第二十章 贝塞尔函数 柱函数
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贝塞尔函数表0~2rad摘要:一、贝塞尔函数简介1.贝塞尔函数的定义2.贝塞尔函数在数学和工程领域的应用二、贝塞尔函数表0~2rad1.贝塞尔函数表的构成2.贝塞尔函数值的变化规律3.贝塞尔函数的性质和特点三、贝塞尔函数表在实际问题中的应用1.贝塞尔函数表在数学问题中的应用2.贝塞尔函数表在工程问题中的应用正文:贝塞尔函数是一类在数学和工程领域有着广泛应用的函数。
它们以瑞士数学家卡尔·沃尔夫冈·贝塞尔的名字命名,并因其独特的性质和特点而受到学者们的关注。
贝塞尔函数可以表示为:BesselFunction(x, n, λ) = (1 / (2 * π * √(x^2 + n^2 * λ^2))) * ∫(exp(-(x^2 + n^2 * λ^2) / 2) * (x^2 - n^2 * λ^2) ^ (n - 1/2)) dλ其中,x表示函数的变量,n表示函数的阶数,λ表示函数的参数。
贝塞尔函数表0~2rad是一份详细列出贝塞尔函数值的表格,其中包含了不同阶数和参数下的贝塞尔函数值。
这个表格可以帮助学者们快速查找和计算贝塞尔函数值,为他们的研究和工程应用提供便利。
贝塞尔函数表0~2rad的构成主要包括两部分:一是表格的标题和表头,包括函数名、阶数、参数和函数值;二是表格的主体,详细列出了不同阶数和参数下的贝塞尔函数值。
这个表格是通过对贝塞尔函数进行数值积分计算得到的,因此具有较高的精度和可靠性。
贝塞尔函数值的变化规律可以通过观察贝塞尔函数表0~2rad得出。
一般来说,随着参数λ的增大,贝塞尔函数值会先增大后减小,呈现出一个波浪形的变化趋势。
而随着阶数n的增大,贝塞尔函数值会呈现出一个指数增长的趋势。
这些变化规律对于理解和掌握贝塞尔函数的性质和特点具有重要意义。
贝塞尔函数表0~2rad在实际问题中的应用非常广泛。
在数学领域,贝塞尔函数表可以帮助学者们快速计算贝塞尔函数值,为他们的理论研究和数值模拟提供数据支持。
贝塞尔函数贝塞尔函数是贝塞尔方程的解,它们和其他函数组合成柱调和函数。
贝塞尔函数和初等函数是在物理和工程中最常用的函数。
贝塞尔函数是以19世纪德国天文学家F.W.贝塞尔的姓氏命名的,他在1824年第一次描述过它们。
贝塞尔函数(Bessel functions)是数学上的一类特殊函数的总称。
一般贝塞尔函数是一些常微分方程(一般称为'''贝塞尔方程''')的标准解函数。
贝塞尔方程是一个二阶常微分方程,必然存在两个线性无关的解。
针对各种具体情况,人们提出了这些解的不同形式。
下面分别介绍不同类型的贝塞尔函数。
这类方程的解无法用初等函数系统地表示。
但是可以运用自动控制理论中的相平面法对其进行定性分析。
这里被称为其对应贝塞尔函数的阶数。
实际应用中最常见的情形为是整数,对应解称为阶贝塞尔函数。
尽管在上述微分方程中,本身的正负号不改变方程的形式,但实际应用中仍习惯针对和定义两种不同的贝塞尔函数。
这样做能带来好处,比如消除了函数在=0点的不光滑性。
几个正整数阶的贝塞尔函数早在18世纪中叶被瑞士数学家丹尼尔·伯努利在研究悬链振动时提出,当时引起了数学界的轰动。
雅各布·伯努利,莱昂哈德·欧拉|欧拉、约瑟夫·路易斯·拉格朗日|拉格朗日等数学大师对贝塞尔函数的研究作出过重要贡献。
1817年,德国数学家弗里德里希·威廉·贝塞尔在研究约翰内斯·开普勒提出的三体万有引力系统的运动问题时,第一次系统地提出了贝塞尔函数的理论框架,后人以他的名字来命名了这种函数。
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。
因为贝塞尔方程是在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。
最典型的问题有:在圆柱形波导中的电磁波传播问题;圆柱体中的热传导定律|热传导问题;以及圆形(或环形)薄膜的振动模态分析问题。
贝塞尔函数渐进表达式贝塞尔函数 (Bessel Function) 是一类重要的特殊函数,它在许多领域都有广泛的应用,如物理学、工程学、数学等等。
贝塞尔函数的渐进表达式在各种文献和教材中都有不同的表述和推导,其中最常见的是第一类和第二类柱函数的渐近表达式。
第一类柱函数,即贝塞尔函数 (Bessel Function)Jnu(x),在 x 趋近于正无穷时,其渐进表达式为:$$J_{u}(x)simfrac{1}{x}expleft(-x^{2}ight)left(frac{2x}{pi}ight)^{frac{u}{2}}$$其中 $u$ 是贝塞尔函数的阶数,$sim$ 表示当 $xightarrowinfty$ 时的极限。
第二类柱函数,即诺伊曼函数 (Neumann Function)Nnu(x),在 x 趋近于正无穷时,其渐进表达式为:$$N_{u}(x)simfrac{2}{pi x}expleft(-x^{2}ight)sum_{k=0}^{infty}frac{left(frac{x}{2}ight)^{2k}}{Gamma(u k+1)}$$其中 $u$ 是贝塞尔函数的阶数,$sim$ 表示当 $xightarrowinfty$ 时的极限。
第三类柱函数,即汉克尔函数 (Hankel Function)H${}_{u}$(x),在 x 趋近于正无穷时,其渐进表达式为:$$H_{u}(x)simfrac{1}{x}expleft(-x^{2}ight)left(frac{2x}{pi}ight)^{frac{u+1}{2}}$$其中 $u$ 是汉克尔函数的阶数,$sim$ 表示当 $xightarrowinfty$ 时的极限。
需要注意的是,这些渐近表达式仅仅是贝塞尔函数在一些特定的条件下的渐进表达式,并不是贝塞尔函数的所有渐进表达式。
此外,贝塞尔函数还有很多其他的定义和性质,都可以通过不同的数学工具和方法进行研究和探究。
C.贝塞尔函数的有关公式贝塞尔方程的持解B p(z)为(柱)贝塞尔函数。
有第一类柱贝塞尔函数J p(z)p为整数n时,J-n=(-1)n J n;p不为整数时,J p与J-p线性无关。
第二类柱贝塞尔函数N p(z)(柱诺依曼函数)n为整数时N-n=(-1)n N n。
第三类柱贝塞尔函数H p(z) (柱汉开尔函数):第一类柱汉开尔函数H p(1)(z)= J p(z)+j N p(z)第二类柱汉开尔函数H p(2)(z)= J p(z)-j N p(z)大宗量z小宗量z 0,为欧拉常数见微波与光电子学中的电磁理论p668J n(z)的母函数和有关公式函数e z(t/2-1/2t)称为第一类贝塞尔函数的母函数,或称生成函数,若将此函数在t=0附近展开成罗朗级数,可得到在上式中作代换,令t=e j ,t= je j 等,可得又可得如z=x为实数贝塞尔函数的加法公式J n(z)的零点 niJ’n(z)的零点γni半整数阶贝塞尔函数J n+1/2(z)的零点χnpJ'n+1/2(z)的零点χ'npD.朗斯基行列式及其它关系式E.修正贝塞尔函数有关公式贝塞尔方程中用(j z)代换z,得到修正的贝塞尔方程方程的两个线性无关的解为I p(z)=j-p J p(j z).称为第一类修正的柱贝塞尔函数。
K p(z)=(π/2)j p+1H p(1)(j z).称为第二类修正的柱贝塞尔函数。
大宗量z小宗量z 0(0210)《古代散文》复习思考题一、填空题1.甲骨卜辞、和《易经》中的卦、爻辞是我国古代散文的萌芽。
2.深于比兴、,是先秦散文的突出特点。
3.《》长于描写外交辞令。
4.《国语》的突出特点是长于。
5.“兼爱”、“非攻”是思想的核心。
6.先秦诸子中,善养“浩然之气”。
7.先秦诸子中,提出了“言不尽意”、“得意忘言”的观点。
8.荀子的《》是我国最早以“赋”名篇的作品。
9.《鵩鸟赋》是的骚体赋。
10.枚乘的《》标志着散体赋的正式形成。
20.3.1 贝塞尔函数的递推公式由贝塞尔函数的级数表达式(20.2.1)容易推出1J ()J ()d []d v v x x x x x νν+=- (20.3.1) 1d [J ()]J ()d vv v v x x x x x -= (20.3.2)以上两式都是贝塞尔函数的线性关系式. 诺伊曼函数N ()v x 和汉克尔函数也应该满足上述递推关系.若用()v Z x 代表v 阶的第一或第二或第三类函数,总是有1d [()]()d vv v v x Z x x Z x x -= (20.3.3)1d [()]()d vv v v x Z x x Z x x --+=- (20.3.4)把两式左端展开, 又可改写为1()()()v v vZ x Z x Z x x ν+'-=- (20.3.5) 1()()v v vZ Z x Z x x ν-'+= (20.3.6)从(20.3.5)和(20.3.6)消去Z ν或消去Z ν'可得11()()2()v v vZ x Z x Z x +-'=- 112()()()v v v vZ x Z x Z x x +-=-+即为从)(1x Z v -和)(x Z v 推算)(1x Z v +的递推公式.上式也可以写成为11()()2()v v v vZ x Z x Z x x -++= (20.3.7)11()()2()v v Z x Z x Z x ν-+'-= (20.3.8)任一满足一组递推关系的函数)(x Z v 统称为柱函数.例 20.3.1 求2J()d x x x⎰【解】 根据公式 (20.3.8) 11()()2()v v Z x Z x Z x ν-+'-= 有201J ()J ()2J ()x x x '=-21111111J ()d J ()d 2J ()d J ()2[J ()J ()d ]J ()2[J ()J ()d ]J ()2J ()x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x c'=-=--'=-+=--+⎰⎰⎰⎰⎰20.3.2贝塞尔函数正交性和模1.正交性对应不同本征值的本征函数分别满足2()2()2dJ d []{[]}J ()0 d d m m m i m i m k k ρρρρρ+-= (20.3.9)2()2()2dJ d []{[]}J ()0 d d m m m j m j m k k ρρρρρ+-= (20.3.10)将(20.3.9)乘以()J ()m m j k ρ,将(20.3.10)乘以()J ()m m i k ρ,然后两式相减,再积分,利用分部积分法得到()2()2()()0()()()()0{[][]}J ()J ()d d d [J ()J ()J ()J ()]|0d d m m m m i j m i m j m m m m m i m j m j m i k k k k k k k k ρρρρρρρρρρρρρρ-=-=⎰故当 ()()m m i j k k ≠时()()0J ()J ()d 0m m m i m j k k ρρρρρ=⎰(20.3.11)2.贝塞尔函数的模()m n N22()22()20001[]()[J ()]2m m nm n n n m Nk H ρρρλλ=-+ (20.3.12)20.3.3 广义傅立叶-贝塞尔级数按照施-刘型本征值问题的性质,本征函数族()J ()m m n k ρ是完备的,可作为广义傅立叶级数展开的基.定义在区间],0[0ρ上的函数)(ρf ,可以展开为广义的傅立叶-贝塞尔级数为 ()1()J ()m n m n n f f k ρρ∞==∑ (20.3.13)其中广义傅氏系数()()21()J ()d []m n m n m nf f k Nρρρρρ=⎰(20.3.14)20.3.4 贝塞尔函数的母函数(生成函数)1. 母函数(生成函数) 考虑解析函数)1(2),(zz x ez x G -=在+∞<<z 0内的罗朗展式(注意,此处的x 为参变数,不是复变数z 的实部).因为∑∞==02!)2(k k k z xz k x e , ∑∞=---=-02)(!)2(1l ll zx z l x e故 ∑∑∞=∞=---=00)1(2)(!)2(!)2(k l ll k k z z x z l x z k x e对于固定的z ,以上两级数在+∞<<z 0内是可以相乘的,且可按任意方式并项.令,,2,1,0, ±±==-n n l k 得1()22000(1)(1)(,)()[()]!!2()!!2x l l z k l k l l n nzk l n l x xG x z ez z k l n l l ∞∞∞∞-+-+===-∞=--===+∑∑∑∑ 故(,)J()nnn G x z x z ∞=-∞=∑ (20.3.15)称)1(2zz x e -为贝塞尔函数的母函数(或生成函数).2.加法公式利用母函数公式(,)J()nnn G x z x z ∞=-∞=∑故有1()211()()22(,)J() (,)(,)J ()J ()x y z mzmn x y z z knzzk nk n G x y z e x y z eeG x z G y z x zy z +∞-=-∞∞∞--=-∞=-∞+==+===∑∑∑比较两边的mz 项的系数,即得加法公式J ()J()J ()m km k k x y x y +∞-=-∞+=∑ (20.3.16)3.贝塞尔函数的积分表达式利用母函数公式(20.3.30)和罗朗展式的系数表达式,得到1()211J ()d (0,1,2,)2πi x z zm m C ex z m z -+==±±⎰其中C 是围绕0=z 点的任意一条闭曲线.如果取C 为单位圆,则在C 上,有i z e θ=.从而得到2π2πi sin i 1i i(sin )0011J ()()(i )d d 2πi 2πx m x m m x e e e e θθθθθθθ---==⎰⎰2π01J ()c o s (s i n )d , (0,1,2,)2πm x x m m θθθ=-=±±⎰ (20.3.17)其中积分式中的sin(sin )x m ϕϕ-的项已被省去,因为在[0,2π]上其积分为零.式(20.3.10)就是整数阶贝塞尔函数的积分表达式. 特别若0m =时,有π001J ()cos(sin )d πx x θθ=⎰ (20.3.18)。
贝塞尔函数(Bessel Function),是数学上的一类特殊函数的总称,是贝塞尔方程的解(无法用初等函数系统表示),它们和其他函数组合成柱调和函数。
除初等函数外,在物理和工程中贝塞尔函数是最常用的函数,它们以19世纪德国天文学家F.W.贝塞尔的姓氏命名,他在1824年第一次描述过它们。
一般贝塞尔函数是下列常微分方程(一般称为贝塞尔方程)的标准解函数 y\left( x \right):
{x^2}\frac{{{d^2}y}}{{d{x^2}}} + x\frac{{dy}}{{dx}} + \left( {{x^2} - {\alpha ^2}} \right)y = 0
或者 {x^2}y'' + xy' + \left( {{x^2} - {\alpha ^2}} \right)y = 0
作为一个二阶常微分方程,上述函数必然存在两个线性无关的解。
并且,贝塞尔函数是在柱坐标/球坐标下使用分离变量法求解拉普拉斯方程或者亥姆霍兹方程式得到,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重要问题。
贝塞尔函数的具体形式随着方程中实数参数 \alpha 变化,且 \alpha 被称为贝塞尔函数的阶数。
实际应用中常见 \alpha 为整数 n ,对应 n 阶贝塞尔函数。
虽然公式中 \alpha 的正负性不改变函数形式,实际应用中习惯针对 \alpha 和 -\alpha 定义两种不同的贝塞尔函数,有一些好处(比如消除函数在 \alpha=0 处的不光滑性),多 \alpha\ge 0。