Функция Макдональда

Функция Макдональда

Модифици́рованные фу́нкции Бе́сселя - это функции Бесселя от мнимого аргумента.

Если в дифференциальном уравненни 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( z e^{\frac{i\pi}{2}}\right)=\sum^\infty_{k=0}\frac{\left( \dfrac{z}{2} \right)^{2k+\nu}}{k!\Gamma(k+\nu+1)} и ~I_{-\nu}(z).

Их называют модифицированными функциями Бесселя первого рода . Если ~\nu — вещественное число, а ~z — положительно 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

Содержание

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+\frac12)}\int_0^\pi e^{z\cos t}\left(\sin t\right)^{2\nu} dt, \qquad Re(\nu)>-\frac12, \Gamma(z)гамма-функция.


I_\nu (z)=\frac{2^{1-\nu}z^\nu}{\sqrt{\pi}\Gamma(\nu+\frac12)}\int_0^1 (1-t^2)^{\nu-\frac12}\cosh(zt) dt, \qquad Re(\nu)>-\frac12.


I_\nu (z)=\frac{2^{-\nu}z^\nu}{\sqrt{\pi}\Gamma(\nu+\frac12)}\int_{-1}^1 (1-t^2)^{\nu-\frac12} e^{-zt} dt, \qquad Re(\nu)>-\frac12.


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 Re(z)>0.


K_\nu (z)=\frac{\sqrt{\pi}z^\nu}{\Gamma(\nu+\frac12)}\int_1^\infty (t^2-1)^{\nu-\frac12}e^{-zt} dt, \qquad Re(\nu)>-\frac12, Re(z)>0.


K_\nu (z)=\frac{\sqrt{\pi}z^\nu}{\Gamma(\nu+\frac12)}\int_0^\infty e^{-z\cosh t}\left(\sinh t \right)^{2\nu} dt, \qquad Re(\nu)>-\frac12, Re(z)>0.

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.

См. также

Литература

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

Внешние ссылки


Wikimedia Foundation. 2010.

Игры ⚽ Нужен реферат?

Полезное


Смотреть что такое "Функция Макдональда" в других словарях:

  • МАКДОНАЛЬДА ФУНКЦИЯ — модифицированная цилиндрическая функция, бесселева функция мнимого аргумента, функция где v произвольное нецелое действительное число, цилиндрич. функция чисто мнимого аргумента. Рассмотрена X. Макдональдом [1]. Если п целое число, то М. ф. К… …   Математическая энциклопедия

  • Цилиндрические функции —         весьма важный с точки зрения приложений в физике и технике класс трансцендентных функций (См. Трансцендентные функции), являющихся решениями дифференциального уравнения:          (1)         где ν произвольный параметр. К этому уравнению… …   Большая советская энциклопедия

  • Список математических функций — Эта страница информационный список. В математике, многие функции и группы функций настолько важны, что заслужили право на собственные имена. Ниже приведён список статей, которые содержат подробные описания некоторых из таких функций …   Википедия

  • БЕССЕЛЕВ ПОТЕНЦИАЛ — потенциал вида где точки евклидова пространства борелевская мера на модифицированная цилиндрическая функция (или бесселева функция) 2 го рода порядка , или функция М …   Математическая энциклопедия

  • Функции Кельвина — Функции Кельвина  группа бесселевых функций. Каждая их пара представляют решения дифференциального уравнения: Введены Уильямом Томсоном (лордом Кельвином), который исследовал их в приложениях. Содержание 1 Функции Кельвина первого рода …   Википедия

  • Интеграл Зиверта — (интегральный секанс) специальная функция, возникающая в задачах о распространении излучения от протяжённого источника. Назван по имени шведского физика Рольфа Зиверта, который ввёл его в 1921 году.[1] Она представляет собой неберущийся интеграл …   Википедия

  • Рассеянный склероз — Эту статью следует викифицировать. Пожалуйста, оформите её согласно правилам оформления статей. Рассеянный склероз …   Википедия

  • ВЛОЖЕНИЯ ТЕОРЕМЫ — теоремы, относящиеся к циклу вопросов, посвященных изучению неравенств между нормами одной и той же функции, принадлежащей к разным классам (нормированным пространствам). Обычно речь идет о двух классах и , где есть часть и при этом выполняется… …   Математическая энциклопедия

  • Цилиндрические функции — Цилиндрические функции  общее название для специальных функций одного переменного, являющихся решениями обыкновенных дифференциальных уравнений, получающихся при применении метода разделения переменных для уравнений математической физики,… …   Википедия

  • МЕЙЕРА ПРЕОБРАЗОВАНИЕ — интегральное преобразование вида где Уиттекера функция. Формула обращения имеет вид где функция Уиттекера. При М. п. переходит в Лапласа преобразо вание;. при в преобразование: где …   Математическая энциклопедия


Поделиться ссылкой на выделенное

Прямая ссылка:
Нажмите правой клавишей мыши и выберите «Копировать ссылку»