Fungsi Lambert W

Dalam matematika, Fungsi Lambert W, juga disebut fungsi omega atau logaritma produk, adalah multinilai fungsi, yaitu cabang dari hubungan terbalik fungsi f(w) = we^w, dengan w adalah salah satu bilangan kompleks dan e^w adalah fungsi eksponensial.

Grafik y = W(x) nyata x < 6 dan y > −4. Cabang atas (biru) dengan y ≥ −1 adalah grafik fungsi W₀ (principal branch), cabang bawah (magenta) dengan y ≤ −1 adalah grafik fungsi W₋₁. Nilai minimum x adalah pada {−1/e,−1}

Untuk setiap bilangan bulat k ada satu cabang, dilambangkan dengan W_k(z), yang merupakan fungsi bernilai kompleks dari satu argumen kompleks. W₀ dikenal sebagai cabang utama. Fungsi-fungsi ini memiliki properti berikut: jika z dan w adalah bilangan kompleks, maka

${\displaystyle we^{w}=z}$

memegang jika dan hanya jika

${\displaystyle w=W_{k}(z)\ \ {\text{ untuk beberapa bilangan bulat }}k.}$

Saat berhadapan dengan bilangan real saja, kedua cabang tersebut W₀ dan W₋₁ cukup: untuk bilangan real x dan y persamaan

${\displaystyle ye^{y}=x}$

bisa diselesaikan untuk y hanya jika x ≥ −1e; kita mendapatkan y = W₀(x) jika x ≥ 0 dan dua nilai y = W₀(x) dan y = W₋₁(x) jika −1e ≤ x < 0.

Relasi Lambert W tidak bisa diekspresikan dalam istilah fungsi dasar.^[1] Ini berguna dalam kombinatorik, misalnya, dalam pencacahan pohon. Ini dapat digunakan untuk menyelesaikan berbagai persamaan yang melibatkan eksponensial (misalnya maksimum dari Planck, Bose–Einstein, dan Distribusi Fermi-Dirac) dan juga terjadi dalam larutan penundaan diferensial, seperti y′(t) = a y(t − 1). Dalam biokimia, dan khususnya kinetika enzim, solusi bentuk terbuka untuk analisis kinetika waktu-kursus dari kinetika Michaelis–Menten dijelaskan dalam istilah fungsi Lambert W.

Cabang utama dari fungsi Lambert W di bidang kompleks. Perhatikan potongan cabang di sepanjang sumbu nyata negatif, berakhir pada −1e. Dalam gambar ini, rona suatu titik z ditentukan oleh argumen dari W(z), dan kecerahan dengan nilai absolut dari W(z).

Modulus dari cabang utama fungsi Lambert W, diwarnai sesuai dengan arg W(z)

Istilah

Fungsi Lambert W dinamai Johann Heinrich Lambert. Cabang utama W₀ dilambangkan dengan Wp di Perpustakaan Digital Fungsi Matematika, dan cabangnya W₋₁ dilambangkan dengan Wm di sana.

Konvensi notasi yang dipilih di sini (dengan W₀ dan W₋₁) mengikuti referensi kanonis pada fungsi Lambert W oleh Corless, Gonnet, Hare, Jeffrey dan Knuth.^[2]

Nama "logaritma produk" dapat dipahami sebagai berikut: Karena fungsi invers dari f(w) = e^w disebut logaritma, masuk akal untuk memanggil fungsi invers dari produk we^w sebagai "logaritma produk". Ini terkait dengan Konstanta Omega, yang sama dengan W₀(1).

Sejarah

Lambert pertama kali mempertimbangkan Persamaan Transendental Lambert terkait pada 1758,^[3] yang mengarah ke artikel oleh Leonhard Euler pada tahun 1783^[4] yang membahas kasus khusus we^w.

Fungsi yang dianggap Lambert adalah

${\displaystyle x=x^{m}+q.}$

Euler mengubah persamaan ini menjadi bentuk

${\displaystyle x^{a}-x^{b}=(a-b)cx^{a+b}.}$

Kedua penulis mendapatkan solusi seri untuk persamaan mereka.

Setelah Euler menyelesaikan persamaan ini, dia mempertimbangkan kasusnya a = b. Mengambil batasan dia menurunkan persamaan

${\displaystyle \ln x=cx^{a}.}$

Dia kemudian meletakkan a = 1 dan memperoleh solusi deret konvergen untuk persamaan yang dihasilkan, mengekspresikan x dalam suku-suku c .

Setelah mengambil turunan sehubungan dengan x dan beberapa manipulasi, diperoleh bentuk standar dari fungsi Lambert.

Pada tahun 1993, ketika dilaporkan bahwa fungsi Lambert W memberikan solusi yang tepat untuk kuantum-mekanik model fungsi delta sumur Dirac untuk muatan yang sama—masalah mendasar dalam fisika — Tanpa biji dan pengembang sistem aljabar komputer Maple melakukan pencarian perpustakaan dan menemukan bahwa fungsi ini ada di mana-mana.^[2][5]

Contoh lain di mana fungsi ini ditemukan adalah di kinetika Michael–Menten.

Meskipun sudah menjadi pengetahuan cerita rakyat bahwa fungsi Lambert W tidak dapat diekspresikan dalam istilah fungsi dasar (Liouvillian), bukti terbitan pertama tidak muncul hingga 2008.^[6]

Sifat dasar, cabang dan jangkauan

Plot bagian imajiner dari W [n, x + i y] untuk cabang n=-2,-1,0,1,2. Plotnya mirip dengan fungsi multinilai logaritma kompleks kecuali jarak antar sheet tidak konstan dan sambungan sheet utama berbeda

Ada banyak sekali cabang dari fungsi W, dilambangkan dengan W_k(z), untuk bilangan bulat k; W₀(z) menjadi cabang utama (atau kepala sekolah). W₀(z) didefinisikan untuk semua bilangan kompleks z sementara W_k(z) dengan k ≠ 0 didefinisikan untuk semua bukan nol z . Kita punya W₀(0) = 0 dan limz→0 W_k(z) = −∞ untuk semua k ≠ 0.

Titik cabang untuk cabang utama ada di z = −1e, dengan potongan cabang yang meluas ke −∞ sepanjang sumbu negatif nyata. Potongan cabang ini memisahkan cabang utama dari dua cabang W₋₁ dan W₁. Di semua cabang W_k dengan k ≠ 0, ada titik bercabang di z = 0 dan sebuah cabang dipotong di sepanjang sumbu nyata negatif.

Fungsi W_k(z), k ∈ Z semuanya injektif dan rentangnya terputus-putus. Rentang dari seluruh fungsi multinilai W adalah bidang kompleks. Bayangan dari sumbu nyata adalah gabungan dari sumbu nyata dan kuadratrik dari Hippias, kurva parametrik w = −t cot t + it.

Invers

Wilayah bidang kompleks yang untuknya ${\displaystyle W(n,ze^{z})=z}$. Batas yang lebih gelap dari suatu kawasan tertentu disertakan dalam kawasan berwarna lebih terang dengan warna yang sama. Titik di {-1,0} disertakan di kedua ${\displaystyle n=-1}$ wilayah (biru) dan wilayah ${\displaystyle n=0}$ (abu-abu). Garis kisi horizontal adalah kelipatan π.

Plot rentang di atas juga menggambarkan daerah dalam bidang kompleks tempat hubungan inbers sederhana '${\displaystyle W(n,ze^{z})=z}$ adalah benar. f=ze^z menyiratkan bahwa ada n seperti itu ${\displaystyle z=W(n,f)=W(n,ze^{z})}$, di mana n akan bergantung pada nilai z . Nilai bilangan bulat n akan berubah secara tiba-tiba saat ze^z berada di potongan cabang ${\displaystyle W(n,ze^{z})}$ yang berarti itu ze^z ≤ 0, kecuali untuk ${\displaystyle n=0}$ di mana tempatnya ze^z ≤ -1/e.

Menetapkan ${\displaystyle z=x+iy}$ di mana x dan y . Mengekspresikan e ^z dalam koordinat polar, terlihat bahwa:

${\displaystyle {\begin{aligned}ze^{z}&=(x+iy)e^{x}(\cos(y)+i\sin(y))\\&=e^{x}(x\cos(y)-y\sin(y))+ie^{x}(x\sin(y)+y\cos(y))\\\end{aligned}}}$

Untuk ${\displaystyle n\neq 0}$, cabang dipotong untuk ${\displaystyle W[n,ze^{z}]}$ akan menjadi sumbu nyata non-positif sehingga:

${\displaystyle x\sin(y)+y\cos(y)=0\Rightarrow x=-y/\tan(y)}$

dan

${\displaystyle (x\cos(y)-y\sin(y))e^{x}\leq 0}$

Untuk ${\displaystyle n=0}$, cabang dipotong untuk ${\displaystyle W[n,ze^{z}]}$ akan menjadi sumbu nyata dengan ${\displaystyle -\infty <z\leq -1/e}$ sehingga ketimpangan menjadi:

${\displaystyle (x\cos(y)-y\sin(y))e^{x}\leq -1/e}$

Di dalam wilayah yang dibatasi oleh hal di atas, tidak akan ada perubahan yang terputus-putus ${\displaystyle W(n,ze^{z})}$ dan wilayah tersebut akan menentukan di mana fungsi W dapat dibalik: yaitu ${\displaystyle W(n,ze^{z})=z}$.

Kalkulus

Turunan

Dengan diferensiasi implisit, seseorang dapat menunjukkan bahwa semua cabang dari W memenuhi persamaan diferensial

${\displaystyle z(1+W){\frac {dW}{dz}}=W\quad {\text{untuk }}z\neq -{\frac {1}{e}}.}$

(W bukan dapat dibedakan untuk z = −1e.) Akibatnya, kami mendapatkan rumus berikut untuk turunan dari W:

${\displaystyle {\frac {dW}{dz}}={\frac {W(z)}{z(1+W(z))}}\quad {\text{untuk }}z\not \in \left\{0,-{\frac {1}{e}}\right\}.}$

Menggunakan identitas e^W(z) = zW(z), kami mendapatkan rumus setara berikut:

${\displaystyle {\frac {dW}{dz}}={\frac {1}{z+e^{W(z)}}}\quad {\text{untuk }}z\neq -{\frac {1}{e}}.}$

Di asalnya kita punya

${\displaystyle W'_{0}(0)=1.}$

Antiturunan

Fungsi W(x), dan banyak ekspresi yang melibatkan W(x), bisa terintegrasi menggunakan substitusi w = W(x), yaitu x = we^w:

${\displaystyle {\begin{aligned}\int W(x)\,dx&=xW(x)-x+e^{W(x)}+C\\&=x\left(W(x)-1+{\frac {1}{W(x)}}\right)+C.\end{aligned}}}$

(Persamaan terakhir lebih umum dalam literatur tetapi tidak berlaku pada x = 0). Salah satu konsekuensi dari ini (menggunakan fakta bahwa W₀(e) = 1) adalah identitas

${\displaystyle \int _{0}^{e}W_{0}(x)\,dx=e-1.}$

Ekspansi asimtotik

Deret Taylor dari W₀ sekitar 0 dapat ditemukan menggunakan Teorema inversi Lagrange dan diberikan oleh

${\displaystyle W_{0}(x)=\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {(-n)^{n-1}}{n!}}x^{n}=x-x^{2}+{\tfrac {3}{2}}x^{3}-{\tfrac {8}{3}}x^{4}+{\tfrac {125}{24}}x^{5}-\cdots .}$

Radius konvergensi adalah 1e, seperti yang dapat dilihat oleh uji rasio. Fungsi yang ditentukan oleh deret ini dapat diperluas menjadi fungsi holomorfik yang ditentukan pada semua bilangan kompleks dengan potongan cabang sepanjang interval (−∞, −1e]; fungsi holomorfik ini mendefinisikan cabang utama dari fungsi Lambert W.

Untuk nilai besar dari x, W₀ asimtotik dengan

${\displaystyle {\begin{aligned}W_{0}(x)&=L_{1}-L_{2}+{\frac {L_{2}}{L_{1}}}+{\frac {L_{2}\left(-2+L_{2}\right)}{2L_{1}^{2}}}+{\frac {L_{2}\left(6-9L_{2}+2L_{2}^{2}\right)}{6L_{1}^{3}}}+{\frac {L_{2}\left(-12+36L_{2}-22L_{2}^{2}+3L_{2}^{3}\right)}{12L_{1}^{4}}}+\cdots \\[5pt]&=L_{1}-L_{2}+\sum _{l=0}^{\infty }\sum _{m=1}^{\infty }{\frac {(-1)^{l}\left[{\begin{smallmatrix}l+m\\l+1\end{smallmatrix}}\right]}{m!}}L_{1}^{-l-m}L_{2}^{m},\end{aligned}}}$

dimana L₁ = ln x, L₂ = ln ln x, dan [l + ml + 1] adalah sebuah Bilangan Stirling dari jenis pertama non-negatif.^[2] Mempertahankan hanya dua istilah pertama dari ekspansi,

${\displaystyle W_{0}(x)=\ln x-\ln \ln x+o(1).}$

Cabang real lainnya, W₋₁, didefinisikan dalam interval [−1e, 0),memiliki pendekatan dalam bentuk yang sama ketika x mendekati nol, dengan dalam kasus ini L₁ = ln(−x) dan L₂ = ln(−ln(−x)).^[2]

Itu menunjukkan^[7] yang dipegang oleh batas berikut (batas atas hanya untuk x ≥ e):

${\displaystyle \ln x-\ln \ln x+{\frac {\ln \ln x}{2\ln x}}\leq W_{0}(x)\leq \ln x-\ln \ln x+{\frac {e}{e-1}}{\frac {\ln \ln x}{\ln x}}.}$

Pada tahun 2013, itu sudah dibuktikan^[8] bahwa cabang W₋₁ bisa dibatasi sebagai berikut:

${\displaystyle -1-{\sqrt {2u}}-u<W_{-1}\left(-e^{-u-1}\right)<-1-{\sqrt {2u}}-{\tfrac {2}{3}}u\quad {\text{for }}u>0.}$

Bilangan bulat pangkat dan kompleks

Bilangan bulat pangkat dari W₀ juga mengakui ekspansi deret Taylor (atau Laurent) sederhana:

${\displaystyle W_{0}(x)^{2}=\sum _{n=2}^{\infty }{\frac {-2\left(-n\right)^{n-3}}{(n-2)!}}x^{n}=x^{2}-2x^{3}+4x^{4}-{\tfrac {25}{3}}x^{5}+18x^{6}-\cdots .}$

Secara lebih umum, untuk r ∈ ℤ, Rumus inversi Lagrange diberikan

${\displaystyle W_{0}(x)^{r}=\sum _{n=r}^{\infty }{\frac {-r\left(-n\right)^{n-r-1}}{(n-r)!}}x^{n},}$

yang, secara umum, merupakan rangkaian urutan Laurent r. Dengan kata lain, yang terakhir dapat ditulis dalam bentuk perluasan kekuatan Taylor W₀(x) / x:

${\displaystyle \left({\frac {W_{0}(x)}{x}}\right)^{r}=e^{-rW_{0}(x)}=\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {r\left(n+r\right)^{n-1}}{n!}}\left(-x\right)^{n},}$

yang berlaku untuk semua ${\displaystyle r\in \mathbb {C} }$ dan ${\displaystyle \left|x\right|<{\frac {1}{e}}}$.

Identitas

Sebuah plot W_j(x e^x) dimana biru untuk j = 0 dan merah untuk j = -1. Garis diagonal mewakili interval di mana W_j(x e^x)=x

Beberapa identitas mengikuti dari definisi tersebut:

${\displaystyle {\begin{aligned}W_{0}(xe^{x})&=x&{\text{for }}x&\geq -1,\\W_{-1}(xe^{x})&=x&{\text{for }}x&\leq -1.\end{aligned}}}$

Perhatikan itu, karena f(x) = xe^x tidak injeksi, tidak selalu begitu W(f(x)) = x, mirip dengan fungsi trigonometri terbalik. Untuk diperbaiki x < 0 dan x ≠ −1, persamaan xe^x = ye^y memiliki dua solusi di y, salah satunya tentu saja y = x. Kemudian, untuk i = 0 dan x < −1, serta untuk i = −1 dan x ∈ (−1, 0), y = W_i(xe^x) adalah solusi lainnya.

Beberapa identitas lainnya:^[9]

${\displaystyle {\begin{aligned}&W(x)\cdot e^{W(x)}=x,\quad {\text{karena itu:}}\\[5pt]&e^{W(x)}={\frac {x}{W(x)}},\qquad e^{-W(x)}={\frac {W(x)}{x}},\qquad e^{nW(x)}=\left({\frac {x}{W(x)}}\right)^{n}.\end{aligned}}}$

${\displaystyle \ln W_{0}(x)=\ln x-W_{0}(x)\quad {\text{untuk }}x>0.}$^[10]

${\displaystyle W_{0}\left(x\ln x\right)=\ln x\quad {\text{dan}}\quad e^{W_{0}\left(x\ln x\right)}=x\quad {\text{untuk }}x\geq {\frac {1}{e}}.}$

${\displaystyle W_{-1}\left(x\ln x\right)=\ln x\quad {\text{dan}}\quad e^{W_{-1}\left(x\ln x\right)}=x\quad {\text{untuk }}x\leq {\frac {1}{e}}.}$

${\displaystyle {\begin{aligned}&W(x)=\ln {\frac {x}{W(x)}}&&{\text{untuk }}x\geq -{\frac {1}{e}},\\[5pt]&W\left({\frac {nx^{n}}{W\left(x\right)^{n-1}}}\right)=nW(x)&&{\text{untuk }}n,x>0\end{aligned}}}$

(yang dapat diperpanjang ke n dan x lainnya jika cabang yang benar dipilih).

${\displaystyle W(x)+W(y)=W\left(xy\left({\frac {1}{W(x)}}+{\frac {1}{W(y)}}\right)\right)\quad {\text{untuk }}x,y>0.}$

Mengganti −ln x dalam definisi:

${\displaystyle {\begin{aligned}W_{0}\left(-{\frac {\ln x}{x}}\right)&=-\ln x&{\text{for }}0&<x\leq e,\\[5pt]W_{-1}\left(-{\frac {\ln x}{x}}\right)&=-\ln x&{\text{for }}x&>e.\end{aligned}}}$

Dengan eksponensial iterasi Euler h(x):

${\displaystyle {\begin{aligned}h(x)&=e^{-W(-\ln x)}\\&={\frac {W(-\ln x)}{-\ln x}}\quad {\text{untuk }}x\neq 1.\end{aligned}}}$

Nilai khusus

Untuk sembarang bilangan aljabar bukan nol x, W(x) adalah bilangan transendental. Memang, jika W(x) adalah nol, maka x harus nol juga, dan jika W(x) bukan nol dan aljabar, lalu menurut teorema Lindemann–Weierstrass, e^W(x) harus transendental, menyiratkan itu x = W(x)e^W(x) juga harus transendental.

Berikut ini adalah nilai khusus dari cabang utama:

${\displaystyle W\left(-{\frac {\pi }{2}}\right)={\frac {i\pi }{2}}.}$

${\displaystyle W\left(-{\frac {1}{e}}\right)=-1.}$

${\displaystyle W\left(-{\frac {\ln a}{a}}\right)=-\ln a\quad \left({\frac {1}{e}}\leq a\leq e\right).}$

${\displaystyle W\left(2\ln 2\right)=\ln 2.}$

${\displaystyle W(0)=0.}$

${\displaystyle W(1)=\Omega =\left(\int _{-\infty }^{\infty }{\frac {dt}{\left(e^{t}-t\right)^{2}+\pi ^{2}}}\right)^{-1}-1\approx 0.56714329\ldots }$ (konstanta Omega).

${\displaystyle W(1)=e^{-W(1)}=\ln \left({\frac {1}{W(1)}}\right)=-\ln W(1).}$

${\displaystyle W(e)=1.}$

${\displaystyle W\left(e^{1+e}\right)=e.}$

${\displaystyle W(-1)\approx -0.31813+1.33723i.}$

Representasi

Cabang utama dari fungsi Lambert dapat diwakili oleh integral yang tepat, karena Poisson:^[11]

${\displaystyle -{\frac {\pi }{2}}W(-x)=\int _{0}^{\pi }{\frac {\sin \left({\tfrac {3}{2}}t\right)-xe^{\cos t}\sin \left({\tfrac {5}{2}}t-\sin t\right)}{1-2xe^{\cos t}\cos(t-\sin t)+x^{2}e^{2\cos t}}}\sin \left({\tfrac {1}{2}}t\right)\,dt\quad {\text{untuk }}|x|<{\frac {1}{e}}.}$

Di domain yang lebih luas −1e ≤ x ≤ e, representasi yang jauh lebih sederhana ditemukan oleh Mező:^[12]

${\displaystyle W(x)={\frac {1}{\pi }}\operatorname {Re} \int _{0}^{\pi }\ln \left({\frac {e^{e^{it}}-xe^{-it}}{e^{e^{it}}-xe^{it}}}\right)\,dt.}$

Representasi pecahan berlanjut berikut juga berlaku untuk cabang utama:^[13]

${\displaystyle W(x)={\cfrac {x}{1+{\cfrac {x}{1+{\cfrac {x}{2+{\cfrac {5x}{3+{\cfrac {17x}{10+{\cfrac {133x}{17+{\cfrac {1927x}{190+{\cfrac {13582711x}{94423+\ddots }}}}}}}}}}}}}}}}.}$

Juga, jika ${\displaystyle \left|W(z)\right|<1}$:^[14]

${\displaystyle W(x)={\cfrac {x}{\exp {\cfrac {x}{\exp {\cfrac {x}{\ddots }}}}}}.}$

Gantinya, jika ${\displaystyle \left|W(z)\right|>e}$, maka

${\displaystyle W(x)=\ln {\cfrac {x}{\ln {\cfrac {x}{\ln {\cfrac {x}{\ddots }}}}}}.}$

Plot

• Plot fungsi Lambert W pada bidang kompleks
• 
  ${\displaystyle z=\operatorname {Re} (W_{0}(x+iy))}$
• 
  ${\displaystyle z=\operatorname {Im} (W_{0}(x+iy))}$
• 
  ${\displaystyle z=\left|W_{0}(x+iy)\right|}$
• 
  Superimposisi dari tiga plot sebelumnya

Lihat pula

• Fungsi Wright Omega
• Persamaan trinomial Lambert
• Teorema inversi Lagrange
• Matematika eksperimental
• Metode Holstein–Herring
• R = T model
• Ross' π lemma