Уравнение Бесселя
При решении многих задач математической физики приходят к линейному уравнению Бесселя,
![]()
Решение уравнения следует искать не в форме степенного ряда, а в виде произведения некоторой степени
на степенной ряд,
![]()
которое можно переписать в виде,
![]()
Найдем производные,
![]()
![]()
Подставим в уравнение,
![]()
Раскроем первые несколько членов,

Перегруппируем относительно степеней
,

Приравнивая к нулю коэффициенты при различных степенях
, будем иметь,
![Rendered by QuickLaTeX.com \begin{equation*} \begin{cases} a_0 \left[ r (r-1) + r - \nu^2 \right] = 0 \\ a_1 \left[ (r + 1) r + (r + 1) - \nu^2 \right] = 0 \\ a_2 \left[ (r + 2) (r + 1) + (r+2) - \nu^2\right] + a_0 = 0 \\ a_3 \left[ (r + 3) (r + 2) + (r+3) - \nu^2\right] + a_1 = 0 \\ ...\\ \end{cases} \end{equation*}](https://oilsim.ru/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-853454fb7921bf161a7a42fecc75ba4d_l3.png)
Из первого уравнения системы, полагая что ![]()
![]()
получим два решения для
,
![]()
Если мы возьмем первый, положительный корень, то получим следующую систему,
![Rendered by QuickLaTeX.com \begin{equation*} \begin{cases} a_0 \left[ \nu (\nu-1) + \nu - \nu^2 \right] = 0 \\ a_1 \left[ (\nu + 1) \nu + (\nu + 1) - \nu^2 \right] = 0 \\ a_2 \left[ (\nu + 2) (\nu + 1) + (\nu+2) - \nu^2\right] + a_0 = 0 \\ a_3 \left[ (\nu + 3) (\nu + 2) + (\nu+3) - \nu^2\right] + a_1 = 0 \\ ...\\ \end{cases} \end{equation*}](https://oilsim.ru/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-dc7758575288d9fafc3d9cd751e3067f_l3.png)

Для значений
следует рекуррентная запись,
![]()
![]()
где коэффициент
остается пока неопределенным,


Для нечетных коэффициентов имеем,
![]()
И очевидно, для четных коэффициентов,
![]()
Это выражение может быть упрощено, если использовать одно из основных свойства гамма-функции,
![]()
применяя которое несколько раз, получим
![]()
Выберем коэффициент
следующим образом,
![]()
Тогда, выражение для четных коэффициентов примет следующий вид,
![]()
Найденные коэффициенты позволяют получить частное решение уравнение Бесселя. Это решение носит название функции Бесселя 1-го рода
-го порядка и обозначается обычно через
.
![]()
Используя второй, отрицательный корень, построим второе частное решение уравнения Бесселя, которое может быть получено простой заменой
на
,
![]()
Общее решение линейного дифференциального уравнения может быть составлено из известных двух частных решений,
![]()
при условии линейной независимости частных решений.
К сожалению, полученное частное второе решение для целых
линейно зависит от первого решения и не может быть использовано для определения общего решения.
Для того, чтобы найти общее решение рассматривается линейно-независимое от
решение, составленное из линейной комбинации частных решений
и
,
![]()
Введенная здесь функция
называется функцией Бесселя 2-го рода
-го порядка или функцией Вебера.
Общее решение уравнения Бесселя, может быть представлено в виде,
![]()
где
и
— произвольные постоянные.
Отметим, что
![]()
поэтому для получения конечного решения при
, принимают коэффициент
.
Уравнение Бесселя можно представить также как,
![]()
![]()
На практике часто встречается уравнение с коэффициентом
,
![]()
которое сводится к уравнению Бесселя через замену
,
![]()
Общее решение которого,
![]()
Также встречается следующая форма уравнения Бесселя,
![]()
![]()
Модифицированные функции Бесселя
Если мы сделаем замену коэффициента
мнимой единицей
, получим,
![]()
Решение можно найти делая замену
в степенном ряду на
. Функция
![]()
называется модифицированной функцией Бесселя 1-го рода
-го порядка, которая всегда дает реальное значение.
Второе частное решение, называется модифицированной функцией Бесселя 2-го рода и определяется как,
![]()
Общее решение,
![]()
Поведение модифицированных функций похоже на поведение экспоненциальных функций, что заметно для асимптотических аппроксимаций функций нулевого порядка,
Для
,
![]()
![]()
Для
,
![]()
![]()