Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
General Physics part 1 / PhysPraktikum / Woan G. The Cambridge Handbook of Physics Formulas (CUP, 2000)(ISBN 0521573491)(230s)_PRef_.pdf
Скачиваний:
26
Добавлен:
27.03.2015
Размер:
1.65 Mб
Скачать

44

Mathematics

 

 

2.8 Integration

Standard formsa

 

u dv = [uv] −

 

v du

 

 

 

 

 

 

 

(2.353)

 

xn dx =

xn+1

 

(n = −1)

 

 

 

(2.355)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n+ 1

 

 

 

 

eax dx =

1

eax

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.357)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lnax dx = x(lnax− 1)

 

 

 

 

 

(2.359)

 

xlnax dx =

x2

lnax

1

 

 

(2.361)

2

2

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx =

 

 

ln(a+ bx)

 

 

 

 

(2.363)

 

a+ bx

b

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

dx =

 

 

−1

 

 

 

 

 

(2.365)

 

(a+ bx)2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b(a+ bx)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

xn

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x(xn + a)

dx =

an

ln

 

xn

+ a

 

(2.367)

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx =

 

ln|x2 ± a2|

 

 

 

(2.369)

 

x2 ± a2

2

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

dx = arcsin

 

 

!

(2.371)

 

(a2 x2)1/2

 

a

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

dx = (x2 ± a2)1/2

(2.373)

 

 

 

 

(x2 ± a2)1/2

uv dx = v u dxu dx dx dx

(2.354)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dv

 

 

1

dx = ln|x|

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.356)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xeax dx = eax

x

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.358)

a

a2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f((x)) dx = lnf(x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.360)

 

 

f

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ax

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

bax dx =

 

 

b

 

 

 

 

 

(b > 0)

 

 

 

(2.362)

alnb

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

a+ bx

 

 

 

 

 

 

 

dx

= −

 

 

 

ln

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.364)

 

x(a+ bx)

a

 

x

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

bx

 

 

 

 

 

 

 

dx

=

 

 

arctan

 

 

 

(2.366)

 

a2 + b2x2

ab

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xa

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

dx =

 

1

ln

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.368)

 

x2

 

a2

 

 

 

 

 

2a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x+ a

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

dx =

 

 

 

 

 

 

−1

 

 

 

(2.370)

 

(x2 ± a2)n

2(n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1)(x2 ± a2)n−1

 

 

 

 

1

dx = ln|x+ (x2 ± a2)1/2|

(2.372)

 

(x2

a2)1/2

 

 

 

 

±

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

1

dx =

 

arcsec

 

 

 

 

(2.374)

 

x(x2

a2)1/2

a

a

 

 

 

aa and b are non-zero constants.

2.8 Integration

45

 

 

Trigonometric and hyperbolic integrals

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sinx dx = − cosx

 

 

 

 

(2.375)

 

 

 

 

 

 

 

sinhx dx = coshx

 

 

 

 

 

(2.376)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

cosx dx = sinx

 

 

 

 

(2.377)

 

 

 

 

 

 

 

coshx dx = sinhx

 

 

 

 

 

(2.378)

 

 

 

tanx dx = − ln| cosx|

 

 

(2.379)

 

 

 

 

 

tanhx dx = ln(coshx)

 

 

(2.380)

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

tanh

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cscx dx = ln

tan

2

 

 

 

(2.381)

 

 

 

 

 

 

cschx dx = ln

2

x

 

(2.382)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.383)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.384)

 

 

 

 

secx dx = ln| secx+ tanx|

 

 

 

 

 

sechx dx = 2arctan(e

)

 

 

 

 

 

cotx dx = ln| sinx|

 

 

 

(2.385)

 

 

 

 

 

cothx dx = ln| sinhx|

 

 

 

(2.386)

 

 

 

 

 

sinmx· sinnx dx =

sin(m n)x

 

 

 

sin(m+ n)x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2(m n)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(m2 =n2)

 

 

(2.387)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2(m+ n)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sinmx· cosnx dx = −

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos(m+ n)x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos(m n)x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2(m n)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(m2 =n2)

(2.388)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2(m+ n)

 

 

 

 

 

 

 

cosmx· cosnx dx =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin(m n)x

 

 

 

 

 

sin(m+ n)x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2(m n)

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(m2 =n2)

 

 

(2.389)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2(m+ n)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Named integrals

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Error function

 

 

 

erf(x) =

 

 

 

0

 

 

 

exp(−t2) dt

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.390)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π1/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

function

 

 

 

erfc(x) = 1 − erf(x) = π1/2

xexp(−t2) dt

 

(2.391)

 

 

 

Complementary error

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

πt2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

πt2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C(x) = 0

cos

 

 

 

 

 

dt;

S(x) = 0

sin

 

 

dt

 

(2.392)

 

 

 

Fresnel integralsa

 

 

2

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

+ i

π1/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C(x) + i S(x) =

 

 

 

erf

 

 

 

 

 

(1 − i)x

 

 

 

 

 

(2.393)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

et

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Exponential integral

 

Ei(x) = −∞

 

dt (x > 0)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.394)

 

 

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Gamma function

 

 

Γ(x) = 0

tx−1et dt

(x > 0)

 

 

 

 

 

 

(2.395)

 

 

 

 

 

 

 

 

F(φ,k) = 0

φ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dθ

(first kind)

 

(2.396)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Elliptic integrals

 

 

 

 

 

 

(1 − k2 sin2 θ)1/2

 

 

 

 

(trigonometric form)

E(φ,k) = 0

φ

(1 − k2 sin2 θ)1/2 dθ

(second kind)

(2.397)

 

 

aSee also page 167.

46

Mathematics

 

 

Definite integrals

0

eax

 

 

dx =

 

2 a !

 

 

 

 

(a > 0)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

1

 

π

 

 

1/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

xeax

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx = 2a (a > 0)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

xneax dx = an+1

 

(a > 0; n = 0,1,2,...)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

!

 

 

 

 

exp a

(a > 0)

 

exp(2bxax2) dx =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

1/2

 

 

 

b2

 

 

0

 

n

e

ax2

 

 

 

 

 

 

 

1

3

5

...

(n

 

1)(2a)−(n+1)/2(π/2)1/2

 

x

 

 

 

dx = "2

· 4

· 6

· ...

· (n

1)(2a)−(n+1)/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

·

 

·

 

·

 

 

·

 

 

 

 

 

 

 

 

0

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p!q!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xp(1 − x)q dx =

 

 

 

 

 

 

 

 

(p,q integers > 0)

 

 

 

 

 

(p+ q + 1)!

0

cos(ax2) dx = 0

sin(ax2) dx = 2

 

2a!

(a > 0)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

π

 

1/2

0

 

sinx

dx =

0

sin2 x

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx =

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

x2

2

 

 

 

 

 

0

(1 +1x)xa dx = sin

 

 

(0 < a < 1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.398)

(2.399)

(2.400)

(2.401)

n > 0 and even

(2.402)

n > 1 and odd

(2.403)

(2.404)

(2.405)

(2.406)

2.9Special functions and polynomials

Gamma function

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Definition

Γ(z) = 0

tz−1et dt

[ (z) > 0]

 

 

 

 

(2.407)

 

n! = Γ(n+ 1) = nΓ(n)

(n = 0,1,2,...)

 

(2.408)

Relations

Γ(1/2) = π1/2

 

 

 

 

 

 

 

(2.409)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

z

 

Γ(z + 1)

 

 

 

 

 

w =

!

=

 

 

 

 

 

 

(2.410)

 

w!(z w)!

Γ(w + 1)Γ(z

w + 1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

1

− · · ·

 

 

Γ(z) ezzz−(1/2)(2π)1/2

1 +

 

+

 

 

(2.411)

Stirling’s formulas

12z

 

288z2

(for |z|,n 1)

n! nn+(1/2) en(2π)1/2

 

 

 

 

 

 

(2.412)

 

ln(n!) nlnnn

 

 

 

 

 

 

 

(2.413)

2.9 Special functions and polynomials

47

 

 

Bessel functions

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Jν (x) =

 

x

!

ν

 

 

(−x2/4)k

(2.414)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Series

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

k=0 k!Γ(ν + k + 1)

 

expansion

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Yν (x) =

Jν (x)cos(πν) − Jν (x)

 

(2.415)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin(πν)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Approximations

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

"

 

 

1

 

 

 

x

 

 

ν

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(0

x ν)

 

Jν (x)

 

Γ(ν+1)

2

 

 

 

 

1 νπ

 

 

 

π

 

(2.416)

 

 

 

2

 

1/2 cos x

 

 

 

 

 

 

(x

 

ν)

 

 

 

−Γ(ν)

 

 

x

 

 

ν

2

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(0 < x ν)

 

 

 

"

 

πx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Yν (x)

 

 

π

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.417)

 

2

 

1/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin x

 

1 νπ

 

 

 

π

 

 

(x

 

 

ν)

 

 

 

 

πx

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Modified Bessel

 

 

 

Iν (x) = (−i)ν Jν (ix)

 

 

 

 

 

(2.418)

functions

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Kν (x) =

π

 

ν+1

[Jν

(ix) + iYν (ix)]

(2.419)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Spherical Bessel

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

!

1/2

 

 

 

 

 

 

 

 

function

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

jν (x) =

 

 

 

Jν+ 21 (x)

 

 

(2.420)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2x

 

 

 

Jν (x)

Bessel function of the first

 

 

kind

 

Yν (x)

Bessel function of the

2

 

second kind

 

 

Γ(ν)

Gamma function

 

ν

order (ν ≥ 0)

 

1 J0

0.5 J1

0

−0.5

Y0

Y1

−1

0 2 4 x 6 8 10

Iν (x) modified Bessel function of the first kind

Kν (x) modified Bessel function of the second kind

jν (x) spherical Bessel function of the first kind [similarly for yν (x)]

Legendre polynomialsa

Legendre

 

2

 

 

d2Pl(x)

 

 

 

dPl(x)

 

 

Pl

Legendre

equation

(1

x

)

 

dx2

 

− 2x

 

dx

 

+ l(l + 1)Pl(x) = 0

 

polynomials

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.421)

l

order (l ≥ 0)

Rodrigues’

Pl(x) =

1

 

 

dl

 

(x2 − 1)l

 

 

 

(2.422)

 

 

formula

 

2ll!

 

dxl

 

 

 

 

 

Recurrence

(l + 1)Pl+1(x) = (2l + 1)xPl(x) − lPl−1(x)

(2.423)

 

 

relation

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Orthogonality

−1 Pl(x)Pl (x) dx =

 

δll

 

(2.424)

δll

Kronecker delta

2l + 1

 

Explicit form

Pl

(x) = 2l m=0(−1)m ml 2l l

2m xl−2m

(2.425)

ml

binomial coe cients

 

 

 

 

 

 

 

l/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

wavenumber

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Expansion of

exp(ikz) = exp(ikrcosθ)

 

 

 

(2.426)

z

propagation axis

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z = rcosθ

plane wave

 

 

 

=

 

 

 

 

l

jl(kr)Pl(cosθ)

(2.427)

jl

spherical Bessel

 

 

 

 

 

 

(2l + 1)i

 

 

 

 

 

 

l=0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

function of the first

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

kind (order l)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P0(x) = 1

 

P2(x) = (3x2 − 1)/2

 

 

 

P4(x) = (35x4 − 30x2 + 3)/8

P1(x) = x

 

P3(x) = (5x3 − 3x)/2

 

 

P5(x) = (63x5 − 70x3 + 15x)/8

aOf the first kind.

48

Mathematics

 

 

Associated Legendre functionsa

Associated

d

(1 − x2)

dP m(x)

 

 

m2

Plm(x) = 0

P m

associated

Legendre

 

dx

 

 

dl x

+ l(l + 1) − 1

x2

l

 

Legendre

equation

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.428)

 

 

functions

From

 

m

 

 

 

 

2 m/2

dm

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Pl

(x) = (1 − x )

 

dxm Pl(x),

 

0 ≤ m l

(2.429)

Pl

 

Legendre

Legendre

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1)m (l m)! Plm(x)

 

 

 

 

 

 

 

polynomials

polynomials

Plm(x) = (

 

 

 

 

(2.430)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(l + m)!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P m

 

(x) = x(2m+ 1)P m(x)

 

 

 

 

(2.431)

 

 

 

 

 

 

m+1

 

 

 

 

 

 

m

 

 

 

 

 

 

 

 

Recurrence

m

(x) = (−1)

m

 

 

2

 

m/2

 

 

 

 

 

5!! = 5· 3· 1 etc.

relations

 

Pm

 

(2m− 1)!!(1 − x

)

 

 

 

(2.432)

!!

 

 

 

 

(l m+ 1)Plm+1(x) = (2l + 1)xPlm(x) − (l + m)Plm−1(x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.433)

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

(l + m)!

2

 

 

 

δll

 

Kronecker

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Orthogonality

−1 Plm(x)Plm(x) dx = (l m)! 2l + 1 δll

 

(2.434)

 

 

delta

P00(x) = 1

 

 

 

 

 

P10(x) = x

 

 

 

 

P11(x) = −(1 − x2)1/2

P20(x) = (3x2 − 1)/2

 

 

 

P21(x) = −3x(1 − x2)1/2

 

 

P22(x) = 3(1 − x2)

aOf the first kind. Plm(x) can be defined with a (−1)m factor in Equation (2.429) as well as Equation (2.430).

 

 

Legendre polynomials

 

 

3

 

associated Legendre functions

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

P0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

2

 

 

P

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

2

 

0.5

2

P3

 

 

 

 

 

P

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P

 

 

 

 

 

2

P 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P0

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

2

 

 

 

0.5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−1

 

 

 

 

 

P1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−1 −0.5

 

0

 

0.5

 

1

 

−1

 

0

 

 

1

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

2.9 Special functions and polynomials

49

 

 

Spherical harmonics

Di erential

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

1

 

2

 

m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m

 

 

 

Y m

spherical

 

 

equation

 

 

 

 

 

 

sinθ ∂θ sinθ ∂θ

+ sin2 θ ∂φ2

Yl

+ l(l + 1)Yl

= 0

 

 

 

l

harmonics

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.435)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2l + 1 (l m)!

 

1/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

Ylm(θ,φ) = (

 

1)m

 

Plm(cosθ)ei

 

 

 

 

l

Legendre

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P m

associated

 

 

Definition

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4π

 

(l + m)!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.436)

 

 

 

functions

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Y

complex

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2π

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

conjugate

 

 

Orthogonality

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Y m (θ,φ)Y m

(θ,φ)sinθ dθ dφ = δmm

δll

 

(2.437)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

δ

 

Kronecker

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

φ=0 θ=0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ll

delta

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

Y m(θ,φ)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f(θ,φ) =

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.438)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lm

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Laplace series

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l=0 m=−l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f

 

continuous

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

where

alm = φ=0

θ=0 Ylm (θ,φ)f(θ,φ)sinθ dθ dφ

(2.439)

 

 

 

function

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Solution to

 

 

 

 

 

if

 

 

2ψ(r,θ,φ) = 0,

then

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ψ

continuous

 

 

Laplace

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

#

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

$

 

 

 

 

 

 

 

 

function

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ylm(θ,φ) ·

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

equation

 

 

 

 

 

 

ψ(r,θ,φ) =

 

 

 

 

almrl + blmr−(l+1)

 

 

 

 

(2.440)

 

a,b

constants

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l=0 m=−l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Y00

(θ,φ) =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Y10

(θ,φ) =

 

cosθ

 

 

 

 

 

 

 

 

4π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Y1±1(θ,φ) =

3

 

 

sinθe±iφ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(θ,φ) =

5

 

3

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Y20

 

 

 

cos2 θ

 

 

 

 

 

8π

 

 

 

 

 

 

 

 

4π

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Y2±1(θ,φ) =

15

 

sinθcosθe±iφ

 

 

 

 

Y2±2

(θ,φ) =

15

 

 

sin2 θe±2iφ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8π

 

 

 

 

32π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Y30

(θ,φ) =

1

7

 

(5cos2 θ − 3)cosθ

 

 

 

Y3±1

(θ,φ) =

 

1

21

sinθ(5cos2 θ − 1)e±iφ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

4π

 

 

 

4

4π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Y3±2

(θ,φ) =

1

105

 

sin2 θcosθe±2iφ

 

 

 

 

Y3±3

(θ,φ) =

 

1

35

sin3 θe±3iφ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

2π

 

 

 

 

 

4

4π

 

 

 

 

aDefined for −l m l, using the sign convention of the Condon–Shortley phase. Other sign conventions are possible.

50 Mathematics

Delta functions

 

 

 

 

1

if i = j

 

 

 

 

 

 

 

Kronecker delta

δij = "0

if i = j

 

 

 

 

(2.441)

δij

Kronecker delta

 

δii = 3

 

 

 

 

 

 

(2.442)

i,j,k,... indices (= 1,2 or 3)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

123 = 231 = 312 = 1

 

 

 

 

 

Three-

132 = 213 = 321 = −1

 

 

(2.443)

 

 

dimensional

all other ijk = 0

 

 

 

 

 

 

 

Levi–Civita

ijk klm = δilδjm δimδjl

 

 

(2.444)

ijk

Levi–Civita symbol

symbol

 

 

 

(see also page 25)

(permutation

δij ijk = 0

 

 

 

 

 

(2.445)

 

 

tensor)a

ilm jlm = 2δij

 

 

 

 

(2.446)

 

 

 

ijk ijk = 6

 

 

 

 

 

(2.447)

 

 

 

b δ(x) dx = "1

 

if a < 0 < b

(2.448)

 

 

 

a

 

 

 

0

 

otherwise

 

 

 

Dirac delta

b

f(x)δ(xx0) dx = f(x0)

(2.449)

δ(x)

Dirac delta function

a

function

δ(xx0)f(x) = δ(xx0)f(x0)

(2.450)

f(x) smooth function of x

a,b

constants

 

δ(−x) = δ(x)

 

 

 

 

(2.451)

 

 

 

δ(ax) = a −1δ(x)

 

(a = 0)

 

(2.452)

 

 

 

δ(x)

 

| |

2

2

 

 

1)

(2.453)

 

 

 

 

−1/2en x

 

(n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

aThe general symbol ijk... is defined to be +1 for even permutations of the su ces, −1 for odd permutations, and 0 if a su x is repeated. The sequence (1,2,3,... ,n) is taken to be even. Swapping adjacent su ces an odd (or even)

number of times gives an odd (or even) permutation.

2.10 Roots of quadratic and cubic equations Quadratic equations

Equation

ax

2

+ bx+ c = 0

(a = 0)

(2.454)

x

variable

 

a,b,c

real constants

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b±

 

 

 

 

 

 

 

x1,2

=

b2 − 4ac

 

(2.455)

 

 

Solutions

 

 

 

 

2a

 

 

 

x1,x2

quadratic roots

 

 

 

−2c

 

 

 

 

 

 

=

 

 

(2.456)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b± b2 − 4ac

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Solution

x1 + x2 = −b/a

 

 

(2.457)

 

 

combinations

x1x2 = c/a

 

 

(2.458)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.10 Roots of quadratic and cubic equations

51

 

 

Cubic equations

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(a = 0)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

variable

 

Equation

 

 

 

ax

+ bx

 

+ cx+ d = 0

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.459)

 

a,b,c,d

real constants

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

3c

 

b2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.460)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

a

 

a2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Intermediate

 

 

 

 

 

1

 

 

2b3

 

 

 

 

9bc

27d

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

definitions

 

 

 

q =

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.461)

 

D

discriminant

 

 

 

 

 

27

a3

a2

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

!

3

 

 

 

 

q

!

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D =

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.462)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

If D ≥ 0, also define:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

If D < 0, also define:

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

!1/3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

3

 

 

 

u =

 

q

+ D1/2

1/3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.463)

 

 

φ = arccos

 

 

q

|p|

 

−3/2

(2.467)

 

 

 

!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v =

 

q

 

D1/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.464)

 

 

 

 

 

 

 

|p|

 

1/2

 

φ

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y1

= 2

 

 

 

 

 

cos

 

 

 

(2.468)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.465)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y1 = u+ v

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

y2,3 =

−(u+ v)

i

uv

31/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.466)

 

 

y2,3

=

2

 

|p|

 

 

1/2 cos

φ± π

(2.469)

 

 

 

2

 

±

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

1 real, 2 complex roots

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(if D = 0: 3 real roots, at least 2 equal)

 

 

 

3 distinct real roots

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Solutionsa

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xn

cubic roots

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xn = yn 3a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.470)

 

 

(n = 1,2,3)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Solution

 

 

 

x1 + x2 + x3 = −b/a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.471)

 

 

 

 

 

combinations

 

 

x1x2 + x1x3 + x2x3 = c/a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.472)

 

 

 

 

 

 

 

x1x2x3 = −d/a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.473)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ayn are solutions to the reduced equation y3 + py + q = 0.

52 Mathematics

2.11 Fourier series and transforms Fourier series

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

nπx

 

nπx

!

 

 

 

 

f(x) =

0

+ n=1

an cos

 

 

 

 

 

 

+ bn sin

 

(2.474)

 

 

 

2

L

 

L

f(x)

periodic

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

function,

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

L

 

 

 

 

nπx

 

 

 

 

 

 

 

 

period 2L

Real form

 

 

 

 

 

 

L f(x)cos

 

 

 

 

 

 

 

 

 

an =

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

(2.475)

 

 

L

 

 

L

 

 

 

 

 

 

an,bn

Fourier

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

L

 

 

 

 

nπx

 

 

 

 

 

 

 

 

coe cients

 

 

 

 

 

 

 

L f(x)sin

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

bn =

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

(2.476)

 

 

 

L

 

 

 

L

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

nπx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cn exp

i

 

 

 

 

 

 

(2.477)

 

 

Complex

f(x) = n=

 

 

 

 

 

 

 

L

 

 

 

 

 

cn

complex

form

 

 

 

 

 

 

 

−∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fourier

 

 

 

 

 

1

 

 

L

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

inπx

 

 

 

 

 

 

coe cient

 

 

cn =

 

 

L f(x)exp

dx

 

 

(2.478)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2L

 

L

 

 

 

 

 

1

 

L

 

 

 

 

 

 

 

 

a2

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L |f(x)|2 dx =

0

+

 

 

 

an2 + bn2

 

(2.479)

 

 

Parseval’s

 

2L

4

 

2 n=1

 

||

modulus

theorem

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

|cn|2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.480)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=−∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fourier transforma

 

 

 

 

 

 

Definition 1

F(s) = −∞ f(x)e−2πixs dx

(2.481)

f(x) function of x

 

 

 

 

 

F(s) Fourier transform of f(x)

 

f(x) = −∞ F(s)e2πixs ds

(2.482)

 

 

 

 

 

 

 

Definition 2

F(s) = −∞ f(x)e−ixs dx

(2.483)

 

 

1

 

 

 

 

 

f(x) =

 

 

−∞ F(s)eixs ds

(2.484)

 

 

2π

 

 

1

 

 

 

F(s) =

 

−∞ f(x)e−ixs dx

(2.485)

 

Definition 3

2π

 

 

1

 

 

 

f(x) =

 

−∞ F(s)eixs ds

(2.486)

 

 

2π

 

aAll three (and more) definitions are used, but definition 1 is probably the best.

2.11 Fourier series and transforms

53

 

 

Fourier transform theoremsa

 

 

f,g

general functions

Convolution

f(x) g(x) = −∞ f(u)g(xu) du

(2.487)

 

convolution

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

Convolution

f g = g f

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.488)

f

 

f(x) F(s)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

rules

f (g h) = (f g) h

 

 

 

 

 

 

 

(2.489)

g

 

g(x) G(s)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Convolution

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fourier transform

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

theorem

f(x)g(x) F(s) G(s)

 

 

 

 

 

 

(2.490)

 

 

relation

 

 

 

 

 

 

Autocorrela-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

correlation

 

 

 

 

f

(x) f(x) =

(u

x)f(u) du

 

(2.491)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f

 

f

 

complex

 

 

 

 

 

tion

 

 

 

 

 

−∞

 

 

 

 

 

 

 

 

conjugate of f

 

 

 

Wiener–

f (x)

f(x) |F(s)|2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Khintchine

 

 

 

 

 

 

(2.492)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

theorem

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Cross-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

correlation

f (x)

g(x) =

−∞ f (ux)g(u) du

 

(2.493)

h,j

real functions

 

 

 

Correlation

h(x) j(x) H(s)J (s)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.494)

H

H(s) h(x)

 

 

 

 

theorem

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

J

 

 

 

 

 

(x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

J(s) j

 

 

 

 

Parseval’s

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

relationb

−∞ f(x)g (x) dx = −∞ F(s)G (s) ds

(2.495)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Parseval’s

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

theoremc

−∞ |f(x)|2 dx = −∞ |F(s)|2 ds

 

(2.496)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

df(x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Derivatives

 

 

dx

2πisF(s)

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.497)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d

 

 

df(x)

 

 

dg(x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

[f(x) g(x)] =

 

 

 

 

g(x) =

 

 

f(x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

dx

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.498)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

aDefining the Fourier transform as F(s) = f(x)e−2πixs dx.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

 

 

 

 

 

 

%−∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c Also called the “power theorem.”

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Also called “Rayleigh’s theorem.”

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fourier symmetry relationships

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f(x)

 

F(s)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

definitions

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

even

 

even

 

 

 

 

 

 

 

 

 

real: f(x) = f (x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

odd

 

odd

 

 

 

 

 

 

 

 

 

imaginary: f(x) =

f (x)

 

 

 

 

 

real, even

 

real, even

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

even: f(x) = f(−x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

real, odd

 

imaginary, odd

 

 

odd: f(x) = −f(−x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

imaginary, even

 

imaginary, even

 

 

Hermitian: f(x) = f (−x)

 

 

 

 

complex, even

 

complex, even

 

 

anti-Hermitian: f(x) =

f (

x)

 

 

complex, odd

 

complex, odd

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

real, asymmetric

 

complex, Hermitian

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

imaginary, asymmetric

 

complex, anti-Hermitian

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

54

Mathematics

 

 

Fourier transform pairsa

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f(x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f(ax)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f(xa)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dxn f(x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

δ(x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

δ(xa)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ea|x|

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xea|x|

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ex2/a2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sinax

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cosax

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

δ(xma)

 

 

 

 

 

 

 

m=−∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

x < 0

 

 

 

 

 

 

f(x) = "1

x > 0

 

(“step”)

 

 

f(x) =

1

x a

(“top hat”)

 

 

 

"0

|x|

> a

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

| |

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

f(x) =

|a|

|x| ≤ a

(“triangle”)

 

 

 

 

 

 

| |

> a

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F(s) = −∞ f(x)e−2πisx dx

(2.499)

1

 

F(s/a)

 

 

 

 

(a = 0, real)

(2.500)

 

 

|a|

 

 

 

 

e−2πiasF(s)

 

 

 

(a real)

(2.501)

(2πis)nF(s)

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.502)

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.503)

e−2πias

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.504)

 

 

 

 

 

 

2a

 

 

 

 

 

(a > 0)

(2.505)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a2 + 4π2s2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8iπas

 

 

 

 

 

(a > 0)

(2.506)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(a2 + 4π2s2)2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

eπ2a2s2

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.507)

π

 

!δ

s+ 2π !

 

2i δ

s2π

 

(2.508)

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

a

 

 

2

δ

s

2π !+ δ

s+ 2π !

(2.509)

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

s

 

!

 

 

 

 

(2.510)

 

 

a

n=−∞ δ

a

 

 

 

 

1

δ(s) −

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.511)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

2πs

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin2πas

= 2asinc2as

(2.512)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

πs

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

(1 − cos2πas) = asinc2 as

(2.513)

 

 

 

 

2π2as2

aEquation (2.499) defines the Fourier transform used for these pairs. Note that sincx ≡ (sinπx)/(πx).