贝塞尔函数释疑
贝塞尔函数解读
贝塞尔方程
当n不为整数时，例如
n v ，上式的通解可表示为如下两种形式：
y AJ v (x) BJ v (x)
其中和，A、yB为分任别A意称J实为v数(；阶x)和 B阶Y第v一(类x)Bessel函数；
称为 阶第二类Bessel函数。
Jv (x) J v (x)
v v
Yv (x)
1
0
x
J n (
x)J n (
x)d
x
Jn( )Jn () Jn()Jn ( ) 2 2
而
1
0
x
J n 2 (
x)d
x
1 2
J
本征函数系
J
n
(
(n) m R
)r
(m 1, 2,) 的正交性。
R
0
r
J
n
(
(n m
R
)
r
)
J
n
(
(n) k
R
r
)d
r
0 R
,
2
2
J
2 n1
(
m
(
n
)
)
R2 2
J
2 n1
(
m
(
n)
)
,
mk mk.
J
n
(
(n m
R
)
r
)
m1 在【0，R】上，带权重r正交。
贝塞尔函数的正交性
若λ和μ是两个不同的常数 , 可以证明
1.先求的
数值解，再用（1）式求
(v k 1)
2.非整数阶Bessel函数也可以通过递推关系得出。
Jv (x)
当n为正整数或零时， 表达式为
如何通俗的解释贝塞尔函数
如何通俗的解释贝塞尔函数
贝塞尔函数是一种特殊的函数，它们在数学和物理学中非常有用。
它们用于描述周期性和振荡现象，例如声波和电磁波。
贝塞尔函数被命名为德国数学家弗里德里希·贝塞尔，他在19世纪早期发明了这个概念。
贝塞尔函数有两种类型：第一类和第二类。
第一类贝塞尔函数通常用J_n(x)表示，其中n是一个整数，x是实数。
第二类贝塞尔函数通常用Y_n(x)表示。
这些函数的图像通常呈现出周期性振荡的形式，因此它们被广泛用于处理周期性现象。
贝塞尔函数的定义非常复杂，但它们的性质非常有用。
例如，它们满足一些重要的微分方程，如贝塞尔方程。
此外，它们可以用于解决一些非常具体的问题，例如计算振动系统的谐波分析和圆形膜的振动模式。
总的来说，贝塞尔函数是一个重要的数学工具，它们在物理学和工程学中被广泛使用。
虽然它们的定义可能非常复杂，但是它们的基本性质和应用是非常有用的。
- 1 -。
第四章 贝塞尔函数讲解
深圳大学电子科学与技术学院
定义：
(x) ett x1dt (x 0)
0
基本性质： (x 1) x(x)
证明：
(x 1） ett x11dt t xd (et ) t xet x ett x1dt x(x）
令t=u2
0
1
ett
1
2dt
eu2
三维热传导方程： t
a
2
2
x2
2
y 2
2
z 2
a22
分离变量： (r,t) u(r)T (t)
对u(r)，
得到： 2u k 2u （0 亥姆霍兹方程）
球坐标下：
z
r
x
深圳大学电子科学与技术学院
x r sin cos
x
d dx
贝塞尔函数详细介绍(全面)
y x 1J m (x) x J m (x)
y 1x 2 Jm (x) x 1Jm (x) x 1Jm (x) x 2 Jm(x)
x 2 Jm(x) 2x 1Jm (x) 1 x 2 Jm (x)
x 2 Jm(x) 2x 1Jm (x) 1x 2 Jm (x)
xnYn1(x)
d
dx
xnYn (x)
x
Y n n1
(
x)
Yn1 ( x)
Yn1 ( x)
2n x
Yn
(x)
Yn1(x) Yn1(x) 2Yn(x)
例1 求下列微积分
(1)
d dx
J0
(
x)
J 0
(x)
J1(x)
(2)
J0(x)
1 x
J0(x)
J1(x)
1 x
J1(x)
1 2
J
0
(x)
1 2 x
x 1Jm (x) x Jm (x)
2
2
m2 x2
x
J
m
(x)
x 2 Jm(x) x 1Jm (x) x2 2 m2 x 2 Jm (x)
x 2 x2 2 Jm(x) xJm (x) x2 2 m2 Jm (x)
x2 t 2Jm(t) tJm (t) t 2 m2 Jm (t)
J
(x)
y AJn (x) BYn (x)
数学物理方程与特殊函数
x2 y xy x2 n2 y 0
J
n
(
x)
m0
(1)m m!(n m
1)
x 2
n2m
Yn
(
x)
lim
n
05第五章贝赛尔函数
西安理工大学应用数学系
2. Bessel函数－Bessel方程的解 函数－ 函数 方程的解
用广义幂级数法求解该方程。由常微分方程理论， 用广义幂级数法求解该方程。由常微分方程理论，设方程的解 ∞ 为 y= a x s + k , ( a ≠ 0, s为常数 )
∑
k =0
k
0
各阶导数为
y ' = ∑ k = 0 ( s + k )ak x
ut = a2 (uxx + uyy ) 该问题的数学模型为： 该问题的数学模型为： u x2 +y2 =R2 = 0 u t=0 = ϕ(x, y)
用分离变量法求解。 用分离变量法求解。 令
x2 + y2 < R2, t > 0
u(x, y,t) =V(x, y)T(t) 代入方程得
9 ′ ′ ′ x J3/2 (x) + xJ3/2 (x) +(x − )J3/2 (x) = 0 4
2 2
证明： 证明：因
1 ′ = x J3/2(x) + x J3/2(x) ′ y 2 3 1 1 − − 1 2 ′ ′ ′ ′ y′ =− x J3/2(x) + x 2 J3/2(x) + x2 J3/2(x) 4
s +1
∞
x y " = ∑ k = 0 ( s + k )( s + k − 1)ak x s + k = a0 s( s − 1) x + a1 ( s + 1) sx
s
+ ∑ k = 2 ( s + k )( s + k − 1)ak x s + k
贝塞尔函数详细介绍(全面)
(−1) m x 2 n + 2 m −1 = x n J ( x) = x n ∑ n + 2 m−1 n −1 2 m!⋅Γ(n + m) m =0
∞
d x n J n ( x ) = x n J n −1 ( x ) dx d −n x J n ( x) = − x − n J n +1 ( x) dx
y = AJ n ( x) + BYn ( x)
A、B为任意常数， n为任意实数
数学物理方程与特殊函数
第5章贝塞尔函数
三 贝塞尔函数的性质
(−1) m x J n ( x) = ∑ ⋅ m = 0 m! Γ ( n + m + 1) 2
∞ n+2m
J α ( x) cos απ − J −α ( x) Yn ( x) = lim α →n sin απ
= −3J1 ( x) + 2 J1 ( x) + J1 ( x) − J 3 ( x) = − J 3 ( x)
数学物理方程与特殊函数
第5章贝塞尔函数
(4)
d n x J n ( x) = x n J n −1 ( x) dx = − xJ1 ( x ) + ∫ x −1 J1 ( x )dx 2 = − xJ1 ( x) + 2 ∫ J1 ( x)dx d −n x J n ( x) = − x − n J n +1 ( x) = − xJ1 ( x ) − 2 ∫ dJ 0 ( x) = − xJ1 ( x) − 2 J 0 ( x ) + C dx ′ (5) ∫ x 3 J 0 ( x )dx = ∫ x 2 dxJ1 ( x ) = x 3 J 1 ( x ) − 2 ∫ x 2 J1 ( x)dx J n −1 ( x) − J n +1 ( x) = 2 J n ( x) 2n J n −1 ( x) + J n +1 ( x) = J n ( x) 3 2 3 2 = x J 1 ( x ) − 2 ∫ dx J 2 ( x ) = x J 1 ( x ) − 2 x J 2 ( x ) + C x
贝塞尔公式讲解
贝塞尔公式讲解
贝塞尔公式是用来计算贝塞尔函数（Bessel function）的数学公式。
贝塞尔函数是常见的特殊函数之一，它在物理学和工程学中有广泛的应用。
贝塞尔函数是由欧拉和贝塞尔在18世纪末和19世纪初研究振动问题时引入的。
它们是满足贝塞尔微分方程的解，该方程出现在许多物理问题中，如电磁波，声波和热传导等。
贝塞尔函数通常表示为J_n(x)，其中n是整数，x是实数。
贝塞尔函数的计算可以使用贝塞尔公式，该公式可以表示为：
J_n(x) = (1/π) ∫_0^πcos(nθ- x sinθ) dθ
其中，θ是积分变量，cos和sin是三角函数，π是圆周率，n和x是函数的参数。
这个公式告诉我们如何计算任意x和n的贝塞尔函数。
它涉及积分，因此可能需要数值计算来获得精确的结果。
贝塞尔函数在微积分，波动问题和量子力学等领域中广泛使用。
贝塞尔函数
n阶第一类贝塞尔函数()J xn第二类贝塞尔函数，或称Neumann函数()Y xn第三类贝塞尔函数汉克尔（Hankel）函数，(1)()H xn第一类变形的贝塞尔函数()I xn开尔文函数（或称汤姆孙函数）n阶第一类开尔文（Kelvin）第五章贝塞尔函数在第二章中，用分离变量法求解了一些定解问题。
从§2.3可以看出，当我们采用极坐标系后，经过分离变量就会出现变系数的线性常微分方程。
在那里，由于只考虑圆盘在稳恒状态下的温度分布，所以得到了欧拉方程。
如果不是考虑稳恒状态而是考虑瞬时状态，就会得到一种特殊类型的常微分方程。
本章将通过在柱坐标系中对定解问题进行分离变量，引出在§2.6中曾经指出过的贝塞尔方程，并讨论这个方程解的一些性质。
下面将看到，在一般情况下，贝塞尔方程的解不能用初等函数表出，从而就导入一类特殊函数，称为贝塞尔函数。
贝塞尔函数具有一系列性质，在求解数学物理问题时主要是引用正交完备性。
§5.1 贝塞尔方程的引出下面以圆盘的瞬时温度分布为例推导出贝塞尔方程。
设有半径其侧面绝缘，若圆盘边界上的温度恒保持为零摄氏度，且初始温度为已知，求圆盘内瞬时温度分布规律。
这个问题可以归结为求解下述定解问题：用分离变量法解这个问题，先令或（5.4）（5.5） 从（5.4）得方程（5.5）称为亥姆霍兹（Helmholtz ）方程。
为了求出这个方程满足条件（5.6）的非零解，引用平面上的极坐标系，将方程（5.5）与条件（5.6）写成极坐标形式得再令代入（5.7）并分离变量可得（5.9）（5.10）5.10）得（5.11）这个方程与（2.93）相比，仅仅是两者的自变量和函数记号有差别，若再作代换并记则得由条件（5.8（5.12）因此，原定解问题的最后解决就归结为求贝塞尔方程（5.11）在条件（5.12）下的特征值与特征函数（（5.12。
在下一节先讨论方程（5.11）的解法，然后在§5.5中再回过头来讨论这个特征值问题。
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数理方程中与贝塞尔函数有关的问题据百度百科介绍：贝塞尔（1784——1846）是德国天文学家，数学家，天体测量学的奠基人。
20岁时发表了有关彗星轨道测量的论文。
1810年任新建的柯尼斯堡天文台台长，直至逝世。
1812年当选为柏林科学院院士。
贝塞尔的主要贡献在天文学，以《天文学基础》（1818）为标志发展了实验天文学 ，还编制基本星表 ，测定恒星视差， 预言伴星的存在，导出用于天文计算的贝塞尔公式，较精确地计算出岁差常数等几个天文常数值，还编制大气折射表和大气折射公式，以修正其对天文观测的影响。
他在数学研究中提出了贝塞尔函数，讨论了该函数的一系列性质及其求值方法，为解决物理学和天文学的有关问题提供了重要工具。
此外，他在大地测量学方面也做出一定贡献，提出贝塞尔地球椭球体等观点。
（图片来自维基百科）一、 贝塞尔方程与贝塞尔函数 二、 贝塞尔方程与欧拉方程比较 三、 贝塞尔函数与伽马函数 四、 贝塞尔函数与几个常用函数的台劳级数比较 右图来自网页“维基百科——自由的百科全书”中贝塞尔函数介绍。
贝塞尔函数的一个实例：一个紧绷的鼓面在中心受到敲击后的二阶振动振型，其振幅沿半径方向上的分布就是一个贝塞尔函数（考虑正负号）。
实际生活中受敲击的鼓面的振动是各阶类似振动形态的叠加一、贝塞尔方程与贝塞尔函数Bessel 方程是二阶线性变系数齐次常微分方程0)(22222=-++y v x dx dy x dxy d x 其中，v 是常数，称为Bessel 方程的阶（不一定是整数），可取任何实或复数。
该方程的解无法用初等函数表现。
数理方程教科书采用第一类Bessel 函数和第二类Bessel 函数的线性组合表示方程的标准解函数。
贝塞尔函数也被称为圆柱函数或圆柱谐波。
通常所说的贝塞尔函数是指第一类Bessel 函数m v m m v xm v m x J 20)2()1(!)1()(+∞=∑++-=Γ贝塞尔方程是在圆柱坐标或球坐标下使用分离变量法求解拉普拉斯方程和亥姆霍兹方程时得到的（在圆柱域问题中得到的是整阶形式；在球域问题中得到的是半奇数阶形式），因此贝塞尔函数在波动问题以及各种涉及有势场的问题中占有非常重要的地位，典型的问题有：在圆柱形波导中的电磁波传播问题；圆柱体中的热传导问题；圆形（或环形）薄膜的振动模态分析问题；在其他一些领域，贝塞尔函数也相当有用。
如在信号处理中的调频合成（FM synthesis ）或凯泽窗（Kaiser window ）的定义中，都要用到贝塞尔函数。
在教科书中Bessel 方程来源1． 在圆柱坐标系下解二维热传导方程；⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=+=<+=><++=2222222222,0),,()0,,(0,),(R y x u Ry x y x y x u t R y x u u a u yy xx t ϕ 用分离变量法，令u (x ，y ，t ) = V (x ，y )T (t )，代入方程整得λ-=+='V V V Ta T yy xx 2由此得两个方程0)()(2=+'t T a t T λ，0=++V V V yy xx λ其中，一阶常微分方程的通解为)ex p()(2t a A t T λ-=而另一个是圆域上Laplace 算子的固有值问题，在极坐标系下⎪⎩⎪⎨⎧=<<=+∂∂+∂∂+∂∂=,0,0,01122222R VR V VV V ρρλθρρρρ再一次使用分离变量法，令)()(),(θρθρΘP V =，代入方程整理得μλρρρ=''-=+'+''ΘΘPPP P 22 由此得两个方程0=+''ΘΘμ，0)(22=-+'+''P P P μλρρρ第一个二阶常微分方程的通解为θμθμθsin cos )(21C C +=Θ引入周期边值条件)0()2(ΘΘ=π，得12cos =πμ。
所以固有值2n =μ，(n = 0，1，2，……)固有函数系为0021)(a =θΘ，θθθn b n a n n n sin cos )(+=Θ，(n = 1，2，……) 将固有值代入第二个常微分方程，得0)(222=-+'+''P n P P λρρρ令ρλ=x ，)/()(λx P x y =，则方程转化为标准的整数阶贝塞尔方程0)(22222=-++y n x dx dy x dxy d x 2． 圆柱坐标系下解二维波动方程；⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧>=+=<+==><++=0,,0),,()0,,(),,()0,,(0,),(2222222222t R y x u R y x y x y x u y x y x u t R y x u u a u t yy xx tt ψϕ 用分离变量法，令u (x ，y ，t ) = V (x ，y )T (t )，代入方程整得λ-=+=''V V V Ta T yyxx 2由此得两个方程0=++V V V yy xx λ，0)()(2=+''t T a t T λ第一个是圆域上Laplace 算子的固有值问题，与热传导问题类似可得整数阶贝塞尔方程0)(22222=-++y n x dx dy x dxy d x 3．在圆柱坐标系下解三维拉普拉斯方程或亥姆霍夫方程。
圆域上亥姆霍兹方程边值问题⎪⎩⎪⎨⎧≤≤=≤≤<<=+∂∂+∂∂+∂∂=πθπθρθρρρρρ20,020,0,011222222R VR V k VV V 用分离变量法，令)()(),(θρθρΘP V =，代入方程整理得μρρρ=''-=+'+''ΘΘPPk P P 222 由此得两个方程0=+''ΘΘμ，0)(222=-+'+''P k P P μρρρ第一个二阶常微分方程的通解为θμθμθsin cos )(21C C +=Θ引入周期边值条件)0()2(ΘΘ=π，得12cos =πμ。
所以固有值2n =μ，(n = 0，1，2，……)固有函数系为0021)(a =θΘ，θθθn b n a n n n sin cos )(+=Θ，(n = 1，2，……) 将固有值代入第二个常微分方程，得0)(2222=-+'+''P n k P P ρρρ令ρk x =，)/()(k x P x y =，则方程转化为标准的整数阶贝塞尔方程0)(22222=-++y n x dx dy x dxy d x 二、贝塞尔方程与欧拉方程比较欧拉方程0222=++y dx dy x dx y d x λ也是一类二阶线性变系数齐次常微分方程。
该方程的二阶导数项和一阶导数项表达式与贝塞尔方程相同。
不同的是，贝塞尔方程中函数项系数为变系数，欧拉方程中函数项系数为常数。
贝塞尔方程只能求出级数形式的解，即使是零阶贝塞尔方程02222=++y x dx dy x dxy d x 欧拉方程可以通过自变量变换成为线性常系数常微分方程。
作变换：)exp(t x =，即x t ln =，未知函数的导数为dtdyx dx dt dt dy dx dy 1== )(1)(11222222dt dydxy d x dt dy dx d x dt dy x dx y d -=+-=代入微分方程，得0)(22=++-y dt dydt dy dty d λ方程化简为：022=+y dtyd λ，该方程有初等函数表达式的通解。
三、贝塞尔函数与伽马函数 1．正整数阶贝塞尔函数贝塞尔函数的阶数v 不一定是整数。
引入伽马函数使表达式简化，但有一丝神秘m v m m v xm v m x J 20)2()1(!)1()(+∞=∑++-=Γ当阶数为正整数时，贝塞尔函数可写成m n m m n xm n m x J 20)2()!(!)1()(+∞=∑+-=零阶贝塞尔函数mm m x m x J 2020)2()!()1()(∑∞=-= 还有一种是积分形式（可用于数值计算实验）⎰-=πξξξπ20)sin cos(21)(d x v x J v2．负整数阶贝塞尔函数由于自变量为负值时，伽马函数的值趋于正无穷大，所以负整数阶贝塞尔函数m n m m n xm n m x J 20)2()1(!)1()(+-∞=-∑++--=Γ中对于m < n 的项为零，故m n n m m n xm n m x J 2)2()1(!)1()(+-∞=-∑++--=Γ令 k = m – n ，则有m = n + k 。
所以k n k k nk n k k n n x k n k x k k n x J 2020)2()1(!)1()1()2()1()!()1()1()(+∞=+∞=-∑∑++--=++--=ΓΓ对比 J n (x ) 的表达式，知J -n (x ) = (– 1)n J n (x )这说明两个整数阶贝塞尔函数线性相关。
3．伽马函数这一特殊函数以无穷积分的形式做为定义⎰+∞--=1)ex p()(dx x x s s Γ是正整数阶乘函数的推广。
其中，s 可以取正实数也可以取实部为正的复数。
几个简单性质如下：（1）．1)ex p()1(0=-=⎰+∞dx x Γ；（2）．)()1(n n n ΓΓ=+； 事实上⎰⎰∞-+∞+∞-+--=-=+0100)ex p()(ex p )ex p()1(dx x x n x x dx x x n n n n Γ)()ex p(01n n dx x x n n Γ=-=⎰∞-（3）．π=)2/1(Γ事实上⎰∞-=)ex p(1)2/1(dx x xΓ令2t x =，则上式化为概率积分π=-=-=⎰⎰+∞∞20)ex p(2)ex p(1)2/1(dt t dx x xΓ（4）．当伽马函数的自变量为负值时，无穷积分发散。
即⎰⎰⎰⎰+∞+∞+∞++---+-=-=-=-111111)exp(1)exp(1)exp(1)exp()(dxx x dx x xdx x xdx x xs s s s s Γ由于111111)exp(1ss s x sdx x dx x x-=≥-⎰⎰++∞+所以自变量为负值时，伽马函数的值趋于正无穷大。
四、贝塞尔函数与几个常用函数的台劳级数比较1．贝塞尔函数的级数收敛性 贝塞尔函数通常用级数表达式m n m m n xm n m x J 20)2()1(!)1()(+∞=∑++-=Γ利用交错级数的收敛判别法，用系数比值取极限0)1)(1(41lim )2()!1(4)1(!lim ||lim 222=+++=+++++=∞→∞→+∞→m n m m n m m n m a a m m m m m ΓΓ 所以，级数对任意自变量x 收敛。