【高等数学】贝塞尔函数

贝塞尔函数（Bessel functions）是数学中一类重要的特殊函数，通常用于解决涉及圆对称或球对称的微分方程。它们在物理学、工程学、天文学等多个领域都有广泛的应用，例如在波动方程、热传导方程、电磁波传播等问题中。

贝塞尔函数的定义

贝塞尔函数有多种类型，其中最基本的是第一类贝塞尔函数和第二类贝塞尔函数。

1. 第一类贝塞尔函数 $J_{\nu }(x)$：
   第一类贝塞尔函数定义为：
   $$J_{\nu }(x)=\frac{1}{\pi }{\int }_0^{\pi }\cos (\nu t-x\sin t)dt$$
   其中 $\nu$ 是一个实数或复数，称为阶数。
2. 第二类贝塞尔函数 $Y_{\nu }(x)$：
   第二类贝塞尔函数（也称为纽曼函数）定义为：
   $$Y_{\nu }(x)=\frac{J_{\nu }(x)\cos (\nu \pi )-J_{-\nu }(x)}{\sin (\nu \pi )}$$
   它在 $x\to 0$ 时趋于无穷大。
   此外，还有第三类贝塞尔函数（汉克尔函数）、修正贝塞尔函数等。

贝塞尔函数的性质

• 微分方程：第一类与第二类贝塞尔函数构成贝塞尔微分方程的通解：
  $$x^2\frac{d^{2}y}{d{x}^2}+x\frac{dy}{dx}+(x^2-{\nu }^2)y=0$$

• 递推关系:
  $$J_{\nu }^{\prime }(x)=\frac{J_{\nu +1}(x)+J_{\nu -1}(x)}{2}$$
  $$Y_{\nu }^{\prime }(x)=\frac{Y_{\nu +1}(x)+Y_{\nu -1}(x)}{2}$$

1. 对称性：
   $$J_{-\nu }(x)=(-1{)}^{\nu }{J}_{\nu }(x)$$

from sympy import *
from sympy.abc import x
nu=Symbol('nu',integer=True)
f = Function('f')
dsolve(Derivative(f(x), x, x)*x**2+x*Derivative(f(x),x)+(x**2-nu**2)*f(x),f(x))

Eq(f(x), C1*besselj(Abs(nu), x) + C2*bessely(Abs(nu), x))

验证 bessel 函数满足 bessel 微分方程

from sympy import symbols, Function, diff
from sympy.functions.special.bessel import besselj
# 定义符号
x, nu = symbols('x nu')
J = Function('J')(nu, x)  # J_nu(x)
Y = Function('Y')(nu, x)  # Y_nu(x)
# 第一类贝塞尔函数 J_nu(x) 的一阶和二阶导数
J_prime = diff(besselj(nu, x), x)
J_double_prime = diff(J_prime, x)
# 第二类贝塞尔函数 J_nu(x) 的一阶和二阶导数
Y_prime = diff(bessely(nu, x), x)
Y_double_prime = diff(Y_prime, x)
# 贝塞尔微分方程的左侧
besselj_diffeq = x**2 * J_double_prime + x * J_prime + (x**2 - nu**2) * besselj(nu, x)
besselj_diffeq.simplify()
bessely_diffeq = x**2 * Y_double_prime + x * Y_prime + (x**2 - nu**2) * bessely(nu, x)
bessely_diffeq.simplify()

0
0

Hankel函数

第一类 Hankel 函数

$H_{\nu }^{(1)}(x)=J_{\nu }(x)+i{Y}_{\nu }(x)$

$H_{\nu }^{(2)}(x)=J_{\nu }(x)-i{Y}_{\nu }(x)$