10.5: Propiedades de las funciones de Bessel
- Page ID
- 113680
\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)
\( \newcommand{\dsum}{\displaystyle\sum\limits} \)
\( \newcommand{\dint}{\displaystyle\int\limits} \)
\( \newcommand{\dlim}{\displaystyle\lim\limits} \)
\( \newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\)
\( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\)
\( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\)
\( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
\( \newcommand{\id}{\mathrm{id}}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
\( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\)
\( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\)
\( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\)
\( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\)
\( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\)
\( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\)
\( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)
\( \newcommand{\vectorA}[1]{\vec{#1}} % arrow\)
\( \newcommand{\vectorAt}[1]{\vec{\text{#1}}} % arrow\)
\( \newcommand{\vectorB}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\( \newcommand{\vectorC}[1]{\textbf{#1}} \)
\( \newcommand{\vectorD}[1]{\overrightarrow{#1}} \)
\( \newcommand{\vectorDt}[1]{\overrightarrow{\text{#1}}} \)
\( \newcommand{\vectE}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash{\mathbf {#1}}}} \)
\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\(\newcommand{\longvect}{\overrightarrow}\)
\( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)
\(\newcommand{\ket}[1]{\left| #1 \right>}\)
\(\newcommand{\bra}[1]{\left< #1 \right|}\)
\(\newcommand{\braket}[2]{\left< #1 \vphantom{#2} \right| \left. #2 \vphantom{#1} \right>}\)
\(\newcommand{\braopket}[3]{\left< #1 \vphantom{#2}\vphantom{#3} \right| #2 \vphantom{#1}\vphantom{#3} \left| #3 \vphantom{#1}\vphantom{#2} \right>}\)
\(\newcommand{\qmvec}[1]{\mathbf{\vec{#1}}}\)
\(\newcommand{\op}[1]{\hat{\mathbf{#1}}}\)
\(\newcommand{\expect}[1]{\langle #1 \rangle}\)
\(\newcommand{\dfn}[1]{\emph{\textbf{#1}}}\)
Las funciones de Bessel tienen muchas propiedades interesantes:\[\begin{aligned} J_{0}(0) &= 1,\\ J_{\nu}(x) &= 0\quad\text{(if $\nu>0$),}\\ J_{-n}(x) &= (-1)^{n }J_{n}(x),\\ \frac{d}{dx} \left[x^{-\nu}J_{\nu}(x) \right] &= -x^{-\nu}J_{\nu+1}(x),\\ \frac{d}{dx} \left[x^{\nu}J_{\nu}(x) \right] &= x^{\nu}J_{\nu-1}(x),\\ \frac{d}{dx} \left[J_{\nu}(x) \right] &=\frac{1}{2}\left[J_{\nu-1}(x)-J_{\nu+1}(x)\right],\\ x J_{\nu+1}(x) &= 2 \nu J_{\nu}(x) -x J_{\nu-1}(x),\\ \int x^{-\nu}J_{\nu+1}(x)\,dx &= -x^{-\nu}J_{\nu}(x)+C,\\ \int x^{\nu}J_{\nu-1}(x)\,dx &= x^{\nu}J_{\nu}(x)+C.\end{aligned} \nonumber \]
Déjame probar algunos de estos. Primer aviso de la definición que\(J_{n}(x)\) es par o impar si\(n\) es par o impar,
\[J_{n}(x) = \sum_{k=0}^{\infty}\frac{(-1)^{k}}{k!(n+k)!} \left(\frac{x}{2}\right)^{n+2k}. \nonumber \]
Sustituir\(x=0\) en la definición de la función de Bessel da\(0\) si\(\nu >0\), ya que en ese caso tenemos la suma de potencias positivas de\(0\), que son todas igualmente cero.
Echemos un vistazo a\(J_{-n}\):
\[\begin{aligned} J_{-n}(x) &= \sum_{k=0}^{\infty}\frac{(-1)^{k}}{k!\Gamma(-n+k+1)!} \left(\frac{x}{2}\right)^{n+2k}\nonumber\\ &= \sum_{k=n}^{\infty}\frac{(-1)^{k}}{k!\Gamma(-n+k+1)!} \left(\frac{x}{2}\right)^{-n+2k}\nonumber\\ &= \sum_{l=0}^{\infty}\frac{(-1)^{l+n}}{(l+n)!l!} \left(\frac{x}{2}\right)^{n+2l}\nonumber\\ &= (-1)^{n} J_{n}(x).\end{aligned} \nonumber \]
Aquí hemos utilizado el hecho de que desde\(\Gamma(-l) = \pm \infty\),\(1/\Gamma(-l) = 0\) [esto también se puede probar definiendo una relación de recurrencia para\(1/\Gamma(l)\)]. Además cambiamos las variables de suma a\(l=-n+k\).
El siguiente:
\[\begin{aligned} \frac{d}{dx} \left[x^{-\nu}J_{\nu}(x) \right] &= 2^{-\nu}\frac{d}{dx} \left\{ \sum_{k=0}^{\infty}\frac{(-1)^{k}}{k!\Gamma(\nu+k+1)} \left(\frac{x}{2}\right)^{2k} \right\} \nonumber\\&= 2^{-\nu} \sum_{k=1}^{\infty}\frac{(-1)^{k}}{(k-1)!\Gamma(\nu+k+1)} \left(\frac{x}{2}\right)^{2k-1} \nonumber\\&= -2^{-\nu} \sum_{l=0}^{\infty}\frac{(-1)^{l}}{(l)!\Gamma(\nu+l+2)} \left(\frac{x}{2}\right)^{2l+1} \nonumber\\&= -2^{-\nu} \sum_{l=0}^{\infty}\frac{(-1)^{l}}{(l)!\Gamma(\nu+1+l+1)} \left(\frac{x}{2}\right)^{2l+1} \nonumber\\&= -x^{-\nu} \sum_{l=0}^{\infty}\frac{(-1)^{l}}{(l)!\Gamma(\nu+1+l+1)} \left(\frac{x}{2}\right)^{2l+\nu+1} \nonumber\\&= -x^{-\nu}J_{\nu+1}(x).\end{aligned} \nonumber \]Del mismo modo\[\begin{aligned} \frac{d}{dx} \left[x^{\nu}J_{\nu}(x) \right] &=x^{\nu}J_{\nu-1}(x).\end{aligned} \nonumber \]
La siguiente relación se puede obtener evaluando las derivadas en las dos ecuaciones anteriores, y resolviendo para\(J_{\nu}(x)\):
\[\begin{aligned} x^{-\nu}J'_{\nu}(x)-\nu x^{-\nu-1}J_{\nu}(x)&= -x^{-\nu}J_{\nu+1}(x),\\ x^{\nu}J_{\nu}(x)+\nu x^{\nu-1}J_{\nu}(x)&=x^{\nu}J_{\nu-1}(x).\end{aligned} \nonumber \]
Multiplica la primera ecuación por\(x^{\nu}\) y la segunda por\(x^{-\nu}\) y suma:
\[\begin{aligned} -2\nu \frac{1}{x}J_{\nu}(x) = -J_{\nu+1}(x)+J_{\nu-1}(x).\end{aligned} \nonumber \]
Después del reordenamiento de términos esto lleva a la expresión deseada.
Eliminando\(J_{\nu}\) entre las ecuaciones da (misma multiplicación, toma diferencia en su lugar)\[\begin{aligned} 2 J'_{\nu}(x) &=J_{\nu+1}(x)+J_{\nu-1}(x).\end{aligned} \nonumber \]
Integrar las relaciones diferenciales conduce a las relaciones integrales.
La función de Bessel es un tema inagotable — siempre hay propiedades más útiles de las que uno sabe. En la física matemática a menudo se utilizan libros especializados.

