Бесселевы функции с любым индексом

Поможем в ✍️ написании учебной работы

Имя

Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Нажимая кнопку "Продолжить", я принимаю политику конфиденциальности

Содержание

Задание на курсовую работу ....................................................................... 2

Замечания руководителя .............................................................................. 3

1. Бесселевы функции с любым индексом ................................................... 5

2. Формулы приведения для бесселевых функций ..................................... 10

3. Бесселевы функции с полуцелым индексом ............................................. 13

4. Интегральное представление бесселевых функций с целым индексом .. 15

5. Ряды Фурье-Бесселя ................................................................................. 18

6. Асимптотическое представление бесселевых функций с целым индексом для больших значений аргумента ...................................................................... 23

Список литературы ...................................................................................... 30

Бесселевы функции с любым индексом

Уравнение Лапласа в цилиндрических координатах

Чтобы объяснить происхождение бесселевых функций, рассмотрим уравнение Лапласа в пространстве:

. (1)

Если перейти к цилиндрическим координатам по формулам:

, , ,

то уравнение (1) примет следующий вид:

. (2)

Поставим задачу: найти все такие решения уравнения, которые могут быть представлены в виде произведения трех функций, каждая из которых зависит только от одного аргумента, то есть найти все решения вида:

где , , предполагаются дважды непрерывно дифференцируемыми.

Пусть есть решение упомянутого вида. Подставляя его в (2), получим:

откуда (после деления на )

Записав это в виде:

найдем, что левая часть не зависит от , правая не зависит от , ; следовательно, общая величина этих выражений есть некоторая постоянная . Отсюда:

; ;

В последнем равенстве левая часть не зависит от , правая не зависит от ; следовательно, общая величина этих выражений есть некоторая постоянная . Отсюда:

, ;

, .

Таким образом, , , должны удовлетворять линейным дифференциальным уравнениям второго порядка:

(3)

, ,

из которых второе и третье есть простейшие линейные уравнения с постоянными коэффициентами, а первое является линейным уравнением с переменными коэффициентами нового вида.

Обратно, если , , удовлетворяют уравнениям (3), то есть решение уравнения (2). В самом деле, подставляя в левую часть (2) и деля затем на , получим:

Таким образом, общий вид всех трех решений уравнения (2), которые являются произведением трех функций, каждая из которых зависит от одного аргумента, есть , где , , – любые решения уравнений (3) при любом выборе чисел , .

Первое из уравнений (3) в случае , называется уравнением Бесселя. Полагая в этом случае , обозначая независимую переменную буквой (вместо ), а неизвестную функцию – буквой (вместо ), найдем, что уравнение Бесселя имеет вид:

. (4)

Это линейное дифференциальное уравнение второго порядка с переменными коэффициентами играет большую роль в приложениях математики. Функции, ему удовлетворяющие, называются бесселевыми, или цилиндрическими, функциями.

Интегральное представление бесселевых функций с целым индексом

Ряды Фурье-Бесселя

Рассмотрим на каком-либо интервале (конечном или бесконечном) два дифференциальных уравнения

, , (20)

где и – непрерывные функции на . Пусть и – ненулевые решения этих уравнений. Умножение на и на и последующее вычитание дают

Пусть и принадлежат и , тогда после интегрирования в пределах от до получим

. (21)

Если и – соседние нули решения , то между и сохраняет постоянный знак, пусть, например, на ( , ) (в противном случае следует заменить на ), тогда , (равенство нулю исключено, так как – ненулевое решение дифференциального уравнения второго порядка). Если на , то должна, по крайней мере, раз обращаться в нуль между и , так как иначе сохранит постоянный знак на ( , ). Пусть, например, на ( , ) (в противном случае заменяем на ), и тогда из (21) получим противоречие, ибо левая часть ≤0, а правая >0. Таким образом доказана теорема сравнения Штурма: если P(x)<Q(x) на рассматриваемом интервале I и если y и z – ненулевые решения уравнений (20), то между каждыми двумя соседними нулями y(x) находится по крайней мере один нуль z(x).

Из теоремы сравнения Штурма вытекают нижеследующие следствия. Если на , то каждое ненулевое решение уравнения может иметь на не более одного нуля (это легко видеть, если положить и взять ). Если на (где ), то для всяких двух соседних нулей и ( ) каждого ненулевого решения уравнения имеем (это легко видеть, если положить , взять и заметить, что нулями будут только числа вида , целое). Если на (где ), то для всяких двух соседних нулей каждого ненулевого решения уравнения имеем (это легко видеть, если положить и взять ). Из сказанного следует, что если на , то для всяких двух соседних нулей и ( ) каждого ненулевого решения уравнения имеем .

Изложенное показывает, что если непрерывна на и превышает некоторое положительное число вблизи +∞, то каждое ненулевое решение уравнения имеет на бесконечно много нулей. Если еще вблизи не обращается в нуль, то эти нули образуют бесконечную возрастающую последовательность , имеющую пределом +∞, а если, кроме того, , где , то .

Рассмотрим уравнение Бесселя

на интервале . Подстановка приводит к уравнению

Очевидно, и имеют одни и те же нули. Так как , где – целая функция, то не имеет нулей на при достаточно малом , и так как при , то при каждом нули на образуют бесконечную возрастающую последовательность

причем .

Если , то удовлетворит уравнению

на интервале (0, +∞). Подстановка приводит к уравнению

и, следовательно, удовлетворяет этому уравнению. Таким образом, при любых положительных и имеем

, где ,

откуда

следовательно,

, где . (22)

Пусть теперь . Разложение по степеням начинается с члена, содержащего , разложение по степеням начинается с члена, содержащего , так как коэффициент при равен нулю, что легко видеть, исходя из формулы (5). Следовательно, из (22) при получим

то есть

, (23)

откуда видно, что если и являются разными нулями функции , то

. (23`)

Этим доказано, что при система функций

на интервале является ортогональной относительно веса .

Переходя к пределу при в соотношении

и используя правило Лопиталя, получим при всяком

, (24)

следовательно, если является нулем функции , то

. (24`)

Таким образом, при каждом всякой непрерывной функции на , удовлетворяющей требованию

поставлен в соответствие ряд Фурье-Бесселя

, (25)

коэффициенты которого определяются формулами

. (25`)

Можно доказать, что система функций на , ортогональная относительно веса , замкнутая. В частности, если ряд Фурье-Бесселя (25) равномерно сходится к порождающей его непрерывной функции .

Можно показать, что если и непрерывная на и кусочно-гладкая на функция, то ряд Фурье-Бесселя этой функции сходится к ней при .

Список литературы

1. Пискунов Н. С. «Дифференциальное и интегральное исчисления», учебное пособие для втузов, М: Наука, 1985г., 560 стр.

2. Романовский П. И. «Ряды Фурье. Теория поля. Аналитические и специальные функции. Преобразование Лапласа», учебное пособие для втузов, М: Наука, 1983г., 336 стр.