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朗伯W函数(英語:Lambert W function,又称为欧米加函数或乘积对数),是 f ( w ) = w e w {\displaystyle f(w)=we^{w}} 的反函数,其中 e w {\displaystyle e^{w}} 是指数函数, w {\displaystyle w} 是任意复数。对于任何复数 z {\displaystyle z} ,都有:
由于函数 f {\displaystyle f} 不是单射,因此函数 W {\displaystyle W} 是多值的(除了0以外)。如果我们把 x {\displaystyle x} 限制为实数,并要求 w {\displaystyle w} 是实数,那么函数仅对于 x ≥ 1 e {\displaystyle x\geq {\frac {1}{e}}} 有定义,在 ( − 1 e , 0 ) {\displaystyle (-{\frac {1}{e}},0)} 内是多值的;如果加上 w ≥ − 1 {\displaystyle w\geq -1} 的限制,则定义了一个单值函数 W 0 ( x ) {\displaystyle W_{0}(x)} (见图)。我们有 W 0 ( 0 ) = 0 {\displaystyle W_{0}(0)=0} , W 0 ( − 1 e ) = − 1 {\displaystyle W_{0}(-{\frac {1}{e}})=-1} 。而在 [ − 1 e , 0 ) {\displaystyle [-{\frac {1}{e}},0)} 内的 w ≤ − 1 {\displaystyle w\leq -1} 分支,则记为 W − 1 ( x ) {\displaystyle W_{-1}(x)} ,从 W − 1 ( − 1 e ) = − 1 {\displaystyle W_{-1}(-{\frac {1}{e}})=-1} 递减为 W − 1 ( 0 − ) = − ∞ {\displaystyle W_{-1}(0^{-})=-\infty } 。
朗伯 W {\displaystyle W} 函数不能用初等函数来表示。它在组合数学中有许多用途,例如树的计算。它可以用来解许多含有指数的方程,也出现在某些微分方程的解中,例如 y ( t ) = a y ( t − 1 ) {\displaystyle y(t)=ay(t-1)} 。
朗伯 W {\displaystyle W\,} 函数的积分形式为
若 x ∉ [ − 1 e , 0 ] , k ∈ Z {\displaystyle x\not \in \left[-{\frac {1}{e}},0\right],k\in {\mathbb {Z} }\,} ,若 x ∈ ( − 1 e , 0 ) , k = 1 , ± 2 , ± 3 , . . . {\displaystyle x\in \left(-{\frac {1}{e}},0\right),k=1,\pm 2,\pm 3,...\,}
把被积函数的实部和虚部分离出来:
设 W k ( x ) = u + v i , x = t + s i {\displaystyle W_{k}(x)=u+v{\rm {i}},x=t+s{\rm {i}}} ,则有 ( u + v i ) e u + v i = t + s i {\displaystyle \left(u+v{\rm {i}}\right)e^{u+v{\rm {i}}}=t+s{\rm {i}}} ,展开分离出实部和虚部,
e u ( u cos v − v sin v ) = t , e u ( u sin v + v cos v ) = s {\displaystyle e^{u}\left(u\cos v-v\sin v\right)=t,e^{u}\left(u\sin v+v\cos v\right)=s} ,当 s = 0 {\displaystyle s=0} 时,易知 u = − v cot v {\displaystyle u=-v\cot v}
若 x > 1 e {\displaystyle x>{\frac {1}{e}}} ,上式还可化为 W 0 ( x ) = 1 + ( ln x − 1 ) e − 1 π ∫ 0 ∞ arctan π t − ln t + ln x ⋅ d t t + 1 {\displaystyle W_{0}(x)=1+\left(\ln x-1\right)e^{-{\frac {1}{\pi }}\int _{0}^{\infty }\arctan {\frac {\pi }{t-\ln t+\ln x}}\cdot {\frac {\rm {{d}t}}{t+1}}}}
由隐函数的求导法则,朗伯 W {\displaystyle W\,} 函数满足以下的微分方程:
因此:
函数 W ( x ) {\displaystyle W(x)\,} ,以及许多含有 W ( x ) {\displaystyle W(x)\,} 的表达式,都可以用 w = W ( x ) {\displaystyle w=W(x)\,} 的变量代换来积分,也就是说 x = w e w {\displaystyle x=we^{w}\,}
其中 Ω {\displaystyle \Omega } 為欧米加常数。
1 {\displaystyle 1\,} 、 z z z z z . . . = lim n → ∞ ( z ⇈ n ) = − W ( − ln z ) ln z {\displaystyle z^{z^{z^{z^{z^{.^{.^{.}}}}}}}=\lim _{n\to \infty }(z\upuparrows n)=-{\frac {W(-\ln z)}{\ln z}}} ,
其中 ⇈ {\displaystyle \upuparrows } 是高德納箭號表示法。
2 {\displaystyle 2\,} 、若 z > 0 {\displaystyle z>0\,} ,则 ln W ( z ) = ln z − W ( z ) {\displaystyle \ln W(z)=\ln z-W(z)\,}
W 0 {\displaystyle W_{0}\,} 在 x = 0 {\displaystyle x=0\,} 的泰勒级数如下:
收敛半径为 1 e {\displaystyle {\frac {1}{e}}\,} 。
實部
虛部
模長
模角
共軛值
许多含有指数的方程都可以用 W {\displaystyle W\,} 函数来解出。一般的方法是把未知数都移到方程的一侧,并设法化为 Y = X e X {\displaystyle Y=Xe^{X}\,} 的形式。
更一般地,以下的方程
其中
两边同乘: a c {\displaystyle {\frac {a}{c}}} ,
得到: a c Q a x + b = a x + a d c {\displaystyle {\frac {a}{c}}Q^{ax+b}=ax+{\frac {ad}{c}}\,}
同除以: Q a x {\displaystyle Q^{ax}\,} ,
得到: a c Q b = ( a x + a d c ) Q − a x {\displaystyle {\frac {a}{c}}Q^{b}=\left(ax+{\frac {ad}{c}}\right)Q^{-ax}\,}
同除: Q a d c {\displaystyle Q^{\frac {ad}{c}}\,} ,
a c Q b − a d c = ( a x + a d c ) Q − ( a x + a d c ) {\displaystyle {\frac {a}{c}}Q^{b-{\frac {ad}{c}}}=\left(ax+{\frac {ad}{c}}\right)Q^{-\left(ax+{\frac {ad}{c}}\right)}\,}
可以用变量代换
令 t = a x + a d c {\displaystyle t=ax+{\frac {ad}{c}}}
化为
即: t ( e ln Q ) − t = a c Q b − a d c {\displaystyle t\left(e^{\ln Q}\right)^{-t}={\frac {a}{c}}Q^{b-{\frac {ad}{c}}}}
同乘: ln Q {\displaystyle {\ln Q}\,}
得出
故 t ln Q = − W k ( − a ln Q c Q b − a d c ) {\displaystyle t{\ln Q}=-W_{k}\left(-{\frac {a\ln Q}{c}}\,Q^{b-{\frac {ad}{c}}}\right)}
带入 t = a x + a d c {\displaystyle t=ax+{\frac {ad}{c}}}
为
因此最终的解为
若辅助方程: x e x = − a ln Q c Q b − a d c {\displaystyle xe^{x}=-{\frac {a\ln Q}{c}}\,Q^{b-{\frac {ad}{c}}}} 中,
辅助方程无实数解,原方程亦无实解;
若: − a ln Q c Q b − a d c ∈ { − 1 e } ∪ [ 0 , + ∞ ) {\displaystyle -{\frac {a\ln Q}{c}}\,Q^{b-{\frac {ad}{c}}}\in \left\{-{\frac {1}{e}}\right\}\cup \mathbf {[} 0,+\infty )} ,
辅助方程有一实数解,原方程有一实解:
若: − a ln Q c Q b − a d c ∈ ( − 1 e , 0 ) {\displaystyle -{\frac {a\ln Q}{c}}\,Q^{b-{\frac {ad}{c}}}\in \left(-{\frac {1}{e}},0\right)} ,
辅助方程有二实解,设为 W ( − a ln Q c Q b − a d c ) {\displaystyle W\left(-{\frac {a\ln Q}{c}}\,Q^{b-{\frac {ad}{c}}}\right)} ,
W − 1 ( − a ln Q c Q b − a d c ) {\displaystyle {\rm {W}}_{-1}\left(-{\frac {a\ln Q}{c}}\,Q^{b-{\frac {ad}{c}}}\right)} ,
x 1 = − W ( − a ln Q c Q b − a d c ) a ln Q − d c {\displaystyle x_{1}=-{\frac {W\left(-{\frac {a\ln Q}{c}}\,Q^{b-{\frac {ad}{c}}}\right)}{a\ln Q}}-{\frac {d}{c}}}
x 2 = − W − 1 ( − a ln Q c Q b − a d c ) a ln Q − d c {\displaystyle x_{2}=-{\frac {{\rm {W}}_{-1}\left(-{\frac {a\ln Q}{c}}\,Q^{b-{\frac {ad}{c}}}\right)}{a\ln Q}}-{\frac {d}{c}}}
用类似的方法,可知以下方程的解
或
以下方程的解
具有形式
取对数,
取倒数,
最终解为 : x = − a ln b W k ( − ln b a ) {\displaystyle x=-{\frac {a}{\ln b}}W_{k}\left(-{\frac {\ln b}{a}}\right)\,}
两边开 n {\displaystyle n\,} 次方并除以 a {\displaystyle a\,} 得
x + b a = u c n x + d n a ( cos 2 k π n + i sin 2 k π n ) {\displaystyle x+{\frac {b}{a}}={\frac {u^{{\frac {c}{n}}x+{\frac {d}{n}}}}{a}}\left(\cos {\frac {2k\pi }{n}}+{\rm {i}}\sin {\frac {2k\pi }{n}}\right)\,}
令 u = e ln u {\displaystyle u=e^{\ln u}\,} ,
x + b a = e c ln u n x + d ln u n a ( cos 2 k π n + i sin 2 k π n ) {\displaystyle x+{\frac {b}{a}}={\frac {e^{{\frac {c\ln u}{n}}x+{\frac {d\ln u}{n}}}}{a}}\left(\cos {\frac {2k\pi }{n}}+{\rm {i}}\sin {\frac {2k\pi }{n}}\right)\,}
两边同乘
− c ln u n u − c n x − c b n a {\displaystyle -{\frac {c\ln u}{n}}u^{-{\frac {c}{n}}x-{\frac {cb}{na}}}\,} ,
( − c ln u n x − c b ln u n a ) e − c ln u n x − c b ln u n a = − c ln u n a u d n − c b n a ( cos 2 k π n + i sin 2 k π n ) {\displaystyle \left(-{\frac {c\ln u}{n}}x-{\frac {cb\ln u}{na}}\right)e^{-{\frac {c\ln u}{n}}x-{\frac {cb\ln u}{na}}}=-{\frac {c\ln u}{na}}u^{{\frac {d}{n}}-{\frac {cb}{na}}}\left(\cos {\frac {2k\pi }{n}}+{\rm {i}}\sin {\frac {2k\pi }{n}}\right)\,}
最终得
x k = − n c ln u W k [ − c ln u n a u d n − c b n a ( cos 2 k π n + i sin 2 k π n ) ] − b a {\displaystyle x_{k}=-{\frac {n}{c\ln u}}W_{k}\left[-{\frac {c\ln u}{na}}u^{{\frac {d}{n}}-{\frac {cb}{na}}}\left(\cos {\frac {2k\pi }{n}}+{\rm {i}}\sin {\frac {2k\pi }{n}}\right)\right]-{\frac {b}{a}}\,}
k ∈ Z {\displaystyle k\in {\mathbb {Z} }\,}
標準的 Lambert W 函數可用來表示以下超越代數方程式的解:
其中 a0, c 與 r 為實常數。
其解為 x = r + W ( c e − c r a o ) c {\textstyle x=r+{\tfrac {W\left({\frac {ce^{-cr}}{a_{o}}}\right)}{c}}}
Lambert W 函數之一般化[1][2][3]包括:
Lambert "W" 函數於基礎物理問題之應用並未完全即使標準情況如 (1) 最近在原子,分子,與光學物理領域可見[7]以及黎曼假设的 Keiper-Li 准则 [8]
W函数可以用以下的递推关系算出: