Python SciPy special.spherical_in用法及代碼示例

本文簡要介紹 python 語言中 scipy.special.spherical_in 的用法。

用法:

scipy.special.spherical_in(n, z, derivative=False)#

第一類修正球貝塞爾函數或其導數。

定義為[1]，

\[i_n(z) = \sqrt{\frac{\pi}{2z}} I_{n + 1/2}(z),\]

其中\(I_n\)是第一類修正貝塞爾函數。

參數 ：：

n： 整數，數組

Bessel 函數的階數 (n >= 0)。

z： 複數或浮點數，數組

貝塞爾函數的參數。

derivative： 布爾型，可選

如果為 True，則返回導數(而不是函數本身)的值。

返回 ：：

in： ndarray

注意：

該函數是使用其與第一類修正圓柱貝塞爾函數的定義關係來計算的。

使用關係 [2] 計算導數，

\[ \begin{align}\begin{aligned}i_n' = i_{n-1} - \frac{n + 1}{z} i_n.\\i_1' = i_0\end{aligned}\end{align} \]

參考：

[1]

https://dlmf.nist.gov/10.47.E7

[2]

https://dlmf.nist.gov/10.51.E5

[AS]

Milton Abramowitz 和 Irene A. Stegun 合編。帶有公式、圖表和數學表格的數學函數手冊。紐約：多佛，1972 年。

例子：

第一類\(i_n\) 的修正球麵貝塞爾函數接受實數和複數第二個參數。他們可以返回一個複雜的類型：

>>> from scipy.special import spherical_in
>>> spherical_in(0, 3+5j)
(-1.1689867793369182-1.2697305267234222j)
>>> type(spherical_in(0, 3+5j))
<class 'numpy.complex128'>

我們可以在區間 \([1, 2]\) 中驗證 \(n=3\) 的注釋導數的關係：

>>> import numpy as np
>>> x = np.arange(1.0, 2.0, 0.01)
>>> np.allclose(spherical_in(3, x, True),
...             spherical_in(2, x) - 4/x * spherical_in(3, x))
True

前幾個 \(i_n\) 帶有真實參數：

>>> import matplotlib.pyplot as plt
>>> x = np.arange(0.0, 6.0, 0.01)
>>> fig, ax = plt.subplots()
>>> ax.set_ylim(-0.5, 5.0)
>>> ax.set_title(r'Modified spherical Bessel functions $i_n$')
>>> for n in np.arange(0, 4):
...     ax.plot(x, spherical_in(n, x), label=rf'$i_{n}$')
>>> plt.legend(loc='best')
>>> plt.show()