Функция Эйри: уравнение, нули и физика
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 или её напарнице . Ниже можно сразу подвигать ползунок и посмотреть, как выглядит 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:
Несмотря на лаконичность, оно не решается через элементарные функции. Коэффициент при зависит от , 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 обе функции осциллируют с амплитудой, постепенно убывающей к нулю, а при одна убывает экспоненциально, другая - нарастает.
Два линейно независимых решения
Общее решение уравнения записывается как:
где и - два линейно независимых решения, которые принято называть функциями Эйри первого и второго рода. Они однозначно определены начальными значениями в нуле:
Физический смысл разделения на и проявляется в граничных задачах. Если область решения уходит в , то экспоненциально нарастает и нарушает нормируемость - поэтому в квантовой механике оставляют только , а константу полагают равной нулю.
Интегральное представление
Функцию Эйри можно выразить через интеграл:
Это представление удобно для теоретического анализа: при экспонента быстро осциллирует и гасит интеграл, при - интеграл даёт вклад от широкой «медленной» зоны. Именно из этого интеграла методом стационарной фазы выводятся обе асимптотики.
Осцилляции и асимптотика при x < 0
При функция Эйри ведёт себя как:
Обе функции осциллируют с частотой, растущей пропорционально , и убывающей амплитудой . Это характерный признак «классически разрешённой зоны» - в квантовом смысле частица там может находиться.

Нули функции расположены только на отрицательной полуоси. Первые четыре:
Асимптотически -й нуль приближается формулой:
Экспоненциальное убывание при x > 0
При функция убывает:
а нарастает:
Аргумент экспоненты часто называют «аргументом Эйри». При уже , и - функция практически равна нулю.
Физические приложения
Квантовая частица в линейном потенциале. Уравнение Шрёдингера с потенциалом (однородное электрическое поле) сводится к уравнению Эйри заменой переменной. Введём масштаб длины и обезразмеренную переменную . Тогда уравнение Шрёдингера принимает точную форму уравнения Эйри: . Нормируемое решение - , а нули 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 . 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 . Правила связи ВКБ-решений по обе стороны точки поворота - это в точности условие сшивки через функцию Эйри. Поэтому лежит в основе квантования Бора - Зоммерфельда с поправкой в квантовом числе.
Уравнение Кортевега - де Фриза. Стационарные решения некоторых нелинейных волновых уравнений на малых амплитудах также выражаются через . 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 используют ряд Тейлора. Функции и определяются рекуррентно:
и тогда . Ряды сходятся при любом , но медленно при , 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 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 и . В физике «нужная» функция - всегда , так как только она убывает при . нарастает и физически неприемлема при стандартных граничных условиях.
- Подставлять в асимптотику малые . Формулы и дают большую погрешность при . Для таких значений используйте ряд или точные таблицы.
- Забыть фазовый сдвиг в асимптотике на отрицательной полуоси. Без него нули формулы не совпадут с настоящими нулями .
- Считать, что . Функция не обращается в нуль при ; там .
- Путаница с «точкой поворота». Классическая точка поворота - там, где , что соответствует нулю аргумента уравнения Эйри, не нулю самой функции.
FAQ
Почему у функции Эйри бесконечно много нулей? На отрицательной полуоси осциллирует с нарастающей частотой: каждые приходится один нуль. Так как 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: при , где - модифицированная функция Бесселя второго рода порядка . При .
Как найти уровни энергии треугольной потенциальной ямы через нули ? Для потенциала при и при граничное условие означает , где , - характерная длина. Таким образом, уровни энергии , где - -й нуль .
Коротко
Функция Эйри и - фундаментальные решения уравнения . При они осциллируют с нарастающей частотой, при - соответственно убывают и нарастают экспоненциально. Нули задают квантованные уровни энергии в линейном потенциале. Для вычислений: при используют ряд Тейлора, при - асимптотические разложения через .
Читайте также

Эксперимент с отложенным выбором Уилера: волна или частица
Эксперимент с отложенным выбором Уилера простыми словами: как поздний выбор схемы будто меняет прошлое фотона, в чём суть мысленного опыта и что показали реальные измерения.

Коммутатор координаты и импульса: вывод и смысл
Коммутатор координаты и импульса в квантовой механике: вывод тождества с постоянной Планка, связь с принципом неопределённости и канонической квантованностью, типовые ошибки.

Коэффициенты Рака: пересвязка трёх угловых моментов
Коэффициенты Рака в квантовой механике: что такое W-коэффициенты и 6j-символ, как они пересвязывают три угловых момента, условия треугольника, симметрии и связь с коэффициентами Клебша-Гордана.