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Airy FunctionとModified Bessel Functionの間には以下の関係が成り立つ:

$\displaystyle \Phi(z) = \sqrt{\frac{z}{3\pi}} \, K_{1/3} \left( \frac{2}{3} z^{3/2} \right)$ (50)

1 証明

RHS of Eq.(50) $\displaystyle = \frac{z^{1/2}}{\sqrt{3z}} \int_0^\infty e^{-\frac{2}{3} z^{3/2} \cosh(t)} \cosh\left(\frac{t}{3}\right)dt =y(z)$    
$\displaystyle \di{y(z)}{z}$ $\displaystyle = \frac{z^{-1/2}}{2\sqrt{3\pi}}\frac{1}{\pi} \int_0^\infty e^{-\f...
...nfty e^{-\frac{2}{3}z^{2/3} \cosh(t)} \cosh\left(\frac{t}{3}\right) \cosh(t) dt$    
  $\displaystyle = \frac{z^{-1/2}}{2\sqrt{3\pi}} K_{1/3}\left(\frac{2}{3}z^{3/2}\r...
...\right) \right) = -\frac{z}{\sqrt{3\pi}} K_{2/3}\left(\frac{2}{3}z^{3/2}\right)$ (51)
$\displaystyle \dii{y(z)}{z}$ $\displaystyle = -\frac{1}{\sqrt{3\pi}} K_{2/3}\left(\frac{2}{3}z^{3/2}\right) +...
...t) \right] = \frac{z^{3/2}}{\sqrt{3\pi}} K_{1/3}\left(\frac{2}{3}z^{3/2}\right)$    
  $\displaystyle = z \sqrt{\frac{z}{3\pi}} \, K_{1/3}\left(\frac{2}{3}z^{3/2}\right) = z\Phi(z)$ (52)

これで、Eq.(50)の右辺がEq.(49)の解であることは示せた。 更に、2つの境界 $ z=0,z=\infty$での両辺の値が

$\displaystyle \lim_{z\to\infty} \Phi(z)$ $\displaystyle = 0$    
$\displaystyle \lim_{z\to\infty} \sqrt{\frac{z}{3\pi}} \, K_{1/3}\left(\frac{2}{3}z^{3/2}\right)$ $\displaystyle = 0$    
$\displaystyle \lim_{z\to 0} \Phi(z)$ $\displaystyle = \frac{1}{\sqrt{\pi}} \int_0^\infty \cos\frac{\xi^3}{3}d\xi = \frac{3^{1/3}\sqrt{3}}{2\sqrt{\pi}} \int_0^\infty e^{t^3}dt$    
  $\displaystyle = \frac{3^{1/3}}{2\sqrt{3\pi}} \int_0^\infty x^{-2/3} e^{-x} dx \, ; \quad x=t^3\to dt=\frac{1}{3}\frac{dx}{x^{2/3}}$    
  $\displaystyle = \frac{3^{1/3}}{2\sqrt{3\pi}} \Gamma\left(\frac{1}{3}\right)$    
$\displaystyle \lim_{z\to 0} \sqrt{\frac{z}{3\pi}} \, K_{1/3}\left(\frac{2}{3}z^{3/2}\right)$ $\displaystyle = \lim_{z\to 0} \frac{1}{\sqrt{3\pi}} z^{1/2} \frac{\Gamma\left(\...
...2}\right)^{1/3} \int_0^\infty \frac{dt}{\left(t^2+\dfrac{4}{9}z^3\right)^{5/6}}$    

ここでは、

$\displaystyle K_\nu(z)
=
\frac{\Gamma\left(\nu+\frac{1}{2}\right) (2z)^\nu}{\sqrt{\pi}}
\int_0^\infty
\frac{\cos t}{\left(t^2+z^2\right)^{\nu+1/2}}dt
$

の関係式を使った。更に、

  $\displaystyle \frac{1}{\sqrt{3\pi}} z^{1/2} \frac{\Gamma\left(\frac{5}{6}\right...
...ft( \frac{t}{ \left[ 4z^3/9 \right]^{1/2} } \right)}{\left(4z^3/9\right)^{5/6}}$    
  $\displaystyle = \frac{\Gamma\left(\frac{5}{6}\right)}{\sqrt{3}\,\pi} \left(\fra...
...ac{1}{2}\right)\Gamma\left(\frac{1}{2}\right)}{2\Gamma\left(\frac{5}{6}\right)}$    
  $\displaystyle = \frac{2^{1/3}}{\sqrt{3}\,\pi} \left(\frac{3}{2}\right)^{1/3} \f...
...frac{1}{2}\right) = \frac{3^{1/3}}{2\sqrt{3\pi}} \Gamma\left(\frac{1}{3}\right)$    

となる。よって2つの境界での両辺の値が等しいことが分かる。 二階の微分方程式の解の一意性から、2つの境界条件を与えれば、解が一意に決まることにより、 Eq.(50)が正しいことが証明された。

著者: 茅根裕司 chinone_at_astr.tohoku.ac.jp