilisant le changement de variablew = W(x), i.e. x = wew :
Le rayon de convergence est égal à 1/e. Cette série peut être prolongée en une fonction holomorphe définie en tout nombre complexe n'appartenant pas à l'intervalle réel ]−∞, –1/e] ; cette fonction holomorphe est aussi appelée la branche principale de la fonction W de Lambert.
Nous déduisons de la série de Taylor l'équivalent suivant de W0(x) en 0 :
Comme limite d'une suite
On peut calculer W0(x) de manière itérative, en commençant avec une valeur initiale w0 égale à 1 et en calculant les termes de la suite
.
Si cette suite converge, on voit aisément que sa limite est W0(x). On démontre que c'est en effet le cas si :
Il est moins simple, mais beaucoup plus efficace, d'utiliser la méthode de Newton, partant de w0 = 1, et posant
cette suite converge (très rapidement) vers W0(x) pour tout x > 1/e.
Beaucoup d'équations impliquant des exponentielles peuvent être résolues par l'utilisation de la fonction W. La stratégie générale est de déplacer toutes les instances de l'inconnue d'un côté de l'équation et de le faire ressembler à x ex. À ce point, la « fonction »W nous fournit les solutions :
(chaque branche différente de la « fonction »W donne une solution différente).
Exemples d'applications
Équation 2t = 5t
Par exemple, pour résoudre l'équation 2t = 5t, nous divisons par pour obtenir
La définition de la « fonction »W donne alors , soit
Comme cette formule donne deux solutions réelles : et
Équations xx = z et x logb (x) = a
Avec la « fonction » W de Lambert, on peut résoudre des équations du type xx = z (avec et ) par :
donc
et, si , .
Les solutions de l'équation :
(avec et ), équivalente à , sont données avec la « fonction »W de Lambert :
La bijection réciproque de peut être obtenue explicitement : résolvant l'équation on remarque d'abord qu'elle équivaut, en posant à et donc soit :
Équations a ex + bx + c = 0
Résolution des équations de forme : avec et x dans .
On pose , ce nombre est appelé le discriminant. Il intervient dans la détermination du nombre de solutions de l'équation.
Théorème — Les solutions de l'équation sont:
Si ou si alors l'équation admet une solution dans .
Si alors l'équation admet deux solutions dans .
Si alors n'admet pas de solution dans .
Démonstration
Factorisons l'équation ci-dessus de manière à la mettre sous la forme .
(produit par )
Posons et . On a alors : . On trouve alors : . On obtient finalement :
La fonction W de Lambert étant multivaluée sur , on en déduit la quantité de solutions réelles de l'équation.
Équations a ln(x) + bx + c = 0
À l'aide du changement de variable x = ez, la résolution des équations de la forme : avec et x dans se déduit du cas précédent. Les solutions sont alors (en n'oubliant pas que W est multivaluée) de la forme :
,
où .
Équations a λx + bx + c = 0 et a logλ(x) + bx + c = 0
Plus généralement, la fonction W de Lambert permet de résoudre les équations de la forme : et avec et , x dans et .
Il suffit pour cela de considérer une fonction tel que de répéter la démonstration ci-dessus et de considérer la formule de changement de base : . On obtient alors, avec :
et avec :
Il faut alors considérer le nombre pour déterminer la quantité de solutions des équations.
Applications en physique
Constante de Wien
Dans la loi du déplacement de Wien : . La constante de Wien, noté peut être déterminée explicitement à l'aide de la fonction W de Lambert.
où r1 et r2 sont des constantes réelles, les racines du polynôme quadratique. Dans ce cas, la solution est une fonction avec un seul argument x mais les termes comme ri et a0 sont des paramètres de la fonction. De ce point de vue, la généralisation ressemble à la série hypergéométrique et la fonction de Meijer G mais appartient pourtant à une « classe » différente de fonctions. Quand r1 = r2, chaque côté de (2) peut être factorisé et réduit à (1) et donc la solution se réduit à celle de la fonction standard de W.
L'équation (2) est celle gouvernant le champ d'un dilaton parvenant du modèle R=T- par lequel est dérivée la métrique du système gravitationnel de deux corps dans les dimensions 1+1 (c’est-à-dire une dimension spatiale et une dimension temporelle) pour le cas des masses (au repos) inégales - ainsi que les valeurs propres de l'énergie du système quantique qui est constitué du modèle décrit par l'opérateur de Dirac à puits double pour le cas de charges inégales en une dimension.
La partie de droite de (1) (ou (2)) est maintenant un quotient de « polynômes » d'ordre infini en x :
où riet sisont des constantes réelles distinctes et x est une fonction de la valeur propre de l'énergie et la distance internucléaire R. L'équation (3) avec ces cas spécialisés et exprimés dans (1) et (2) correspond à une classe considérable d'équations à délai différentiel. La « fausse dérivée » de Hardy fournit des racines exactes pour des cas spéciales de (3)[14].
Les applications de la fonction W de Lambert dans les problèmes de la physique fondamentale ne sont pas épuisées même pour le cas standard exprimé dans (1), comme on vient de le voir dans les domaines de la physique atomique et moléculaire[15] et aussi, le critère de Keiper-Li pour l'hypothèse de Riemann[16].
Notes
↑(la) J. H. Lambert, « Observationes variae in mathesin puram », Acta Helveticae physico-mathematico-anatomico-botanico-medica, vol. III, , p. 128-168 (lire en ligne).
↑(la) L. Euler, « De serie Lambertina Plurimisque eius insignibus proprietatibus », Acta Acad. Scient. Petropol., vol. 2, , p. 29-51, réimprimée dans (la) L. Euler, Opera Omnia, Series Prima, vol. 6 : Commentationes Algebraicae, Leipzig, Teubner, (lire en ligne), p. 350-369.
↑(en) George Pólya et Gábor Szegő (titre en anglais : Problems and Theorems in Analysis (1998)), Aufgaben und Lehrsätze der Analysis, Berlin, Springer-Verlag, .
↑(en) R. M. Corless, G. H. Gonnet, D. E. G. Hare et D. J. Jeffrey, « Lambert's W function in Maple », The Maple Technical Newsletter (MapleTech), vol. 9, , p. 12-22.
↑(en) T. C. Scott et R. B. Mann, « General Relativity and Quantum Mechanics: Towards a Generalization of the Lambert W Function », AAECC (Applicable Algebra in Engineering, Communication and Computing), vol. 17, no 1, , p. 41-47 (lire en ligne)
↑(en) T. C. Scott, G. Fee et J. Grotendorst, « Asymptotic series of Generalized Lambert W Function », SIGSAM (ACM Special Interest Group in Symbolic and Algebraic Manipulation), vol. 47, no 185, , p. 75–83 (lire en ligne)
↑T. C. Scott, G. Fee, J. Grotendorst et W.Z. Zhang, « Numerics of the Generalized Lambert W Function », SIGSAM, nos 1/2, , p. 42–56 (lire en ligne)
↑(en) P. S. Farrugia, R. B. Mann et T. C. Scott, « N-body Gravity and the Schrödinger Equation », Class. Quantum Grav., vol. 24, , p. 4647-4659 (lire en ligne)
↑(en) T. C. Scott, M. Aubert-Frécon et J. Grotendorst, « New Approach for the Electronic Energies of the Hydrogen Molecular Ion », Chem. Phys., vol. 324, , p. 323-338 (lire en ligne)
↑(en) Aude Maignan et T. C. Scott, « Fleshing out the Generalized Lambert W Function », SIGSAM, vol. 50, no 2, , p. 45–60 (DOI10.1145/2992274.2992275)
↑(en) T. C. Scott, A. Lüchow, D. Bressanini et J. D. Morgan III, « The Nodal Surfaces of Helium Atom Eigenfunctions », Phys. Rev. A, vol. 75, , p. 060101 (DOI10.1103/PhysRevA.75.060101)
↑(en) R. C. McPhedran, Tony C. Scott et Aude Maignan, « The Keiper-Li Criterion for the Riemann Hypothesis and Generalized Lambert Functions », ACM Commun. Comput. Algebra, vol. 57, no 3, , p. 85-110 (DOI10.1145/3637529.3637530)
Références
(en) R. M. Corless et al., « On the Lambert W function », Adv. Comput. Math., vol. 5, , p. 329-359 (lire en ligne) ou là
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