람베르트 W 함수(Lambert W function)는
특수함수의 하나로, 오메가 함수(Omega function) 또는
곱 로그(Product logarithm)
[1]라고도 한다.
함수의 정의에 앞서 우선 다음과 같은
지수함수를 정의해 보자.
를 얻는데, 이를 만족하는
y를
y≡W(x)로 정의하고, 람베르트
W 함수라 한다.
[2] 즉,
W(x)eW(x)=x이다.
이 함수는 절대로
초등함수로 나타낼 수 없는데, 동일한 수로
곱과
지수가 엉켜 있는 형태이기 때문.
게다가
y=xex가
x=−1에서 극솟값 및 최솟값
−e−1을 나타내므로, 람베르트
W 함수는 기본적으로
음함수이다. 그래서 양함수로 나타내기 위해
y=−1을 기점으로
W−1(x)[3]와
W0(x)[4]로 쪼개서 나타낸다. 즉
W(x)로 이르는 것은 실제로는
1R(W−1(x))W−1(x)∪1R(W0(x))W0(x)[5] |
W0(x)=n=1∑∞n!(−n)n−1xn=x−x2+23x3−38x4+24125x5−⋯ |
한편,
xex=1, 즉
W0(1)을
오메가 상수라고 하며
Ω로 나타낸다. 위 무한급수 식에
x=1을 대입하면 얻을 수 있고, 구체적인 값은 약 0.567143이다.
일반화된 버전으로
Wn(x)가 있는데,
n이
−1,
0이 아닌 경우 무조건
복소수 값을 띤다. 심지어
n이
−1,
0인 경우에도 상술한 범위
[6]를 벗어나면 복소수가 된다.
이 함수의 미분은
x=W(x)eW(x)를 이용해서 구할 수 있으며, 음함수의 미분법을 사용하여 양변을 미분하면
1=W′(x)eW(x)+W(x)eW(x)W′(x)=W′(x)eW(x)(W(x)+1) |
로 쓸 수 있다. 그런데
x=W(x)eW(x)으로부터
eW(x)=W(x)x |
이므로
1W(x)=W′(x)eW(x)(W(x)+1)=W′(x)W(x)x(W(x)+1)=xW′(x)(W(x)+1) |
으로 쓸 수 있음에 따라
W′(x)=x(W(x)+1)W(x) |
을 얻는다. 단,
x=−e−1에서는 미분 가능하지 않으며,
x=0에서는 치환 전의 식에 따라
W′(0)=1을 얻을 수 있다.
부정적분을 구할 때는
부분적분법을 이용하면 된다.
∫W(x)dx=xW(x)−∫xW′(x)dx=xW(x)−∫W(x)eW(x)W′(x)dx=xW(x)−∫W(x)eW(x)dW(x)=xW(x)−eW(x)(W(x)−1)+C=xW(x)−W(x)x(W(x)−1)+C=x[W(x)−1+W(x)1]+C |
중간 과정에서 미분할 때 썼던 몇몇 공식을 이용했다.