Модифицированные функции Бесселя

Модифици́рованные фу́нкции Бе́сселя — это функции Бесселя от чисто мнимого аргумента.

Если в дифференциальном уравнении Бесселя

$z^{2}{\frac {d^{2}\omega }{dz^{2}}}+z{\frac {d\omega }{dz}}+(z^{2}-\nu ^{2})\omega =0$

заменить $\ z$ на $\ iz$, оно примет вид

$z^{2}{\frac {d^{2}\omega }{dz^{2}}}+z{\frac {d\omega }{dz}}-(z^{2}+\nu ^{2})\omega =0.\qquad (1)$

Это уравнение называется модифицированным уравнением Бесселя .

Если $\nu$ не является целым числом, то функции Бесселя $J_{\nu }(iz)$ и $J_{-\nu }(iz)$ являются двумя линейно независимыми решениями уравнения $(1)$. Однако чаще используют функции

$I_{\nu }(z)=e^{-{\frac {i\nu \pi }{2}}}J_{\nu }\left(ze^{\frac {i\pi }{2}}\right)=\sum _{k=0}^{\infty }{\frac {\left({\dfrac {z}{2}}\right)^{2k+\nu }}{k!\Gamma (k+\nu +1)}}$ и $I_{-\nu }(z).$

Их называют модифицированными функциями Бесселя первого рода или функциями Инфельда . Если $\nu$ — вещественное число, а z неотрицательно, то эти функции принимают вещественные значения.

$\nu$ называется порядком функции.

Функция

$K_{\nu }(z)={\frac {\pi }{2\sin \nu \pi }}{\biggl [}I_{-\nu }(z)-I_{\nu }(z){\biggr ]}$

также является решением уравнения $(1)$. Её называют модифицированной функцией Бесселя второго рода или функцией Макдональда . Очевидно, что

$K_{\nu }(z)=K_{-\nu }(z)$

и принимает вещественные значения, если $\nu$ — вещественное число, а $z$ положительно.

График модифицированных функций Бесселя первого рода с различными порядками

График модифицированных функций Бесселя второго рода с различными порядками

Функции целого порядка

Так как $I_{-\nu }(z)=I_{\nu }(z)$ при целом $\nu$ в качестве фундаментальной системы решений уравнения $(1)$ выбирают $I_{n}(z)$ и $K_{n}(z),$ где

$K_{n}(z)=\lim \limits _{\nu \to n}K_{\nu }(z).$

Рекуррентные соотношения и формулы дифференцирования

Модифицированные функции Бесселя первого рода

$\left({\frac {d}{zdz}}\right)^{m}{\Bigl [}z^{\nu }I_{\nu }(z){\Bigr ]}=z^{\nu -m}I_{\nu -m}(z).$

$\left({\frac {d}{zdz}}\right)^{m}{\Bigl [}z^{-\nu }I_{\nu }(z){\Bigr ]}=z^{-\nu -m}I_{\nu +m}(z).$

$I_{\nu -1}(z)-I_{\nu +1}(z)=2\nu z^{-1}I_{\nu }(z).$

$I_{\nu -1}(z)+I_{\nu +1}(z)=2I'_{\nu }(z).$

Модифицированные функции Бесселя второго рода

$\left({\frac {d}{zdz}}\right)^{m}{\Bigl [}z^{\nu }K_{\nu }(z){\Bigr ]}=(-1)^{m}z^{\nu -m}K_{\nu -m}(z).$

$\left({\frac {d}{zdz}}\right)^{m}{\Bigl [}z^{-\nu }K_{\nu }(z){\Bigr ]}=(-1)^{m}z^{-\nu -m}K_{\nu +m}(z).$

$K_{\nu -1}(z)-K_{\nu +1}(z)=-2\nu z^{-1}K_{\nu }(z).$

$K_{\nu -1}(z)+K_{\nu +1}(z)=-2K'_{\nu }(z).$

Вронскиан системы модифицированных функций Бесселя

$W\left[I_{\nu }(z),I_{-\nu }(z)\right]=-{\frac {2\sin(\nu \pi )}{\pi z}}.$

$W\left[I_{\nu }(z),K_{\nu }(z)\right]=-z^{-1}.$

Интегральные представления

Модифицированные функции Бесселя первого рода

$I_{\nu }(z)={\frac {2^{-\nu }z^{\nu }}{{\sqrt {\pi }}\Gamma (\nu +{\frac {1}{2}})}}\int _{0}^{\pi }e^{z\cos t}\left(\sin t\right)^{2\nu }dt,\qquad Re(\nu )>-{\frac {1}{2}},\Gamma (z)$ — гамма-функция.

$I_{\nu }(z)={\frac {2^{1-\nu }z^{\nu }}{{\sqrt {\pi }}\Gamma (\nu +{\frac {1}{2}})}}\int _{0}^{1}(1-t^{2})^{\nu -{\frac {1}{2}}}\cosh(zt)dt,\qquad Re(\nu )>-{\frac {1}{2}}.$

$I_{\nu }(z)={\frac {2^{-\nu }z^{\nu }}{{\sqrt {\pi }}\Gamma (\nu +{\frac {1}{2}})}}\int _{-1}^{1}(1-t^{2})^{\nu -{\frac {1}{2}}}e^{-zt}dt,\qquad Re(\nu )>-{\frac {1}{2}}.$

$I_{n}(z)={\frac {1}{\pi }}\int _{0}^{\pi }e^{z\cos t}\cos(nt)dt,\qquad n\in \mathbb {Z} ,Re(z)>0.$

Модифицированные функции Бесселя второго рода

${{K}_{\nu }}(z)=\int _{0}^{\infty }{{e}^{-z\cosh t}}\cosh(\nu t)dt,\qquad |Arg(z)|<{\frac {\pi }{2}}.$

${{K}_{\nu }}(z)={\frac {{\sqrt {\pi }}{{\left({\frac {z}{2}}\right)}^{\nu }}}{\Gamma (\nu +{\frac {1}{2}})}}\int _{1}^{\infty }{{({{t}^{2}}-1)}^{\nu -{\frac {1}{2}}}}{{e}^{-zt}}dt,\qquad Re(\nu )>-{\frac {1}{2}},|Arg(z)|<{\frac {\pi }{2}}.$

${{K}_{\nu }}(z)={\frac {{\sqrt {\pi }}{{\left({\frac {z}{2}}\right)}^{\nu }}}{\Gamma (\nu +{\frac {1}{2}})}}\int _{0}^{\infty }{{e}^{-z\cosh t}}{{\left(\sinh t\right)}^{2\nu }}dt,\qquad Re(\nu )>-{\frac {1}{2}},|Arg(z)|<{\frac {\pi }{2}}.$

Асимптотическое поведение

$I_{\nu }(z)\varpropto {\frac {e^{z}}{\sqrt {2\pi z}}}\left(1+O\left({\frac {1}{z}}\right)\right),\qquad \left|Arg(z)\right|<{\frac {\pi }{2}},\left|z\right|\to \infty .$

$K_{\nu }(z)\varpropto {\sqrt {\frac {\pi }{2}}}{\frac {e^{-z}}{\sqrt {z}}}\left(1+O\left({\frac {1}{z}}\right)\right),\qquad \left|z\right|\to \infty .$

Частный и общий случаи:

$K_{0}(z)={\sqrt {\frac {\pi }{2z}}}e^{-z}\sum \limits _{m=0}^{\infty }{\frac {\left[\left({2m-1}\right)!!\right]^{2}}{m!\left(-{8z}\right)^{m}}},\qquad \left|z\right|\to \infty ,\quad |\arg z|<\pi /2$

$K_{\nu }(z)={\sqrt {\frac {\pi }{2z}}}e^{-z}{\Bigl (}1+{\frac {\left({4\nu ^{2}-1^{2}}\right)}{1!\left(8z\right)^{1}}}+{\frac {{\left({4\nu ^{2}-1^{2}}\right)}{\left({4\nu ^{2}-3^{2}}\right)}}{2!\left(8z\right)^{2}}}+\ldots {\Bigr )},\qquad \left|z\right|\to \infty ,\quad |\arg z|<\pi /2$

Замечание

• Существует классический ряд Шлёмильха по j-функциям Бесселя

См. также

• Цилиндрические функции

Литература

• Ватсон Г. Теория бесселевых функций. Т. 1, 2. — М.: ИЛ, 1949.
• Бейтмен Г., Эрдейи А. Высшие трансцендентные функции. Функции Бесселя, функции параболического цилиндра, ортогональные многочлены: Справочная математическая библиотека. — М.: Физматгиз, 1966. — 296 с.

Ссылки

• Weisstein, Eric W. Modified Bessel Function of the First Kind (англ.) на сайте Wolfram MathWorld.
• Weisstein, Eric W. Modified Bessel Function of the Second Kind (англ.) на сайте Wolfram MathWorld.