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ランベルトのW関数かんすう

出典しゅってん: フリー百科ひゃっか事典じてん『ウィキペディア(Wikipedia)』
W(x) のグラフの W > −4 および x < 6部分ぶぶんW ≥ −1 なるうええだおもえだ W0い、W ≤ −1 なるしたがわぶんえだW−1 という。

ランベルトのW函数かんすう(ランベルトのWかんすう、えい: Lambert W function)あるいはオメガ函数かんすう (ωおめが function)、対数たいすうせきproduct logarithm; じょうせき対数たいすう)は、函数かんすう f(z) = zezぎゃく関係かんけいぶんえだとしてられる函数かんすう W総称そうしょうである。ここで、ez指数しすう函数かんすうz任意にんい複素数ふくそすうとする。すなわち、Wz = f−1(zez) = W(zez)たす。

上記じょうき方程式ほうていしきで、z' = zezきかえれば、任意にんい複素数ふくそすう z'たいする W 函数かんすう一般いっぱんには W 関係かんけい)の定義ていぎ方程式ほうていしき

る。

函数かんすう ƒたんではないから、関係かんけい W は(0のぞいて)あたいである。かりじつ数値すうちW注意ちゅうい制限せいげんするとすれば、複素ふくそ変数へんすう zじつ変数へんすう xえられ、関係かんけい定義ていぎいき区間くかん x ≥ −1/eかぎられ、またひらけ区間くかん (−1/e, 0) うえ函数かんすうになる。さらに制約せいやく条件じょうけんとして W ≥ −1追加ついかすれば一価いっか函数かんすう W0(x)定義ていぎされて、W0(0) = 0 および W0(−1/e) = −1る。それと同時どうじに、したがわえだW ≤ −1 であって、W−1(x)かれる。これは W−1(−1/e) = −1 から W−1(−0) = −∞ まで単調たんちょう減少げんしょうする。

ランベルト W 関係かんけい初等しょとう函数かんすうではあらわすことができない[1]。ランベルト W組合くみあわろんにおいて有用ゆうようで、たとえばかぞげにもちいられる。指数しすう函数かんすうふく様々さまざま方程式ほうていしきたとえばプランク分布ぶんぷボーズ–アインシュタイン分布ぶんぷフェルミ–ディラック分布ぶんぷなどの最大さいだい)をくのにもちいられ、またy'(t) = ay(t − 1) のような遅延ちえん微分びぶん方程式ほうていしき英語えいごばんかいとしてもしょうじる。生化学せいかがくにおいて、またとく酵素こうそ動力どうりょくがくにおいて、ミカエリス–メンテン動力どうりょくがく経時きょうじ動力どうりょくがく解析かいせきたいするじたかたちかいはランベルト W 函数かんすうによって記述きじゅつされる。

複素数ふくそすう平面へいめんにおけるランベルト W 函数かんすうしゅえだまけじつじく沿った分岐ぶんき切断せつだん−1/e端点たんてんつ。このでは、てん z における色相しきそうWへんかくで、輝度きどW絶対ぜったい決定けっていしている。

用語ようごについて

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ふたつのしゅえだ W0, W−1

ランベルト W-函数かんすうヨハン・ハインリヒ・ランベルトちなんでづけられた。Digital Library of Mathematical Functions ではしゅえだ W0Wp, ぶんえだ W−1Wmいている。ここでの表記ひょうき規約きやく(つまり W0, W−1)はランベルト Wかんする標準ひょうじゅんてき参考さんこう文献ぶんけんCorless et al. (1996)[2]したがった。

歴史れきし

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ランベルトははじめ「ランベルトの超越ちょうえつ方程式ほうていしき」に関連かんれんして1758ねん考察こうさつした[3]。これはレオンハルト・オイラーの1783ねんwew特別とくべつ場合ばあいろんじた論文ろんぶん[4]つながる。

ランベルト W-函数かんすうは、特殊とくしゅされた応用おうようにおいて、じゅうねん程度ていどごとに「さい発見はっけん」されてきた[よう出典しゅってん]。1993ねんには、とう電荷でんかたいする量子力学りょうしりきがくてきじゅう井戸いどがたディラックデルタ函数かんすうモデル英語えいごばん物理ぶつりがくにおける基本きほん問題もんだい)の厳密げんみつかいをランベルト W-函数かんすうあたえることが報告ほうこくされたとき、コーレスら計算けいさん代数だいすうシステムMaple開発かいはつしゃたちはライブラリを精査せいさして、この函数かんすう自然しぜんかいあまね存在そんざいすることを発見はっけんした[2][5]

微分びぶん積分せきぶんがく

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しるべ函数かんすう

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かげ函数かんすう微分びぶんほうにより、W任意にんいえだ常微分じょうびぶん方程式ほうていしき

たすことがしめせる(z = −1/e では W微分びぶんできない)。したがって、Wしるべ函数かんすう

たす。ここで恒等こうとうしき eW(z) = z/W(z)もちいるならば、

きなおすこともできる。

原始げんし函数かんすう

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函数かんすう W(x)(およびそれをふくおおくのしき)は、w = W(x), (x = wew)いた置換ちかん積分せきぶんによって

積分せきぶんできる。

したがって、(W(e) = 1 であることも考慮こうりょして)等式とうしき

られる。

漸近ぜんきん展開てんかい

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W00中心ちゅうしんとするテイラー級数きゅうすうは、ぎゃくいて英語えいごばん

ダランベールの収束しゅうそく判定はんていほうによると、収束しゅうそく半径はんけい1e である。この級数きゅうすうさだめる函数かんすうは、区間くかん (−∞, −1/e]沿って分岐ぶんき切断せつだん英語えいごばんれれば、ガウス平面へいめん全域ぜんいき定義ていぎされる正則せいそく函数かんすう延長えんちょうすることができる。この正則せいそく函数かんすうをランベルト W 函数かんすうおもさだめる。

x十分じゅうぶんおおきければ、W0漸近ぜんきんてき

展開てんかいされる。ただし、L1 = ln(x), L2 = ln(ln(x)) であり、[k
n
 
] は非負ひふだいいちしゅスターリングすうである[6]

もうひとつの、区間くかん (−∞, −1/e] うえ定義ていぎされるじつ函数かんすうえだ W−1 は、L1 = ln(−x), L2 = ln(−ln(−x))けば、xじゅうふん 0ちかいときおながた漸近ぜんきん展開てんかいつ。

xe なるとき、

という上下じょうげ評価ひょうか[7]。また もうひとつのえだ W−1評価ひょうかu > 0たいして

となる[8]

整数せいすうべき複素数ふくそすうべき展開てんかい

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W0整数せいすうじょうもまた 0 において単純たんじゅんなテイラー級数きゅうすう(あるいはローラン級数きゅうすう展開てんかいつ。たとえば

より一般いっぱんに、ラグランジュの反転はんてん公式こうしきもちいれば、rZたいして

となることがしめせる(これは一般いっぱんに、すう r のローラン級数きゅうすうになっている)。あるいはおなじことだが、このしきW0(x)/xべきかんするテイラー級数きゅうすうとして

くことができる。これは任意にんいrC|x| < e−1たいして成立せいりつする。

特殊とくしゅ

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任意にんいれい代数だいすうてきすう xたいして W(x)超越ちょうえつすうになる。実際じっさいW(x)れいならば xれいでなければならず、また W(x)れい代数だいすうてきすうならばリンデマン–ワイエルシュトラスの定理ていりにより eW(x)超越ちょうえつてきでなければならず、したがってx = W(x)eW(x) もまた超越ちょうえつてきでなければならない。

(オメガ定数ていすう)

等式とうしき

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いくつかの等式とうしき定義ていぎからただちにられる:

ここで、f(x) = x⋅exたんしゃでないから、W(f(x)) = xつねにはりたないことに注意ちゅういすべきである。x < 0 かつ x ≠ -1 なる x固定こていして、方程式ほうていしき x⋅ex = y⋅eyyかんしてふたつのかいち、その一方いっぽうはもちろん y = x である。もう一方いっぽうかいは、W0場合ばあい x < -1 に、W−1場合ばあい x ∈ (-1, 0) にある。これらをまえて、つぎしきみちびくことができる。

[9]
(これはまさしくえだえらべばn, xたいしても拡張かくちょうできる)

f(ln(x))反転はんてんすれば

る。

オイラーの反復はんぷく指数しすう函数かんすう h(x)もちいれば

る。

Wふく有用ゆうよう積分せきぶん公式こうしきがいくつか存在そんざいし、たとえば以下いかのようなものがげられる:

  1. ひと等式とうしき
    ガウス積分せきぶん極座標きょくざひょうあらわすときにあらわれる。
  2. みっしき
    は、ふたしきu = 1/x2えることによってられる。またひとしきはこのみっしきz = tan(x)2くことでもられる。

分岐ぶんき切断せつだん (−∞, 1/e]沿zのぞけば(そのような z では以下いか積分せきぶん確定かくていしない)、ランベルト W 函数かんすうしゅえだは、以下いか積分せきぶん

によって計算けいさんできる[10]。このふたつの積分せきぶんひとしいことは積分せきぶん函数かんすう対称たいしょうせいによる。

応用おうよう

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指数しすう関数かんすうふく方程式ほうていしきおおくは、W関数かんすうもちいることでくことができる。おも方針ほうしんは、未知数みちすうふくこう方程式ほうていしき左辺さへん(あるいは右辺うへん)にせ、W関数かんすうかい表現ひょうげんできる かたちにすることである。たとえば、方程式ほうていしき くには、両辺りょうへんけ、る。

ここで、両辺りょうへんのW関数かんすうをとれば、すなわとなる。

同様どうよう方法ほうほうで、xx = zかいは、

あるいは

となる。

複素数ふくそすう無限むげんかい累乗るいじょう

収束しゅうそくするとき、ランベルトのW関数かんすうもちいれば、その極限きょくげんつぎのように表現ひょうげんできる。

ただし、log(z) は複素ふくそ対数たいすう函数かんすうおもとする。

一般いっぱん

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通常つうじょうのランベルト Wxかんする

(1)

かたち(ただし、a0, c, r実定じっていすう)の「超越ちょうえつ代数だいすう方程式ほうていしき厳密げんみつかい x = r + 1/cW(cecr/a0)記述きじゅつすることができる。

ランベルト W 函数かんすう一般いっぱん[11][12][13][14]として以下いかのようなものをげることができる:

(2)
かんがえる。ここで、この多項式たこうしき r1, r2あいことなる実定じっていすうとする。この方程式ほうていしきかいひとつの引数ひきすう x函数かんすうだが、ria0 のようなこうかい函数かんすうのパラメータとしてはたらく。そのような側面そくめんれば、この一般いっぱんちょう幾何きか函数かんすうメイヤーG函数かんすう英語えいごばんつくるのとたような方式ほうしきともおもえるが、これらの函数かんすうとはことなる「クラス」にぞくする。r1 = r2 のときは、しき 2両辺りょうへん因数いんすう分解ぶんかいできて、1帰着きちゃくされるから、かい函数かんすう通常つうじょうW 函数かんすう還元かんげんされる。しき 2ディラトン支配しはいする方程式ほうていしきあらわすから、それにより不等ふとう静止せいし質量しつりょう場合ばあいたいする 1+1-次元じげん空間くうかんいち次元じげん時間じかんいち次元じげん)における R=T英語えいごばんあるいは「直列ちょくれつ」(lineal) たい重力じゅうりょく問題もんだい計量けいりょうや、いち次元じげん不等ふとう電荷でんかたいする量子力学りょうしりきがくてきじゅう井戸いどがたデルタ函数かんすうモデル英語えいごばん固有こゆうエネルギーがみちびかれる。
(3)
かんがえる。かく ri, si実定じっていすうx固有こゆうエネルギーとかくあいだ距離きょり R函数かんすうである。しき 3 は、その特別とくべつ場合ばあいとしてしき 1 および 2ふくめて、遅延ちえん微分びぶん方程式ほうていしき英語えいごばんおおきなクラスに関係かんけいする。

(1)しき表現ひょうげんされる標準ひょうじゅんてき場合ばあいにおいても、原子げんし分子ぶんし光物ひかりもの理学りがく[17] などの分野ぶんや>からリーマン仮説かせつ[18]たいするKeiper-Li基準きじゅんいたるまで、ランベルトのW函数かんすう応用おうよう分野ぶんやについての議論ぎろん十分じゅうぶんくされたとはえていない。

複素ふくそ平面へいめんじょうのグラフ

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数値すうちてき評価ひょうか

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W 函数かんすうニュートンほうもちいて近似きんじすることができて、w = W(z)(したがって z = wew)にたいする逐次ちくじ近似きんじ

としてあたえられる。また、ハレーほう英語えいごばんもちいた近似きんじ

Corless et al. (1996)W計算けいさんにおいてあたえている。

ソフトウェア実装じっそう

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W 函数かんすう実装じっそうは:

  • LambertW in Maple,
  • lambertw in GP (glambertW in PARI),
  • lambertw in MATLAB,[19]
  • lambertw in octave with the 'specfun' package,
  • lambert_w in Maxima,[20]
  • ProductLog (with a silent alias LambertW) in Mathematica,[21]
  • lambertw in Python scipy's special function package[22]
  • gsl_sf_lambert_W0 and gsl_sf_lambert_Wm1 functions in special functions section of the GNU Scientific Library - GSL.

などがある。

関連かんれん項目こうもく

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脚注きゃくちゅう

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  1. ^ Chow, Timothy Y. (1999), “What is a closed-form number?”, American Mathematical Monthly 106 (5): 440–448, doi:10.2307/2589148, MR1699262 .
  2. ^ a b Corless, R. M.; Gonnet, G. H.; Hare, D. E. G.; Jeffrey, D. J.; Knuth, D. E. (1996). “On the Lambert W function” (PostScript). Advances in Computational Mathematics 5: 329–359. doi:10.1007/BF02124750. http://www.apmaths.uwo.ca/~rcorless/frames/PAPERS/LambertW/LambertW.ps. 
  3. ^ Lambert JH, "Observationes variae in mathesin puram", Acta Helveticae physico-mathematico-anatomico-botanico-medica, Band III, 128–168, 1758 (facsimile)
  4. ^ Euler, L. "De serie Lambertina Plurimisque eius insignibus proprietatibus." Acta Acad. Scient. Petropol. 2, 29–51, 1783. Reprinted in Euler, L. Opera Omnia, Series Prima, Vol. 6: Commentationes Algebraicae. Leipzig, Germany: Teubner, pp. 350–369, 1921. (facsimile)
  5. ^ Corless, R. M.; Gonnet, G. H.; Hare, D. E. G.; Jeffrey, D. J. (1993). “Lambert's W function in Maple”. The Maple Technical Newsletter (MapleTech) 9: 12–22. CiteSeerx10.1.1.33.2556. 
  6. ^ Approximation of the Lambert W function and the hyperpower function, Hoorfar, Abdolhossein; Hassani, Mehdi.
  7. ^ http://www.emis.de/journals/JIPAM/images/107_07_JIPAM/107_07_www.pdf
  8. ^ Chatzigeorgiou, I. (2013). “Bounds on the Lambert function and their Application to the Outage Analysis of User Cooperation” (PDF). IEEE Communications Letters 17 (8): 1505–1508. doi:10.1109/LCOMM.2013.070113.130972. http://arxiv.org/pdf/1601.04895v1.pdf. 
  9. ^ Weisstein, Eric W. "Lambert W-Function". mathworld.wolfram.com (英語えいご).
  10. ^ The Lambert W Function, Ontario Research Centre, http://www.orcca.on.ca/LambertW/ 
  11. ^ Scott, T. C.; Mann, R. B.; Martinez Ii, Roberto E. (2006). “General Relativity and Quantum Mechanics: Towards a Generalization of the Lambert W Function”. AAECC (Applicable Algebra in Engineering, Communication and Computing) 17 (1): 41–47. arXiv:math-ph/0607011. doi:10.1007/s00200-006-0196-1. 
  12. ^ Scott, T. C.; Fee, G.; Grotendorst, J. (2013). “Asymptotic series of Generalized Lambert W Function”. SIGSAM (ACM Special Interest Group in Symbolic and Algebraic Manipulation) 47 (185): 75–83. doi:10.1145/2576802.2576804. http://www.sigsam.org/cca/issues/issue185.html. 
  13. ^ Scott, T. C.; Fee, G.; Grotendorst, J.; Zhang, W.Z. (2014). “Numerics of the Generalized Lambert W Function”. SIGSAM 48 (188): 42–56. doi:10.1145/2644288.2644298. http://www.sigsam.org/cca/issues/issue188.html. 
  14. ^ Maignan, Aude; Scott, T. C. (2016). “Fleshing out the Generalized Lambert W Function”. SIGSAM 50 (2): 45–60. doi:10.1145/2992274.2992275. 
  15. ^ Farrugia, P. S.; Mann, R. B.; Scott, T. C. (2007). “N-body Gravity and the Schrödinger Equation”. Class. Quantum Grav. 24 (18): 4647–4659. arXiv:gr-qc/0611144. doi:10.1088/0264-9381/24/18/006. 
  16. ^ Scott, T. C.; Aubert-Frécon, M.; Grotendorst, J. (2006). “New Approach for the Electronic Energies of the Hydrogen Molecular Ion”. Chem. Phys. 324 (2–3): 323–338. arXiv:physics/0607081. doi:10.1016/j.chemphys.2005.10.031. 
  17. ^ Scott, T. C.; Lüchow, A.; Bressanini, D.; Morgan, J. D. III (2007). “The Nodal Surfaces of Helium Atom Eigenfunctions”. Phys. Rev. A 75 (6): 060101. doi:10.1103/PhysRevA.75.060101. 
  18. ^ McPhedran, R. C.; Scott, T.C.; Maignan, Aude (2023). “The Keiper-Li Criterion for the Riemann Hypothesis and Generalized Lambert Functions”. ACM Commun. Comput. Algebra 57 (3): 85-110. doi:10.1145/3637529.3637530. 
  19. ^ lambertw - MATLAB
  20. ^ Maxima, a Computer Algebra System
  21. ^ ProductLog at WolframAlpha
  22. ^ [1]

参考さんこう文献ぶんけん

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外部がいぶリンク

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