- •Contents
- •Preface
- •How to use this book
- •Chapter 1 Units, constants, and conversions
- •1.1 Introduction
- •1.2 SI units
- •1.3 Physical constants
- •1.4 Converting between units
- •1.5 Dimensions
- •1.6 Miscellaneous
- •Chapter 2 Mathematics
- •2.1 Notation
- •2.2 Vectors and matrices
- •2.3 Series, summations, and progressions
- •2.5 Trigonometric and hyperbolic formulas
- •2.6 Mensuration
- •2.8 Integration
- •2.9 Special functions and polynomials
- •2.12 Laplace transforms
- •2.13 Probability and statistics
- •2.14 Numerical methods
- •Chapter 3 Dynamics and mechanics
- •3.1 Introduction
- •3.3 Gravitation
- •3.5 Rigid body dynamics
- •3.7 Generalised dynamics
- •3.8 Elasticity
- •Chapter 4 Quantum physics
- •4.1 Introduction
- •4.3 Wave mechanics
- •4.4 Hydrogenic atoms
- •4.5 Angular momentum
- •4.6 Perturbation theory
- •4.7 High energy and nuclear physics
- •Chapter 5 Thermodynamics
- •5.1 Introduction
- •5.2 Classical thermodynamics
- •5.3 Gas laws
- •5.5 Statistical thermodynamics
- •5.7 Radiation processes
- •Chapter 6 Solid state physics
- •6.1 Introduction
- •6.2 Periodic table
- •6.4 Lattice dynamics
- •6.5 Electrons in solids
- •Chapter 7 Electromagnetism
- •7.1 Introduction
- •7.4 Fields associated with media
- •7.5 Force, torque, and energy
- •7.6 LCR circuits
- •7.7 Transmission lines and waveguides
- •7.8 Waves in and out of media
- •7.9 Plasma physics
- •Chapter 8 Optics
- •8.1 Introduction
- •8.5 Geometrical optics
- •8.6 Polarisation
- •8.7 Coherence (scalar theory)
- •8.8 Line radiation
- •Chapter 9 Astrophysics
- •9.1 Introduction
- •9.3 Coordinate transformations (astronomical)
- •9.4 Observational astrophysics
- •9.5 Stellar evolution
- •9.6 Cosmology
- •Index
32 |
Mathematics |
|
|
2.5Trigonometric and hyperbolic formulas
Trigonometric relationships
sin(A± B) = sinAcosB ± cosAsinB |
(2.171) |
||||||||||||||||||||||
cos(A± B) = cosAcosB sinAsinB |
(2.172) |
||||||||||||||||||||||
tan(A |
± |
B) = |
tanA± tanB |
|
|
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|
(2.173) |
|||||||||||||||
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1 |
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tanAtanB |
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||||||||||
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|
|
cosAcosB = |
1 |
|
[cos(A+ B) + cos(A− B)] |
(2.174) |
|||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||||
2 |
|
||||||||||||||||||||||
sinAcosB = |
1 |
|
[sin(A+ B) + sin(A− B)] |
(2.175) |
|||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||||
2 |
|
||||||||||||||||||||||
sinAsinB = |
1 |
|
[cos(A− B) − cos(A+ B)] |
(2.176) |
|||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||||
2 |
|
||||||||||||||||||||||
cos2 A+ sin2 A = 1 |
|
|
|
|
|
|
|
(2.177) |
|||||||||||||||
sec2 A− tan2 A = 1 |
|
|
|
|
|
|
|
(2.178) |
|||||||||||||||
csc2 A− cot2 A = 1 |
|
|
|
|
|
|
|
(2.179) |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
sin2A = 2sinAcosA |
|
|
|
|
|
|
|
(2.180) |
|||||||||||||||
cos2A = cos2 A− sin2 A |
|
|
|
|
|
|
|
(2.181) |
|||||||||||||||
tan2A = |
|
|
2tanA |
|
|
|
|
|
|
|
|
(2.182) |
|||||||||||
|
1 − tan2 A |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
sin3A = 3sinA− 4sin3 A |
|
|
|
|
(2.183) |
||||||||||||||||||
cos3A = 4cos3 A− 3cosA |
|
|
|
|
(2.184) |
||||||||||||||||||
sinA+ sinB = 2sin |
A+ B |
|
cos |
A− B |
(2.185) |
||||||||||||||||||
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
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|
|
|
|
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|
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|
|
2 |
|
|
|
2 |
|
|||||||
sinA |
− |
sinB = 2cos |
A+ B |
sin |
A− B |
(2.186) |
|||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
2 |
|
|||||||||
cosA+ cosB = 2cos |
A+ B |
cos |
A− B |
(2.187) |
|||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
2 |
|
|||||||
cosA |
− |
cosB = |
− |
2sin |
A+ B |
sin |
A− B |
(2.188) |
|||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
2 |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
cos2 A = |
1 |
(1 + cos2A) |
|
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|
(2.189) |
|||||||||||||
2 |
|
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||||||||||||||||
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||
sin2 A = |
1 |
(1 − cos2A) |
|
|
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|
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(2.190) |
|||||||||||||
|
|
|
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|
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||||||||||||||||
2 |
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|
|
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|
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|
||||||||||||||||
cos3 A = |
1 |
(3cosA+ cos3A) |
|
|
|
|
(2.191) |
||||||||||||||||
4 |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
|
|
|
|
||
sin3 A = |
1 |
(3sinA− sin3A) |
|
|
|
|
(2.192) |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
4 |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
cos |
sin |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
−1 |
|
|
|
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
−2 |
|
|
|
|
|
tan |
|
|
|
|
6 |
− |
4 |
− |
2 |
|
0 |
2 |
4 |
6 |
|
− |
|
|
|
|
x |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
sec |
x |
|
|
|
|
|
csc |
|
|
|
2 |
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
cot |
|
|
|
|
|
|
x |
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
−2 |
|
|
|
|
|
|
−4 |
|
|
|
|
|
|
−6 |
−4 |
−2 |
0 |
2 |
4 |
6 |
|
|
|
x |
|
|
|
2.5 Trigonometric and hyperbolic formulas |
33 |
|
|
Hyperbolic relationshipsa
sinh(x± y) = sinhxcoshy ± coshxsinhy |
(2.193) |
|||||||||||||||||||
cosh(x± y) = coshxcoshy ± sinhxsinhy |
(2.194) |
|||||||||||||||||||
tanh(x |
± |
y) = |
tanhx± tanhy |
|
|
|
(2.195) |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
1 |
± |
tanhxtanhy |
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
coshxcoshy = |
|
1 |
[cosh(x+ y) + cosh(x− y)] |
(2.196) |
||||||||||||||||
|
|
|||||||||||||||||||
|
2 |
|||||||||||||||||||
sinhxcoshy = |
|
1 |
[sinh(x+ y) + sinh(x− y)] |
(2.197) |
||||||||||||||||
|
|
|||||||||||||||||||
|
2 |
|||||||||||||||||||
sinhxsinhy = |
|
1 |
[cosh(x+ y) − cosh(x− y)] |
(2.198) |
||||||||||||||||
|
|
|||||||||||||||||||
|
2 |
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
cosh2 x− sinh2 x = 1 |
|
|
(2.199) |
|||||||||||||||||
sech2 x+ tanh2 x = 1 |
|
|
(2.200) |
|||||||||||||||||
coth2 x− csch2 x = 1 |
|
|
(2.201) |
|||||||||||||||||
sinh2x = 2sinhxcoshx |
|
|
(2.202) |
|||||||||||||||||
cosh2x = cosh2 x+ sinh2 x |
|
|
(2.203) |
|||||||||||||||||
tanh2x = |
|
|
2tanhx |
|
|
|
(2.204) |
|||||||||||||
|
1 + tanh2 x |
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
sinh3x = 3sinhx+ 4sinh3 x |
|
|
(2.205) |
|||||||||||||||||
cosh3x = 4cosh3 x− 3coshx |
|
|
(2.206) |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
sinhx+ sinhy = 2sinh |
x+ y |
|
cosh |
x− y |
(2.207) |
|||||||||||||||
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
2 |
|
||||
sinhx |
− |
sinhy = 2cosh |
x+ y |
sinh |
x− y |
(2.208) |
||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
2 |
|
||||||
coshx+ coshy = 2cosh |
x+ y |
cosh |
x− y |
(2.209) |
||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
2 |
|
||||
coshx |
− |
coshy = 2sinh |
x+ y |
sinh |
x− y |
(2.210) |
||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
2 |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
cosh2 x = |
1 |
(cosh2x+ 1) |
|
|
(2.211) |
|||||||||||||||
|
|
|
||||||||||||||||||
2 |
|
|
||||||||||||||||||
sinh2 x = |
1 |
(cosh2x− 1) |
|
|
(2.212) |
|||||||||||||||
|
|
|
||||||||||||||||||
2 |
|
|
||||||||||||||||||
cosh3 x = |
1 |
(3coshx+ cosh3x) |
|
|
(2.213) |
|||||||||||||||
|
|
|
||||||||||||||||||
4 |
|
|
||||||||||||||||||
sinh3 x = |
1 |
(sinh3x− 3sinhx) |
|
|
(2.214) |
|||||||||||||||
|
|
|
||||||||||||||||||
4 |
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
cosh |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
tanhx |
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
tanhx |
|
|
|
|
|
|
−2 |
sinh |
x |
|
|
|
|
|
−4 |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
−3 |
−2 |
|
−1 |
0 |
1 |
2 |
3 |
|
|
|
|
x |
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
cothx |
|
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
sech |
|
|
|
|
0 |
|
csch |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
−2 |
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
−4 |
|
|
|
|
|
|
−3 |
−2 |
−1 |
0 |
1 |
2 |
3 |
|
|
|
x |
|
|
|
aThese can be derived from trigonometric relationships by using the substitutions cosx →coshx and sinx →isinhx.
34 Mathematics
Trigonometric and hyperbolic definitions
de Moivre’s theorem |
(cosx+ isinx)n = einx = cosnx+ isinnx |
(2.215) |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
cosx = |
1 |
|
eix + e−ix |
(2.216) |
coshx = |
1 |
ex + e−x |
(2.217) |
|||||
|
|
|
|
|
|
||||||||
2 |
|
2 |
|||||||||||
sinx = |
1 |
|
eix − e−ix |
(2.218) |
sinhx = |
1 |
|
ex − e−x |
(2.219) |
||||
|
|
|
|
|
|||||||||
2i |
2 |
|
|||||||||||
tanx = |
|
sinx |
|
(2.220) |
tanhx = |
|
sinhx |
|
(2.221) |
||||
|
cosx |
|
coshx |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
||||||||||
cosix = coshx |
(2.222) |
coshix = cosx |
(2.223) |
||||||||||
sinix = isinhx |
(2.224) |
sinhix = isinx |
(2.225) |
||||||||||
|
|
|
|
||||||||||
cotx = (tanx)−1 |
(2.226) |
cothx = (tanhx)−1 |
(2.227) |
||||||||||
secx = (cosx)−1 |
(2.228) |
sechx = (coshx)−1 |
(2.229) |
||||||||||
cscx = (sinx)−1 |
(2.230) |
cschx = (sinhx)−1 |
(2.231) |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Inverse trigonometric functionsa |
|
1.6 |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
arccosx |
|
|
||||||
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
arcsinx = arctan (1 − x2)1/2 |
(2.232) |
1 |
|
x |
|
arctanx |
|||||
arccosx = arctan (1 − x |
) |
|
|
(2.233) |
|
|
arcsin |
|
|
||
|
|
x2 |
|
1/2 |
|
|
|
|
|
|
|
arccscx = arctan (x2 |
|
11)1/2 |
|
(2.234) |
|
0 |
|
x |
1 |
||
|
− |
|
|
|
1.6 |
x |
x |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
arcsecx = arctan (x2 − 1)1/2 |
|
(2.235) |
|
arccot arccsc |
|
arcsecx |
|||||
1 |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
arccotx = arctan x |
|
|
|
|
(2.236) |
|
|
|
|
|
|
π |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
arccosx = 2 − arcsinx |
|
|
|
|
(2.237) |
|
|
|
|
|
aValid in the angle range 0 ≤ θ ≤ π/2. Note that arcsinx ≡ sin−1 x etc. |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
x
2.6 Mensuration |
35 |
|
|
Inverse hyperbolic functions |
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|||
arsinhx ≡ sinh−1 x = ln x+ (x2 + 1)1/2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
(2.238) |
for all x |
1 |
|
|
artanhx |
|
x |
2 |
||||||||
arcoshx ≡ cosh−1 x = ln x+ (x2 − 1)1/2 |
(2.239) |
x ≥ 1 |
0 |
|
x |
|
arcosh |
|
|||||||||
|
1 |
1 + x |
|
|
|
|
|
|
−1 |
arsinh |
|
|
|
|
|||
artanhx ≡ tanh−1 x = |
|
|
|
|
|x| < 1 |
−2 |
|
|
|
|
|
|
|||||
2 ln 1 |
− |
x |
|
|
|
(2.240) |
− |
1 |
0 |
|
1 |
|
|||||
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
|
|
|
||
|
x+ 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
arcothx ≡ coth−1 x = |
2 ln x− 1 |
|
|
|
(2.241) |
|x| > 1 |
4 |
|
|
|
|
|
|
||||
|
1 |
|
|
|
x2 |
|
1/2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
arsechx ≡ sech−1 x = ln x |
+ (1 − x |
) |
|
(2.242) |
0 < x ≤ 1 |
3 |
|
|
arcoth |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
(1 + x2)1/2 |
|
|
|
|
|
x |
|
|
|
|||||
1 |
|
|
|
|
|
|
arcsch |
|
|
|
|
||||||
arcschx ≡ csch− x = ln x + |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
x |
|
|
(2.243) |
x = 0 |
1 |
|
arsechx x |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
1 |
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
|
|
|
2.6 Mensuration
Moire´ fringesa
|
|
|
1 |
1 |
|
1 |
|
dM |
Moire´ fringe spacing |
|||||
|
|
|
|
|||||||||||
Parallel pattern |
dM = |
|
|
− |
|
− |
|
(2.244) |
d1,2 |
grating spacings |
||||
d1 |
d2 |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
d |
common grating |
||||
Rotational |
dM = |
|
|
d |
|
|
(2.245) |
|
spacing |
|||||
patternb |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
2| sin(θ/2)| |
θ |
relative rotation angle |
||||||||||||
|
|
|
|
( |
θ |
| ≤ |
π/2) |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
|
|
aFrom overlapping linear gratings.
bFrom identical gratings, spacing d, with a relative rotation θ.
36 |
Mathematics |
|
|
Plane triangles
Sine formulaa |
|
a |
b |
|
|
|
|
|
|
|
|
c |
|
|||||||||
|
|
|
= |
|
|
|
= |
|
|
|
|
|
(2.246) |
|||||||||
sinA |
sinB |
sinC |
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
a2 = b2 + c2 − 2bccosA |
(2.247) |
||||||||||||||||||||
Cosine |
2 |
|
2 |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
||||||||||
cosA = |
b |
|
+ c − a |
|
|
|
|
|
(2.248) |
|||||||||||||
formulas |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
2bc |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
a = bcosC + ccosB |
(2.249) |
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
Tangent |
tan |
A− B |
|
= |
|
a− b |
cot |
C |
|
|
(2.250) |
|||||||||||
formula |
|
|
||||||||||||||||||||
2 |
|
|
|
|
|
a+ b |
|
2 |
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
area |
= |
|
1 |
absinC |
(2.251) |
|||||||||||||||
|
|
2 |
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
= |
a2 |
|
sinB sinC |
|
(2.252) |
|||||||||||
Area |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
sinA |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
= [s(s− a)(s− b)(s− c)]1/2 |
(2.253) |
|||||||||||||||
|
where s = |
|
|
1 |
(a+ b+ c) |
(2.254) |
||||||||||||||||
|
2 |
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
aThe diameter of the circumscribed circle equals a/sinA.
Cb
a
A B
c
Spherical trianglesa
Sine formula |
|
sina |
= |
sinb |
= |
sinc |
|
(2.255) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
sinC |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
sinA |
sinB |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Cosine |
|
cosa = cosbcosc+ sinbsinccosA |
(2.256) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
formulas |
cosA = − cosB cosC + sinB sinC cosa |
(2.257) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a |
|
|
|
|
|
b |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Analogue |
sinacosB = cosbsinc− sinbcosccosA |
(2.258) |
|
|
|
|
|
|
C |
|
|
||||||||
formula |
|
|
|
|
|
B |
A |
|
|||||||||||
Four-parts |
cosacosC = sinacotb− sinC cotB |
(2.259) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
formula |
|
|
|
|
|
|
c |
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Areab |
E = A+ B + C − π |
(2.260) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
aOn a unit sphere.
bAlso called the “spherical excess.”
2.6 Mensuration |
37 |
|
|
Perimeter, area, and volume
Perimeter of circle |
|
P = 2πr |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(2.261) |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Area of circle |
|
A = πr2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(2.262) |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Surface area of spherea |
A = 4πR2 |
|
|
|
|
|
|
(2.263) |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Volume of sphere |
|
V = |
4 |
πR3 |
|
|
|
|
|
|
(2.264) |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
P = 4aE(π/2, e) |
|
(2.265) |
|||||||||||||
Perimeter of ellipse |
b |
|
|
|
|
|
a2 + b2 |
1/2 |
|
|
|||||||
|
|
2π |
|
|
|
|
|
|
|
|
(2.266) |
||||||
|
|
|
|
2 |
|
|
|
||||||||||
Area of ellipse |
|
A = πab |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(2.267) |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Volume of ellipsoidc |
|
|
|
abc |
|
|
|
|
|
|
(2.268) |
||||||
V = 4π |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Surface area of |
|
A = 2πr(h+ r) |
|
|
(2.269) |
||||||||||||
cylinder |
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
Volume of cylinder |
|
V = πr2h |
|
|
|
|
|
|
(2.270) |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Area of circular coned |
A = πrl |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(2.271) |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Volume of cone or |
|
V = Abh/3 |
|
|
|
|
|
|
(2.272) |
||||||||
pyramid |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
Surface area of torus |
A = π2(r1 + r2)(r2 − r1) |
|
(2.273) |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Volume of torus |
|
|
π2 |
2 |
|
2 |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
V = 4 (r2 − r1 )(r2 − r1) |
|
(2.274) |
||||||||||||||
|
|
|
|||||||||||||||
Aread of spherical cap, |
A = 2πRd |
|
|
|
|
|
|
(2.275) |
|||||||||
depth d |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Volume of spherical |
V = πd2 |
R |
|
d |
|
|
|
||||||||||
cap, depth d |
|
− |
|
|
|
(2.276) |
|||||||||||
|
3 |
|
|||||||||||||||
Solid angle of a circle |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
z |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Ω = 2π 1 − (z2 + r2)1/2 |
(2.277) |
||||||||||||||||
from a point on its |
|||||||||||||||||
axis, z from centre |
|
= 2π(1 − cosα) |
|
(2.278) |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Pperimeter
rradius
A area |
2 |
Rsphere radius
Vvolume
asemi-major axis
bsemi-minor axis
Eelliptic integral of the second kind (p. 45)
eeccentricity (= 1 − b2/a2)
cthird semi-axis
hheight
lslant height
Ab base area
r1 |
inner radius |
r2 |
outer radius |
dcap depth
Ωsolid angle
zdistance from centre
αhalf-angle subtended
α |
r |
|
|
z |
|
aSphere defined by x2 + y2 + z2 = R2.
b |
exact when e = 0 and e |
|
0.91, giving a maximum error of 11% at e = 1. |
||||||||||
c The approximation is |
|||||||||||||
2 |
/a |
2 |
+ y |
2 |
/b |
2 |
+ z |
2 2 |
|
|
|||
Ellipsoid defined by x |
|
|
|
/c |
= 1. |
|
dCurved surface only.
38 |
|
|
|
|
|
|
Mathematics |
Conic sections |
|
|
|
|
|
|
|
y |
|
|
|
|
y |
|
y |
|
|
|
|
b |
|
|
|
|
a |
|
x |
|
x |
|
x |
|
|
|
|
a |
|
a |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
parabola |
ellipse |
hyperbola |
||||
|
|
2 |
|
x2 |
y2 |
x2 |
y2 |
equation |
y |
|
= 4ax |
a2 + b2 = 1 |
a2 − b2 = 1 |
||
parametric |
|
x = t2/(4a) |
x = acost |
x = ±acosht |
|||
form |
|
y = t |
y = bsint |
y = bsinht |
|
|
(±√ |
|
|
|
|
|
|
(±√ |
|
|
|
|
,0) |
||||||
foci |
(a,0) |
a2 − b2 |
,0) |
a2 + b2 |
||||||||||||||||
|
|
|
√ |
|
|
|
|
|
√ |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a2 |
+ b2 |
|||||||||
eccentricity |
e = 1 |
a2 |
− |
b2 |
||||||||||||||||
e = |
|
|
|
|
|
|
e = |
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
a |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
a |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
a |
|
|
|
|
|
|
|
a |
|
|
|
||||
directrices |
x = −a |
x = ± |
|
|
|
|
|
|
x = ± |
|
|
|
|
|
||||||
e |
|
|
|
|
|
e |
|
|
|
Platonic solidsa
solid |
volume |
|
|
|
|
|
surface area |
circumradius |
inradius |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
(faces,edges,vertices) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a3√ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a√ |
|
|
|
|
|
|
|
|
a√ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6 |
6 |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
tetrahedron |
|
|
|
|
|
|
|
a2√3 |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||
(4,6,4) |
|
12 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
12 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a√ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
cube |
a3 |
|
|
|
|
|
6a2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
a |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
(6,12,8) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
a3√ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a |
|
a |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
octahedron |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2a2 |
√3 |
|
√ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
√ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
(8,12,6) |
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
(12,30,20) |
|
|
|
|
|
|
|
3a2 |
5(5 + 2√5) |
|
√3(1 + √5) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
4 |
|
|
|
|
|
4 |
4 |
|
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
dodecahedron |
|
a3(15 + 7√5) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a |
|
|
|
|
|
50 + 22√5 |
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
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|
|
|
|
|
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|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
(20,30,12) |
|
|
|
|
|
|
|
5a2 |
√3 |
|
|
2(5 + √5) |
|
|
√3 + |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
12 |
|
|
|
|
|
4 |
4 |
3 |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
√5) |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
icosahedron |
|
5a3(3 + |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
aOf side a. Both regular and irregular polyhedra follow the Euler relation, faces − edges + vertices = 2.
2.6 Mensuration |
39 |
|
|
Curve measure
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1/2 |
|
|
|
|
|
|
a |
start point |
|
|
||
Length of plane |
|
|
b |
|
|
|
dy |
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
b |
end point |
|
|
||||
curve |
l = |
|
1 + |
|
|
|
|
|
|
|
|
dx |
|
|
(2.279) |
y(x) |
plane curve |
|
2 |
|||||||
a |
dx |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
l |
length |
|
||||
Surface of |
|
|
|
b |
|
|
|
|
dy |
2 |
|
1/2 |
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
revolution |
A = 2π a |
y 1 + |
|
|
|
|
|
|
|
dx |
(2.280) |
A |
surface area |
|
|
|||||||||||
dx |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
Volume of |
|
|
b |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
V = π a |
y2 dx |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(2.281) |
V |
volume |
|
|
||||||
revolution |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
Radius of |
ρ = 1 + |
dy |
2 |
|
3/2 |
|
d2y |
|
−1 |
|
ρ |
radius of |
|
|
||||||||||||
curvature |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(2.282) |
|
curvature |
|
|
|||||||||||
dx |
|
|
|
|
dx2 |
|
|
|
|
Di erential geometrya
Unit tangent |
τˆ = |
r˙ |
= |
r˙ |
|
|
(2.283) |
|
|
|
|
|
|
||||
|r˙| |
v |
|
|
|||||
Unit principal normal |
nˆ = |
r¨ − ˙vτˆ |
|
|
(2.284) |
|||
|
|
|r¨ − ˙vτˆ | |
|
|
||||
Unit binormal |
ˆ |
|
|
|
|
|
|
(2.285) |
b = τˆ×nˆ |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
˙ |
r¨ |
|
|
|
|
|
Curvature |
κ = |
|r×3| |
|
|
|
(2.286) |
||
|
|
|r˙| |
|
|
|
|
||
Radius of curvature |
ρ = |
1 |
|
|
|
|
|
(2.287) |
κ |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
r˙ · (r¨× |
... |
|
|
|||
Torsion |
λ = |
r |
) |
|
(2.288) |
|||
|
|
|
||||||
|
|
|r˙×r¨|2 |
|
|
|
|||
|
˙ |
|
|
|
|
|
|
(2.289) |
|
τˆ = κvnˆ |
|
|
|
||||
Frenet’s formulas |
˙ |
|
|
|
|
|
ˆ |
(2.290) |
nˆ = −κvτˆ + |
λvb |
|||||||
|
˙ |
|
|
|
|
|
|
|
|
ˆ |
|
|
|
|
|
|
(2.291) |
|
b = −λvnˆ |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
τtangent
rcurve parameterised by r(t)
v|r˙(t)|
nprincipal normal
bbinormal
κcurvature
ρradius of curvature
λ |
torsion |
|
|
|
nˆ |
|
|
osculating |
|
|
plane |
normal plane |
τˆ |
|
|
|
|
|
r |
rectifying |
ˆ |
|
|
|
plane |
|
b |
|
origin
aFor a continuous curve in three dimensions, traced by the position vector r(t).
40 |
Mathematics |
|
|
2.7 Di erentiation
Derivatives (general)
Power |
d |
(un) = nun−1 |
|
|
|
du |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(2.292) |
|||||||||||||||||||||||||
dx |
|
|
|
dx |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
Product |
d |
(uv) = u |
dv |
|
+ v |
|
du |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(2.293) |
||||||||||||||||||||||||||||||
dx |
dx |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dx |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Quotient |
d |
|
u |
! |
= |
1 du |
− |
u |
|
|
|
dv |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(2.294) |
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
dx |
|
|
v |
v |
|
dx |
v2 |
dx |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Function of a |
d |
[f(u)] = |
|
d |
[f(u)] |
· |
|
du |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(2.295) |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
functiona |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
dx |
du |
|
dx |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
dn |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
dnu |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n dv dn−1u |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
[uv] = 0 v |
|
|
|
|
|
|
+ 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
+ · · · |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Leibniz theorem |
dxn |
dxn |
|
|
dx |
dxn−1 |
(2.296) |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n dkv dn−ku |
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
dnv |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
+ k |
|
|
|
|
|
|
|
|
+ · · · + n u |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
dxk |
dxn−k |
dxn |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
d |
|
|
|
q |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Di erentiation |
p |
f(x) dx |
|
= f(q) |
(p constant) |
|
|
(2.297) |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
under the integral |
dq |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
d |
|
|
|
q |
f(x) dx = −f(p) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
sign |
p |
|
(q constant) |
(2.298) |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
dp |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
d |
|
|
|
v(x) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dv |
|
|
|
|
|
du |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
General integral |
u(x) |
f(t) dt = f(v) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
− f(u) |
|
|
|
|
|
|
(2.299) |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
dx |
dx |
dx |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Logarithm |
d |
(logb |ax|) = (xlnb)−1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(2.300) |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
dx |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
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|
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|
|
|
|
|
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|
|
|
|
|
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|
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|
|
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|
|
|
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|
Exponential |
d |
(eax) = aeax |
|
|
|
|
|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
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|
|
|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
(2.301) |
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
dx |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
dx |
|
|
|
|
dy |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
= |
|
|
|
− |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(2.302) |
||||||||||||||
|
|
dy |
|
dx |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
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|
|
||||||||||||||||||
|
d2x |
|
|
|
|
|
d2y |
|
|
|
|
dy |
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
Inverse functions |
|
= |
− |
|
|
|
|
|
− |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(2.303) |
||||||||||||||||||||||||||||||
dy2 |
dx2 |
|
dx |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
d3x |
|
|
3 |
|
|
|
d2y |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
dy d3y |
|
|
dy |
|
5 |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
= |
|
|
|
|
|
|
− |
|
|
|
|
|
− |
|
|
(2.304) |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
dy3 |
dx2 |
|
|
|
|
dx |
dx3 |
|
dx |
|
|
npower index
u,v functions of x
f(u) function of u(x)
n |
binomial |
|
k |
||
coe cient |
blog base
aconstant
aThe “chain rule.”
2.7 Di erentiation |
41 |
|
|
Trigonometric derivativesa
|
d |
(sinax) = acosax |
|
|
|
|
(2.305) |
d |
(cosax) = −asinax |
|
|
|
(2.306) |
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
dx |
|
|
|
|
dx |
|
|
|
2 |
|||||||||||||||
|
d |
(tanax) = asec |
2 |
ax |
|
|
|
|
(2.307) |
d |
(cscax) = −acscax· cotax |
(2.308) |
|
||||||||||||
|
dx |
|
|
|
|
|
dx |
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
d |
(secax) = asecax· tanax |
(2.309) |
d |
(cotax) = −acsc2 ax |
|
|
|
(2.310) |
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
dx |
dx |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
d |
(arcsinax) = a(1 − a2x2)−1/2 |
(2.311) |
d |
(arccosax) = −a(1 − a2x2)−1/2 |
(2.312) |
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
dx |
dx |
|
|
|||||||||||||||||||||
|
d |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
d |
|
|
a |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
(arctanax) = a(1 + a2x2)−1 |
(2.313) |
|
(arccscax) = − |
|
|
|
(a2x2 − 1)−1/2 |
(2.314) |
|
|
|||||||||||||
|
dx |
dx |
|ax| |
|
|
||||||||||||||||||||
|
d |
(arcsecax) = |
|
|
a |
|
(a2x2 |
− 1)−1/2 |
(2.315) |
d |
(arccotax) = −a(a2x2 + 1)−1 |
(2.316) |
|
|
|||||||||||
|
dx |
| |
ax |
| |
dx |
|
|
||||||||||||||||||
aa is a constant. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Hyperbolic derivativesa |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
d |
(sinhax) = acoshax |
|
|
|
(2.317) |
d |
(coshax) = asinhax |
|
|
|
(2.318) |
|
|
|||||||||||
|
dx |
|
|
|
dx |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
d |
(tanhax) = asech2 ax |
|
|
|
(2.319) |
d |
(cschax) = −acschax· cothax |
(2.320) |
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
dx |
|
|
|
dx |
|
|
||||||||||||||||||
|
d |
(sechax) = −asechax· tanhax |
(2.321) |
d |
(cothax) = −acsch2 ax |
|
|
(2.322) |
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
dx |
dx |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
d |
(arsinhax) = a(a2x2 + 1)−1/2 |
(2.323) |
d |
(arcoshax) = a(a2x2 − 1)−1/2 |
(2.324) |
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
dx |
dx |
|
|
|||||||||||||||||||||
|
d |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
d |
|
|
a |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
(artanhax) = a(1 − a2x2)−1 |
(2.325) |
|
(arcschax) = − |
|
(1 + a2x2)−1/2 |
(2.326) |
|
|
|||||||||||||||
|
dx |
dx |
|ax| |
|
|
||||||||||||||||||||
|
d |
(arsechax) = |
− |
|
a |
(1 |
− |
a2x2)−1/2 |
d |
2 |
2 |
|
1 |
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
)− |
|
|
|
|||||||||||||||||
|
dx |
|
|ax| |
|
|
|
|
(arcothax) = a(1 − a |
x |
|
(2.328) |
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
(2.327) |
dx |
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
aa is a constant. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
42 Mathematics
Partial derivatives
Total |
|
|
|
|
|
∂f |
|
|
|
|
|
|
|
∂f |
|
|
|
∂f |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
di erential |
df = |
|
|
|
dx+ |
|
|
|
dy + |
|
|
|
|
dz |
|
|
|
|
|
(2.329) |
f |
|
f(x,y,z) |
|||||||||||||||||||
∂x |
∂y |
∂z |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∂g |
|
|
∂x |
|
|
∂y |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Reciprocity |
|
∂x |
y |
∂y |
|
g |
∂g |
|
x = −1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(2.330) |
g |
|
g(x,y) |
||||||||||||||
|
|
∂f |
|
|
|
|
∂f |
∂x |
|
|
∂f ∂y |
|
∂f ∂z |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
Chain rule |
|
|
= |
|
|
|
|
|
+ |
|
|
|
|
|
|
+ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(2.331) |
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
∂u |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∂z ∂u |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
∂x ∂u |
|
|
∂y ∂u |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∂x |
|
|
∂x |
|
∂x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
J |
|
Jacobian |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∂u |
|
|
∂v |
|
∂w |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
∂(x,y,z) |
|
|
∂y |
|
|
|
∂y |
|
∂y |
|
|
|
|
|
|
u |
|
u(x,y,z) |
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
Jacobian |
J = |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(2.332) |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
∂(u,v,w) |
|
|
∂u |
|
|
∂v |
|
∂w |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
v |
|
v(x,y,z) |
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∂z |
|
|
|
∂z |
|
∂z |
|
|
|
|
|
|
w |
|
w(x,y,z) |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∂u |
|
|
∂v |
|
∂w |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
Change of |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
)J dudvdw |
V |
|
volume in (x,y,z) |
||||
|
|
f(x,y,z) dxdydz = |
|
|
|
|
f(u,v,w |
V |
|
volume in (u,v,w) |
||||||||||||||||||||||||||||||||
variable |
V |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
V |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(2.333) |
|
mapped to by V |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
b |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Euler– |
if |
I = |
|
|
F(x,y,y |
|
) dx |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
Lagrange |
|
|
|
|
|
|
a |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∂F |
|
|
|
|
d |
|
∂F |
|
|
y |
|
dy/dx |
|||||||||||
equation |
then |
|
δI = 0 |
|
|
when |
|
|
= |
|
(2.334) |
a,b |
fixed end points |
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
∂y |
dx |
∂y |
|
|
|
Stationary pointsa
saddle point |
|
maximum |
|
|
|
minimum |
|
quartic minimum |
|||||||
Stationary point if |
∂f |
∂f |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∂x = ∂y |
= 0 |
at (x0,y0) |
(necessary condition) |
|
|
|
|
(2.335) |
|||||||
|
|
|
|
|
|||||||||||
Additional su cient conditions |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
∂2f |
|
|
∂2f ∂2f |
> |
∂2f |
|
2 |
|
|
|
|
|
||
for maximum |
< 0, |
and |
|
|
|
|
|
(2.336) |
|||||||
∂x2 |
∂x2 ∂y2 |
∂x∂y |
|
|
|
|
|
||||||||
|
∂2f |
|
|
∂2f ∂2f |
> |
∂2f |
|
2 |
|
|
|
|
|
||
for minimum |
> 0, |
and |
|
|
|
|
|
(2.337) |
|||||||
∂x2 |
∂x2 ∂y2 |
∂x∂y |
|
|
|
|
|
||||||||
|
∂2f ∂2f |
∂2f |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
for saddle point |
∂x2 ∂y2 |
< ∂x∂y |
|
|
|
|
|
|
∂2f2 |
|
∂2f2 |
(2.338) |
|||
aOf a function f(x,y) at the point (x0,y0). Note that at, for example, a quartic minimum |
= |
= 0. |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∂x |
|
∂y |
|
2.7 Di erentiation |
43 |
|
|
Di erential equations
Laplace |
2f = 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(2.339) |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Di usiona |
|
∂f |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
∂t = D |
f |
|
|
|
|
|
|
|
|
(2.340) |
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
Helmholtz |
2f + α2f = 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
(2.341) |
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Wave |
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2 |
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1 ∂2f |
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||||||||||||
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|||
f = c2 ∂t2 |
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(2.342) |
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|||||||||||||||||||||
Legendre |
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d |
(1 |
− x2) |
|
dy |
+ l(l + 1)y = 0 |
|
(2.343) |
||||||||||||||||||||
|
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|||||||||||||||||||||||
|
dx |
dx |
|
||||||||||||||||||||||||||
Associated |
|
d |
(1 |
− x2) |
|
dy |
+ l |
(l + 1) − |
m2 |
y = 0 |
(2.344) |
||||||||||||||||||
Legendre |
|
dx |
dx |
1 − x2 |
|||||||||||||||||||||||||
Bessel |
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2 d2y |
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|
dy |
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2 |
2 |
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||||||||||||
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x dx2 |
+ x dx + (x − m )y = 0 |
|
(2.345) |
||||||||||||||||||||||||||
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||||||||||||||||||||||||||||
Hermite |
|
d2y |
|
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|
dy |
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|||||||||||
|
dx2 − 2x dx + 2αy = 0 |
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(2.346) |
|||||||||||||||||||||||||
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||||||||||||||||||||||||||
Laguerre |
|
|
|
d2y |
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|
dy |
|
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|||||
x dx2 + (1 − x) dx + αy = 0 |
|
|
(2.347) |
||||||||||||||||||||||||||
|
|
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|||||||||||||||||||||||||||
Associated |
|
|
|
d2y |
|
|
|
|
|
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|
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|
|
|
dy |
|
|
|
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||||
Laguerre |
x |
|
+ (1 + k − x) |
|
|
+ αy = 0 |
|
(2.348) |
|||||||||||||||||||||
dx2 |
dx |
|
|||||||||||||||||||||||||||
Chebyshev |
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|
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|
2 |
|
d2y |
|
|
dy |
|
2 |
|
|
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||||||||||||||
(1 − x ) dx2 − x dx + n y = 0 |
|
|
(2.349) |
||||||||||||||||||||||||||
|
|
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|||||||||||||||||||||||||||
Euler (or |
|
|
2 |
d2y |
|
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|
dy |
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|||||||
Cauchy) |
x |
|
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|
+ ax |
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|
+ by = f(x) |
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(2.350) |
||||||||||||||||
|
|
dx2 |
dx |
|
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||||||||||||||||||||||||
Bernoulli |
|
dy |
+ p(x)y = q(x)ya |
|
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(2.351) |
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|
dx |
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|||||||||||||||||||||||||
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||||||
Airy |
|
d2y |
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|||||
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dx2 = xy |
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(2.352) |
||||||||||||
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ff(x,y,z)
D |
di usion |
2 |
|
coe cient |
|
α |
constant |
|
cwave speed
linteger
minteger
kinteger
ninteger
a,b constants
p,q functions of x
aAlso known as the “conduction equation.” For thermal conduction, f ≡ T and D, the thermal di usivity, ≡ κ ≡ λ/(ρcp), where T is the temperature distribution, λ the thermal conductivity, ρ the density, and cp the specific heat capacity of the material.