Python SciPy special.spherical_jn用法及代碼示例

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

用法:

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

第一類球貝塞爾函數或其導數。

定義為[1]，

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

其中\(J_n\) 是第一類貝塞爾函數。

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 ：：

jn： ndarray

注意：

對於大於順序的實參，該函數使用升序遞歸 [2] 計算。對於小的實數或複數參數，使用與第一類圓柱貝塞爾函數的定義關係。

使用關係 [3] 計算導數，

\[ \begin{align}\begin{aligned}j_n'(z) = j_{n-1}(z) - \frac{n + 1}{z} j_n(z).\\j_0'(z) = -j_1(z)\end{aligned}\end{align} \]

參考：

[1]

https://dlmf.nist.gov/10.47.E3

[2]

https://dlmf.nist.gov/10.51.E1

[3]

https://dlmf.nist.gov/10.51.E2

[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 \(j_n\) 的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_jn
>>> spherical_jn(0, 3+5j)
(-9.878987731663194-8.021894345786002j)
>>> type(spherical_jn(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_jn(3, x, True),
...             spherical_jn(2, x) - 4/x * spherical_jn(3, x))
True

前幾個 \(j_n\) 帶有真實參數：

>>> import matplotlib.pyplot as plt
>>> x = np.arange(0.0, 10.0, 0.01)
>>> fig, ax = plt.subplots()
>>> ax.set_ylim(-0.5, 1.5)
>>> ax.set_title(r'Spherical Bessel functions $j_n$')
>>> for n in np.arange(0, 4):
...     ax.plot(x, spherical_jn(n, x), label=rf'$j_{n}$')
>>> plt.legend(loc='best')
>>> plt.show()