- •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
44 |
Mathematics |
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2.8 Integration
Standard formsa
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u dv = [uv] − |
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v du |
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(2.353) |
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xn dx = |
xn+1 |
|
(n = −1) |
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(2.355) |
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n+ 1 |
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eax dx = |
1 |
eax |
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(2.357) |
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a |
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lnax dx = x(lnax− 1) |
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(2.359) |
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|
xlnax dx = |
x2 |
lnax− |
1 |
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(2.361) |
|||||||||||||||||||
2 |
2 |
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||||||||||||||||||||||||
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1 |
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1 |
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||||
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dx = |
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|
ln(a+ bx) |
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(2.363) |
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|
a+ bx |
b |
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||||||||||||||||||||
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1 |
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dx = |
|
|
−1 |
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(2.365) |
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(a+ bx)2 |
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||||||||||||||||||
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b(a+ bx) |
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||||||||||
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1 |
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xn |
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||||
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1 |
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|||||
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x(xn + a) |
dx = |
an |
ln |
|
xn |
+ a |
|
(2.367) |
||||||||||||||||
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|
x |
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1 |
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|||||
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dx = |
|
ln|x2 ± a2| |
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(2.369) |
||||||||||||||||||
|
x2 ± a2 |
2 |
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|||||||||||||||||||||
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1 |
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x |
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|||
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dx = arcsin |
|
|
! |
(2.371) |
|||||||||||||||||||
|
(a2 − x2)1/2 |
|
a |
|||||||||||||||||||||||
|
|
x |
|
|
|
|
|
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|
dx = (x2 ± a2)1/2 |
(2.373) |
|||||||||||||||
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
(x2 ± a2)1/2 |
uv dx = v u dx− u dx dx dx |
(2.354) |
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dv |
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1 |
dx = ln|x| |
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(2.356) |
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||||||||||
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x |
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||||||||||
|
xeax dx = eax |
x |
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1 |
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|||||||||||||||||
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|
− |
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(2.358) |
||||||||||||||||||
a |
a2 |
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|||||||||||||||||||||||
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f((x)) dx = lnf(x) |
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(2.360) |
||||||||||||||||
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|
f |
x |
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ax |
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bax dx = |
|
|
b |
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|
(b > 0) |
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(2.362) |
||||||||||||||||||||
alnb |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
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1 |
|
|
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|
1 |
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a+ bx |
|
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||||||||||||||
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dx |
= − |
|
|
|
ln |
|
|
|
|
|
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|
(2.364) |
|||||||||||||||
|
x(a+ bx) |
a |
|
x |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
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1 |
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|
1 |
|
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|
bx |
|
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||||||||||
|
|
|
dx |
= |
|
|
arctan |
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(2.366) |
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|
a2 + b2x2 |
ab |
a |
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
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|
− |
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|
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|
x− a |
|
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||||
|
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1 |
|
dx = |
|
1 |
ln |
|
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(2.368) |
|||||||||||||||
|
x2 |
|
a2 |
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|
2a |
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|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
x+ a |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
x |
|
|
|
dx = |
|
|
|
|
|
|
−1 |
|
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|
(2.370) |
||||||||||||||
|
(x2 ± a2)n |
2(n− |
|
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|
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|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
1)(x2 ± a2)n−1 |
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
1 |
dx = ln|x+ (x2 ± a2)1/2| |
(2.372) |
||||||||||||||||||||||||||||
|
(x2 |
a2)1/2 |
|||||||||||||||||||||||||||||||
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± |
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! |
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− |
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1 |
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|
x |
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||||
|
|
1 |
dx = |
|
arcsec |
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(2.374) |
|||||||||||||||||||||||
|
x(x2 |
a2)1/2 |
a |
a |
|
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|
aa and b are non-zero constants.
2.8 Integration |
45 |
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Trigonometric and hyperbolic integrals
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||||||
|
sinx dx = − cosx |
|
|
|
|
(2.375) |
|
|
|
|
|
|
|
sinhx dx = coshx |
|
|
|
|
|
(2.376) |
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|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
|
|
|
2 |
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|
|
cosx dx = sinx |
|
|
|
|
(2.377) |
|
|
|
|
|
|
|
coshx dx = sinhx |
|
|
|
|
|
(2.378) |
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
tanx dx = − ln| cosx| |
|
|
(2.379) |
|
|
|
|
|
tanhx dx = ln(coshx) |
|
|
(2.380) |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
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|
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|
|
|
|
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|
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
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|
|
|
|
|
|
|
tanh |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
cscx dx = ln |
tan |
2 |
|
|
|
(2.381) |
|
|
|
|
|
|
cschx dx = ln |
2 |
x |
|
(2.382) |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
(2.383) |
|
|
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|
|
|
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|
|
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|
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|
|
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(2.384) |
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||||||||||||
|
secx dx = ln| secx+ tanx| |
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|
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|
sechx dx = 2arctan(e |
) |
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|
|
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||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
cotx dx = ln| sinx| |
|
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|
(2.385) |
|
|
|
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|
cothx dx = ln| sinhx| |
|
|
|
(2.386) |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
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|
sinmx· sinnx dx = |
sin(m n)x |
|
|
|
sin(m+ n)x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
2(m −n) |
|
|
|
|
− |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(m2 =n2) |
|
|
(2.387) |
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
2(m+ n) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
sinmx· cosnx dx = − |
− |
|
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|
|
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|
|
|
|
|
|
cos(m+ n)x |
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|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
cos(m n)x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
2(m −n) |
|
|
|
|
− |
|
|
|
|
|
|
|
|
(m2 =n2) |
(2.388) |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
2(m+ n) |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
cosmx· cosnx dx = |
|
|
|
− |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
|
|
|
|
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|
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|
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|
|
|
|
|
|||||||
|
|
sin(m n)x |
|
|
|
|
|
sin(m+ n)x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
2(m −n) |
|
|
|
+ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(m2 =n2) |
|
|
(2.389) |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2(m+ n) |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
− |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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||
Named integrals |
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|
|||
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|
|
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|
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|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Error function |
|
|
|
erf(x) = |
|
|
|
0 |
|
|
|
exp(−t2) dt |
|
|
|
|
|
|
|
|
(2.390) |
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
π1/2 |
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
function |
|
|
|
erfc(x) = 1 − erf(x) = π1/2 |
x∞ exp(−t2) dt |
|
(2.391) |
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Complementary error |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
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2 |
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||||
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|||||||
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x |
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πt2 |
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x |
πt2 |
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|||||||||
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|
C(x) = 0 |
cos |
|
|
|
|
|
dt; |
S(x) = 0 |
sin |
|
|
dt |
|
(2.392) |
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||||||||||||||||||||||||||
|
Fresnel integralsa |
|
|
2 |
|
|
2 |
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|||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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1 |
+ i |
π1/2 |
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|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
C(x) + i S(x) = |
|
|
|
erf |
|
|
|
|
|
(1 − i)x |
|
|
|
|
|
(2.393) |
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
|
et |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Exponential integral |
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Ei(x) = −∞ |
|
dt (x > 0) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(2.394) |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
Gamma function |
|
|
Γ(x) = 0 |
∞ tx−1e−t dt |
(x > 0) |
|
|
|
|
|
|
(2.395) |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
F(φ,k) = 0 |
φ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
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|||||||||
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|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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 |
∞ e−ax |
|
|
dx = |
|
2 a ! |
|
|
|
|
(a > 0) |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
1 |
|
π |
|
|
1/2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|||||
0 |
∞ xe−ax |
|
|
|
|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|||||||||||
|
dx = 2a (a > 0) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
∞ xne−ax dx = an+1 |
|
(a > 0; n = 0,1,2,...) |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n! |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
−∞ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a |
! |
|
|
|
|
exp a |
(a > 0) |
||||||||
|
∞ exp(2bx− ax2) 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 = sinaπ |
|
|
(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−1e−t 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) e−zzz−(1/2)(2π)1/2 |
1 + |
|
+ |
|
|
(2.411) |
|||||
Stirling’s formulas |
12z |
|
288z2 |
|||||||||
(for |z|,n 1) |
n! nn+(1/2) e−n(2π)1/2 |
|
|
|
|
|
|
(2.412) |
||||
|
ln(n!) nlnn− n |
|
|
|
|
|
|
|
(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) − J−ν (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) = 2−l 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 |
Pl−m(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)eimφ |
|
|
|
|
l |
Legendre |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
− |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
P m |
associated |
|
|
||||
Definition |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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 |
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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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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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
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 |
|
|
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|
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|||||
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Y00 |
(θ,φ) = |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Y10 |
(θ,φ) = |
|
cosθ |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
4π |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4π |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
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(x− x0) dx = f(x0) |
(2.449) |
δ(x) |
Dirac delta function |
|||||||
a |
||||||||||||
function |
δ(x− x0)f(x) = δ(x− x0)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) |
|
|
|
|
|
nπ−1/2e−n 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 |
u− v |
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(x− u) 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) |
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
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|
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|
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|
|
|
|
|
|
|
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 (u− x)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(x− a) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dn |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dxn f(x) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
δ(x) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
δ(x− a) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
e−a|x| |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
xe−a|x| |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
e−x2/a2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
sinax |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
cosax |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
∞ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
δ(x− ma) |
|
||
|
|
|
|
|
|
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√ |
|
e−π2a2s2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
(2.507) |
|||||||||||
π |
|
!− δ |
s+ 2π ! |
|||||||||||||||||||
|
2i δ |
s− 2π |
|
(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).