EssayAI
Блог
Блог
Математика и алгоритмы

Функция Эйри: уравнение, нули и физика

11 июня 2026Время чтения: 8 минут
#функция Эйри#уравнение Эйри#нули Ai#асимптотика Эйри#квантовая механика

Функция Эйри возникает в задачах, где потенциал линейно зависит от координаты: квантовая частица в треугольной яме, распространение света вблизи точки поворота луча, дифракция на прямом крае. В каждом из этих случаев решение уравнения движения сводится к одному и тому же объекту - функции Ai(x)\mathrm{Ai}(x) или её напарнице Bi(x)\mathrm{Bi}(x). Ниже можно сразу подвигать ползунок и посмотреть, как выглядит Ai(x)\mathrm{Ai}(x) в любой точке и что происходит на переходе от осцилляций к экспоненциальному убыванию.

Что такое уравнение Эйри

Уравнение Эйри - это второй порядок обыкновенного дифференциального уравнения:

y=xy.y'' = x \, y.

Несмотря на лаконичность, оно не решается через элементарные функции. Коэффициент при yy зависит от xx, поэтому стандартные приёмы - экспоненциальная подстановка или метод характеристического уравнения - здесь не работают.

Уравнение впервые систематически изучил Джордж Бидделл Эйри в 1838 году в связи с задачей о дифракции света вблизи каустики. Именно тогда выяснилось, что решения имеют принципиально разное поведение на двух полуосях: при x<0x < 0 обе функции осциллируют с амплитудой, постепенно убывающей к нулю, а при x>0x > 0 одна убывает экспоненциально, другая - нарастает.

Два линейно независимых решения

Общее решение уравнения y=xyy'' = xy записывается как:

y(x)=C1Ai(x)+C2Bi(x),y(x) = C_1 \, \mathrm{Ai}(x) + C_2 \, \mathrm{Bi}(x),

где Ai(x)\mathrm{Ai}(x) и Bi(x)\mathrm{Bi}(x) - два линейно независимых решения, которые принято называть функциями Эйри первого и второго рода. Они однозначно определены начальными значениями в нуле:

Ai(0)=132/3Γ(2/3)0.3550,Ai(0)=131/3Γ(1/3)0.2588,\mathrm{Ai}(0) = \frac{1}{3^{2/3}\,\Gamma(2/3)} \approx 0.3550, \quad \mathrm{Ai}'(0) = -\frac{1}{3^{1/3}\,\Gamma(1/3)} \approx -0.2588, Bi(0)=131/6Γ(2/3)0.6149,Bi(0)=31/6Γ(1/3)0.4483.\mathrm{Bi}(0) = \frac{1}{3^{1/6}\,\Gamma(2/3)} \approx 0.6149, \quad \mathrm{Bi}'(0) = \frac{3^{1/6}}{\Gamma(1/3)} \approx 0.4483.
Анимация: значение аргумента x пробегает от -8 до 6, маркер скользит по кривой Ai(x). Видно, как функция осциллирует на отрицательной полуоси и плавно затухает до нуля на положительной - точка поворота у x = 0

Физический смысл разделения на Ai\mathrm{Ai} и Bi\mathrm{Bi} проявляется в граничных задачах. Если область решения уходит в ++\infty, то Bi(x)\mathrm{Bi}(x) экспоненциально нарастает и нарушает нормируемость - поэтому в квантовой механике оставляют только C1Ai(x)C_1 \, \mathrm{Ai}(x), а константу C2C_2 полагают равной нулю.

Интегральное представление

Функцию Эйри можно выразить через интеграл:

Ai(x)=1π0cos ⁣(t33+xt)dt.\mathrm{Ai}(x) = \frac{1}{\pi} \int_0^\infty \cos\!\left(\frac{t^3}{3} + x\,t\right) dt.

Это представление удобно для теоретического анализа: при x>0x > 0 экспонента быстро осциллирует и гасит интеграл, при x<0x < 0 - интеграл даёт вклад от широкой «медленной» зоны. Именно из этого интеграла методом стационарной фазы выводятся обе асимптотики.

Осцилляции и асимптотика при x < 0

При xx \to -\infty функция Эйри ведёт себя как:

Ai(x)1πx1/4sin ⁣(23x3/2+π4),\mathrm{Ai}(x) \sim \frac{1}{\sqrt{\pi}\,|x|^{1/4}} \sin\!\left(\tfrac{2}{3}|x|^{3/2} + \tfrac{\pi}{4}\right), Bi(x)1πx1/4cos ⁣(23x3/2+π4).\mathrm{Bi}(x) \sim \frac{1}{\sqrt{\pi}\,|x|^{1/4}} \cos\!\left(\tfrac{2}{3}|x|^{3/2} + \tfrac{\pi}{4}\right).

Обе функции осциллируют с частотой, растущей пропорционально x1/2|x|^{1/2}, и убывающей амплитудой x1/4|x|^{-1/4}. Это характерный признак «классически разрешённой зоны» - в квантовом смысле частица там может находиться.

Нули функции Эйри Ai(x): первые четыре нуля a1=-2.338, a2=-4.088, a3=-5.521, a4=-6.787 на отрицательной полуоси - квантовые уровни треугольной потенциальной ямы
Нули функции Эйри Ai(x): первые четыре нуля a1=-2.338, a2=-4.088, a3=-5.521, a4=-6.787 на отрицательной полуоси - квантовые уровни треугольной потенциальной ямы

Нули функции Ai(x)\mathrm{Ai}(x) расположены только на отрицательной полуоси. Первые четыре:

a12.338,a24.088,a35.521,a46.787.a_1 \approx -2.338, \quad a_2 \approx -4.088, \quad a_3 \approx -5.521, \quad a_4 \approx -6.787.

Асимптотически nn-й нуль приближается формулой:

an[3π8(4n1)]2/3.a_n \approx -\left[\tfrac{3\pi}{8}(4n-1)\right]^{2/3}.

Экспоненциальное убывание при x > 0

При x+x \to +\infty функция Ai(x)\mathrm{Ai}(x) убывает:

Ai(x)12πx1/4exp ⁣(23x3/2),\mathrm{Ai}(x) \sim \frac{1}{2\sqrt{\pi}\,x^{1/4}} \exp\!\left(-\frac{2}{3}x^{3/2}\right),

а Bi(x)\mathrm{Bi}(x) нарастает:

Bi(x)1πx1/4exp ⁣(+23x3/2).\mathrm{Bi}(x) \sim \frac{1}{\sqrt{\pi}\,x^{1/4}} \exp\!\left(+\frac{2}{3}x^{3/2}\right).

Аргумент экспоненты ζ=23x3/2\zeta = \tfrac{2}{3}x^{3/2} часто называют «аргументом Эйри». При x=5x = 5 уже ζ7.45\zeta \approx 7.45, и Ai(5)1.08×104\mathrm{Ai}(5) \approx 1.08 \times 10^{-4} - функция практически равна нулю.

Физические приложения

Квантовая частица в линейном потенциале. Уравнение Шрёдингера 2/(2m)ψ+V(x)ψ=Eψ-\hbar^2/(2m) \cdot \psi'' + V(x)\psi = E\psi с потенциалом V=eExV = eEx (однородное электрическое поле) сводится к уравнению Эйри заменой переменной. Введём масштаб длины =(2/2meE)1/3\ell = (\hbar^2/2meE)^{1/3} и обезразмеренную переменную z=(xE/eE)/z = (x - E/eE)\,/\,\ell. Тогда уравнение Шрёдингера принимает точную форму уравнения Эйри: ψ=zψ\psi'' = z\,\psi. Нормируемое решение - ψAi(z)\psi \propto \mathrm{Ai}(z), а нули Ai\mathrm{Ai} задают квантованные уровни энергии для частицы в треугольной яме: полупроводниковый гетеропереход, поверхностные состояния, структуры с двумерным электронным газом (эффект квантового холла).

Дифракция и оптика. Функция Эйри описывает распределение интенсивности вблизи каустики - геометрической «точки поворота» луча, где геометрическая оптика предсказывает бесконечную интенсивность. Функция Эйри регуляризует эту особенность: вместо расходимости получается конечный максимум с боковыми осцилляциями. Полоса Эйри - характерная ширина зоны дифракционного максимума - определяется нулями Ai\mathrm{Ai}. Этот эффект наблюдается в радужном рассеянии, радиозондировании атмосферы и лазерных пучках типа Эйри.

Метод ВКБ и точка поворота. В приближении ВКБ (Вентцеля - Крамерса - Бриллюэна) волновая функция записывается через синус или экспоненту, но это приближение ломается вблизи классической точки поворота - там, где E=V(x)E = V(x). Правила связи ВКБ-решений по обе стороны точки поворота - это в точности условие сшивки через функцию Эйри. Поэтому Ai(x)\mathrm{Ai}(x) лежит в основе квантования Бора - Зоммерфельда с поправкой 1/21/2 в квантовом числе.

Уравнение Кортевега - де Фриза. Стационарные решения некоторых нелинейных волновых уравнений на малых амплитудах также выражаются через Ai\mathrm{Ai}. В частности, линейная часть уравнения КдФ для медленно меняющегося потенциала приводит к уравнению Эйри как предельному случаю.

Вычисление: ряды и рекуррентные соотношения

Для практических вычислений при небольших x|x| используют ряд Тейлора. Функции f(x)f(x) и g(x)g(x) определяются рекуррентно:

f(x)=k=0x3k(3k)!/(147(3k2)),g(x)=k=0x3k+1(3k+1)!/(258(3k1)),f(x) = \sum_{k=0}^{\infty} \frac{x^{3k}}{(3k)!/(1\cdot4\cdot7\cdots(3k-2))}, \quad g(x) = \sum_{k=0}^{\infty} \frac{x^{3k+1}}{(3k+1)!/(2\cdot5\cdot8\cdots(3k-1))},

и тогда Ai(x)=Ai(0)f(x)+Ai(0)g(x)\mathrm{Ai}(x) = \mathrm{Ai}(0)\,f(x) + \mathrm{Ai}'(0)\,g(x). Ряды сходятся при любом xx, но медленно при x>5|x| > 5, поэтому там переходят к асимптотическому разложению.

Современные математические пакеты (SciPy, Matlab, Mathematica) содержат функцию Эйри в стандартной библиотеке с двойной точностью. В SciPy это scipy.special.airy(x), которая возвращает кортеж (Ai,Ai,Bi,Bi)(Ai, Ai', Bi, Bi') сразу для всех четырёх значений. Для символьных вычислений Mathematica использует AiryAi[x] и AiryBi[x].

Практичный критерий перехода между рядом и асимптотикой: при $|x| < 4$ применяйте ряд Тейлора, при $|x| \geq 5$ - асимптотическое разложение. В диапазоне $4 \leq |x| < 5$ для надёжности используйте оба метода и берите среднее или переходите к численным библиотекам.

Частые ошибки

  • Перепутать Ai\mathrm{Ai} и Bi\mathrm{Bi}. В физике «нужная» функция - всегда Ai\mathrm{Ai}, так как только она убывает при x+x \to +\infty. Bi\mathrm{Bi} нарастает и физически неприемлема при стандартных граничных условиях.
  • Подставлять в асимптотику малые xx. Формулы exp(2x3/2/3)\sim \exp(-2x^{3/2}/3) и sin(2x3/2/3+π/4)\sim \sin(2|x|^{3/2}/3 + \pi/4) дают большую погрешность при x<4|x| < 4. Для таких значений используйте ряд или точные таблицы.
  • Забыть фазовый сдвиг π/4\pi/4 в асимптотике на отрицательной полуоси. Без него нули формулы не совпадут с настоящими нулями Ai\mathrm{Ai}.
  • Считать, что Ai(0)=0\mathrm{Ai}(0) = 0. Функция не обращается в нуль при x=0x = 0; там Ai(0)0.3550\mathrm{Ai}(0) \approx 0.3550.
  • Путаница с «точкой поворота». Классическая точка поворота - там, где E=V(x)E = V(x), что соответствует нулю аргумента уравнения Эйри, не нулю самой функции.

FAQ

Почему у функции Эйри бесконечно много нулей? На отрицательной полуоси Ai(x)\mathrm{Ai}(x) осциллирует с нарастающей частотой: каждые Δxπ/(x1/2)\Delta x \approx \pi/(|x|^{1/2}) приходится один нуль. Так как x|x| уходит в бесконечность, нулей накапливается бесконечно много. На положительной полуоси функция монотонно убывает - там нулей нет.

Как функция Эйри связана с функциями Бесселя? Это близкое родство: Ai(x)=1πx/3K1/3(23x3/2)\mathrm{Ai}(x) = \tfrac{1}{\pi}\sqrt{x/3}\,K_{1/3}(\tfrac{2}{3}x^{3/2}) при x>0x > 0, где K1/3K_{1/3} - модифицированная функция Бесселя второго рода порядка 1/31/3. При x<0x < 0 Ai(x)=13x[J1/3(23x3/2)+J1/3(23x3/2)]\mathrm{Ai}(-x) = \tfrac{1}{3}\sqrt{x}[J_{-1/3}(\tfrac{2}{3}x^{3/2}) + J_{1/3}(\tfrac{2}{3}x^{3/2})].

Как найти уровни энергии треугольной потенциальной ямы через нули Ai\mathrm{Ai}? Для потенциала V=eExV = eEx при x>0x > 0 и V=V = \infty при x<0x < 0 граничное условие ψ(0)=0\psi(0) = 0 означает Ai(z0)=0\mathrm{Ai}(z_0) = 0, где z0=E/(eE)z_0 = -E/(eE \cdot \ell), =(2/2meE)1/3\ell = (\hbar^2/2meE)^{1/3} - характерная длина. Таким образом, уровни энергии En=aneEE_n = -a_n \cdot eE \cdot \ell, где ana_n - nn-й нуль Ai\mathrm{Ai}.

Коротко

Функция Эйри Ai(x)\mathrm{Ai}(x) и Bi(x)\mathrm{Bi}(x) - фундаментальные решения уравнения y=xyy'' = xy. При x<0x < 0 они осциллируют с нарастающей частотой, при x>0x > 0 - соответственно убывают и нарастают экспоненциально. Нули Ai\mathrm{Ai} задают квантованные уровни энергии в линейном потенциале. Для вычислений: при x5|x| \leq 5 используют ряд Тейлора, при x>5|x| > 5 - асимптотические разложения через ζ=23x3/2\zeta = \tfrac{2}{3}|x|^{3/2}.

Доверьте текст нейросети EssayAI

Открыть EssayAI

Бесплатно, на русском языке и без VPN

Читайте также