aszimptotikus analízis - eötvös loránd university · 2. fejezet alapfogalmak 2.4. Állítás....

28

Upload: others

Post on 27-Jan-2020

0 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Aszimptotikus Analízis - Eötvös Loránd University · 2. fejezet Alapfogalmak 2.4. Állítás. Néhány gyszer¶e tulajdonság: 1. Lgyene S n(x) = P n k=0 a k xk, ahol a k az ffüggvény

Aszimptotikus Analízis

Szakdolgozat

Írta: Kántor Endre

Matematika BSc

Alkalmazott matematikus szakirány

Témavezet®:

Tóth Árpád

egyetemi docens

Analízis Tanszék

Eötvös Loránd Tudományegyetem

Természettudományi Kar

2011

Page 2: Aszimptotikus Analízis - Eötvös Loránd University · 2. fejezet Alapfogalmak 2.4. Állítás. Néhány gyszer¶e tulajdonság: 1. Lgyene S n(x) = P n k=0 a k xk, ahol a k az ffüggvény
Page 3: Aszimptotikus Analízis - Eötvös Loránd University · 2. fejezet Alapfogalmak 2.4. Állítás. Néhány gyszer¶e tulajdonság: 1. Lgyene S n(x) = P n k=0 a k xk, ahol a k az ffüggvény

Köszönetnyilvánítás

Szeretnék köszönetet mondani témavezet®mnek, Tóth Árpádnak, aki hasz-

nos ötleteivel és tanácsaival segített e dolgozat megírásában. Köszönettel

tartozom még a családomnak támogatásukért és bátorításukért.

Budapest, 2011 május 30.

Kántor Endre

Page 4: Aszimptotikus Analízis - Eötvös Loránd University · 2. fejezet Alapfogalmak 2.4. Állítás. Néhány gyszer¶e tulajdonság: 1. Lgyene S n(x) = P n k=0 a k xk, ahol a k az ffüggvény

Tartalomjegyzék

1. Bevezet® 3

2. Alapfogalmak 4

3. Bessel-függvények 7

3.1. Bessel-egyenlet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

3.2. Els®fajú Bessel-függvények . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

3.3. Másodfajú Bessel-függvények . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

3.4. A Bessel-függvény integrál alakja . . . . . . . . . . . . . . . . 11

4. A Bessel-függvények aszimptotikus viselkedése 14

4.1. A Bessel-integrál kiszámítása

komplex vonalintegrálként . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

4.2. A Hankel-függvények . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

4.3. A Hankel-függvények aszimptotikája . . . . . . . . . . . . . . 19

4.4. J0 és Y0 aszimptotikája . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

5. A Bessel-függvény egy alkalmazása 23

Irodalomjegyzék 26

Page 5: Aszimptotikus Analízis - Eötvös Loránd University · 2. fejezet Alapfogalmak 2.4. Állítás. Néhány gyszer¶e tulajdonság: 1. Lgyene S n(x) = P n k=0 a k xk, ahol a k az ffüggvény

1. fejezet

Bevezet®

Az aszimptotikus analízis célja valós függvények végtelenben történ® viselke-

désének vizsgálata. Gyakran bonyolultabb formában, pl. határozott integrál-

ként vagy Taylor-sorral megadott függvények nagy számokon vett értékeire

adunk elemibb alakot. A dolgozatomban el®ször az aszimptotikus analízis

alapfogalmait ismertetem, majd a Bessel-függvényeken keresztül mutatok be

egy módszert ezek alkalmazására.

3

Page 6: Aszimptotikus Analízis - Eötvös Loránd University · 2. fejezet Alapfogalmak 2.4. Állítás. Néhány gyszer¶e tulajdonság: 1. Lgyene S n(x) = P n k=0 a k xk, ahol a k az ffüggvény

2. fejezet

Alapfogalmak

2.1. De�níció. Legyenek f(z) és g(z) a komplex sík egy H részhalmazán

értelmezett függvények, z0 ∈ H.

Ekkor f(z) = O(g(z)) (f nagy ordó g), amint z → z0, ha létezik egy K

konstans és z0-nak egy olyan U ⊂ H környezete, hogy minden U-beli z esetén

|f(z)| ≤ K|g(z)|.

2.2. De�níció. Legyenek f(z) és g(z) a komplex sík egy H részhalmazán

értelmezett függvények, z0 ∈ H.

Ekkor f(z) = o(g(z)) (f kis ordó g), amint z → z0, ha minden ε pozitív

számhoz létezik z0-nak olyan Uε környezete, hogy |f(z)| ≤ ε|g(z)| minden

z ∈ Uε-ra.

2.1. Megjegyzés. Ha g(z) nem 0 z0 egy kipontozott környezetében, akkor

f(z) = o(g(z)) azzal ekvivalens, hogy f(z)g(z)→ 0.

2.1. Állítás. Ha f(z) = o(g(z)) amint z → z0, akkor f(z) = O(g(z)) amint

z → z0.

2.2. Állítás. Ha f(z) = O(g(z)), g(z) = O(h(z)), akkor f(z) = O(h(z)).

4

Page 7: Aszimptotikus Analízis - Eötvös Loránd University · 2. fejezet Alapfogalmak 2.4. Állítás. Néhány gyszer¶e tulajdonság: 1. Lgyene S n(x) = P n k=0 a k xk, ahol a k az ffüggvény

2. fejezet Alapfogalmak

2.3. Állítás. Ha f(z) = o(g(z)), g(z) = o(h(z)), akkor f(z) = o(h(z)).

2.3. De�níció. Legyenek f(z) és g(z) a komplex sík egy H részhalmazán

értelmezett függvények, z0 ∈ H, és g(z) nem nulla z0 egy kipontozott környe-

zetében.

Ekkor f(z) ∼ g(z) (aszimptotikusan egyenl®), ha f(z)g(z)→ 1 amint z → z0.

2.2. Megjegyzés. Ez azzal ekvivalens, hogy f(z) = g(z) + o(g(z)), amint

z → z0.

2.4. De�níció. Legyenek a φn(z) függvények értelmezve a H ⊆ C halmazon,

z0 ∈ H.

Ekkor a {φn(z)} sorozat aszimptotikus sorozat, ha φn+1(z) = o(φn(z)) min-

den n-re, amint z → z0.

2.5. De�níció. Legyen {φn(z)} egy aszimptotikus sorozat.

Ekkor∞∑n=0

anφn(z)

az f(z) függvény aszimptotikus sora, ha minden N-re

f(z) =N∑n=0

anφn(z) + o(φN(z)), amint z → z0

2.6. De�níció. Az f(x) = a0 + a1x

+ a2x2

+ a3x3

+ . . . alakú kifejezés az f(x)

függvény aszimptotikus hatványsora, ha minden rögzített n-re

f(x) = a0 +a1x

+a2x2

+ . . .+an + εn(x)

xn

ahol εn(x)→ 0, ha x→∞.

5

Page 8: Aszimptotikus Analízis - Eötvös Loránd University · 2. fejezet Alapfogalmak 2.4. Állítás. Néhány gyszer¶e tulajdonság: 1. Lgyene S n(x) = P n k=0 a k xk, ahol a k az ffüggvény

2. fejezet Alapfogalmak

2.4. Állítás. Néhány egyszer¶ tulajdonság:

1. Legyen Sn(x) =∑n

k=0akxk, ahol ak az f függvény aszimptotikus hatvány-

sorának együtthatói. Ekkor f(x)− Sn−1(x) = o( 1xn

).

2. f és g aszimptotikus hatványsorainak összege f + g aszimptotikus hat-

ványsora.

3. Egy adott függvénynek egyértelm¶ az aszimptotikus hatványsora.

4. Ugyanakkor két különböz® függvényhez tartozhat ugyanaz az aszimpto-

tikus hatványsor.

Pl. e−x aszimptotikus hatványsora 0 + 0 + . . ., ezért f(x) és f(x) + e−x

aszimptotikus hatványsora ugyanaz.

5. Egy függvénynek nem feltétlenül létezik aszimptotikus hatványsora.

Pl. ex-nek nem létezik aszimptotikus hatványsora, mert ex → ∞, ha

x→∞.

6. Legyen f(x) olyan függvény, melynek létezik az összes deriváltja az x =

0 pontban. Ekkor az

f(x) = f(0) + xf ′(x) +x2

2!f ′′(x) + . . .

kifejezésbe 1x-et helyettesítve kapjuk, hogy:

f

(1

x

)= f(0) +

f ′(0)

x+f ′′(0)

x2+ . . .

ami az f(1/x) aszimptotikus hatványsora. ([5] 282.o. 11.4.Tétel)

6

Page 9: Aszimptotikus Analízis - Eötvös Loránd University · 2. fejezet Alapfogalmak 2.4. Állítás. Néhány gyszer¶e tulajdonság: 1. Lgyene S n(x) = P n k=0 a k xk, ahol a k az ffüggvény

3. fejezet

Bessel-függvények

Ebben a fejezetben a Bessel-függvényeket és néhány alaptulajdonságukat te-

kintjük át. A Bessel-függvényeket el®ször Bernoulli használta, kés®bb Fried-

rich Bessel német matematikus és csillagász általánosította a 19. század-

ban. A több tömegponttal rendelkez® rendszerek gravitációjának vizsgálata-

kor dolgozta ki az elméletet. Ezen kívül a �zika sok területén alkalmazzák

a Bessel-függvényeket, ugyanis bizonyos di�erenciálegyenletek megoldásánál

nagyon fontosak. Ilyenek pl. a h®terjedés, elektromosság vagy hullámok ter-

jedése, hengerszer¶ testek viselkedése, membránok rezgése, hidrodinamika és

még számos egyéb terület.

3.1. Bessel-egyenlet

A fentebb említett problémák gyakran vezetnek a következ® másodrend¶

közönséges lineáris di�erenciálegyenletre:

x2y′′ + xy′ + (x2 − n2)y = 0 (3.1)

7

Page 10: Aszimptotikus Analízis - Eötvös Loránd University · 2. fejezet Alapfogalmak 2.4. Állítás. Néhány gyszer¶e tulajdonság: 1. Lgyene S n(x) = P n k=0 a k xk, ahol a k az ffüggvény

3. fejezet Bessel-függvények

Egy másik, ekvivalens felírása az egyenletnek:

y′′ +1

xy′ +

(1− n2

x2

)y = 0 (3.2)

Mivel az egyenlet másodrend¶, két lineárisan független megoldása van. Ezek

meghatározzák az els®- és másodfajú Bessel-függvényeket (Jn(x) és Yn(x)).

3.2. Els®fajú Bessel-függvények

A Bessel-egyenlet azon megoldásait nevezzük els®fajú Bessel-függvényeknek,

amelyek regulárisak az origóban (a másodfajú Bessel-függvények szingulári-

sak az x = 0 pontban).

Szokás még hatványsorral de�niálni a Bessel-függvényt, ekkor

Jn(x) =∞∑m=0

(−1)m

m!(m+ n)!

(1

2x

)2m+n

(3.3)

n = 0 speciális esetben

J0(x) = 1− x2

22+

x4

2242− x6

224262+ . . . (3.4)

3.1. Állítás. J ′0(x) = −J1(x)

Bizonyítás:

J ′0(x) =

(∞∑m=0

(−1)mx2m

(m!)222m

)′=

∞∑m=1

(−1)m2mx2m−1

(m!)222m=

=∞∑m=0

(−1)m+12(m+ 1)x2m+1

((m+ 1)!)222m+2= −2x

22

∞∑m=0

(−1)m(m+ 1)x2m

((m+ 1)!)222m=

8

Page 11: Aszimptotikus Analízis - Eötvös Loránd University · 2. fejezet Alapfogalmak 2.4. Állítás. Néhány gyszer¶e tulajdonság: 1. Lgyene S n(x) = P n k=0 a k xk, ahol a k az ffüggvény

3. fejezet Bessel-függvények

= −x2

∞∑m=0

(−1)mx2m

m!(m+ 1)!22m= −J1(x)

3.2. Állítás. (xJ1(x))′ = xJ0(x)

Bizonyítás:

(xJ1(x))′ =

(x2

2

∞∑m=0

(−1)mx2m

m!(m+ 1)!22m

)′=

(1

2

∞∑m=0

(−1)mx2(m+1)

m!(m+ 1)!22m

)′=

=1

2

∞∑m=1

(−1)m2(m+ 1)x2m+1

m!(m+ 1)!22m=

∞∑m=0

(−1)mxx2m

m!m!22m= xJ0(x)

3.3. Állítás. J0(x) kielégíti a Bessel-egyenletet.

Bizonyítás: xJ ′′0 (x) +J ′0(x) +xJ0(x) = (xJ ′0(x))′+xJ0(x) = −(xJ1(x))′+

xJ0(x) = −xJ0(x) + xJ0(x) = 0

3.1. Megjegyzés. Általánosabban, valós α-ra is de�niálhatjuk Jα(x)-et:

Jα(x) =∞∑m=0

(−1)m

m!Γ(m+ α + 1)

(1

2x

)2m+α

(3.5)

ahol Γ(z) a Gamma-függvény.

9

Page 12: Aszimptotikus Analízis - Eötvös Loránd University · 2. fejezet Alapfogalmak 2.4. Állítás. Néhány gyszer¶e tulajdonság: 1. Lgyene S n(x) = P n k=0 a k xk, ahol a k az ffüggvény

3. fejezet Bessel-függvények

3.3. Másodfajú Bessel-függvények

A másodfajú Bessel-függvény a Bessel-egyenlet Jn-t®l lineárisan független

megoldása.

Legyen v = Jn(x) az egyik megoldás, és u a másik. Ekkor

xu′′ + u′ + xu = 0 (3.6)

xv′′ + v′ + xv = 0 (3.7)

Vegyük v × (3.6)− u× (3.7)-t:

x(u′′v − uv′′) + u′v − uv′ = 0 (3.8)

d

dx[x(u′v − uv′)] = 0 (3.9)

Így x(u′v − uv′) = B konstans. Osszunk xv2-tel:

B

xv2=u′v − uv′

v2=

d

dx

(uv

)(3.10)

u

v= A+B

∫dx

xv2(3.11)

Átrendezve, és v = Jn(x)-et behelyettesítve:

u = AJn(x) +BJn(x)

∫dx

xJ2n(x)

= A′Jn(x) +B′Yn(x) (3.12)

ahol Yn(x) a másodfajú Bessel-függvény.

10

Page 13: Aszimptotikus Analízis - Eötvös Loránd University · 2. fejezet Alapfogalmak 2.4. Állítás. Néhány gyszer¶e tulajdonság: 1. Lgyene S n(x) = P n k=0 a k xk, ahol a k az ffüggvény

3. fejezet Bessel-függvények

3.4. A Bessel-függvény integrál alakja

Gyakran célszer¶bb egy határozott integrálként felírni Jn-t, pl. amikor a

következ® fejezetben az aszimptotikus viselkedését vizsgáljuk.

A következ® két formulát használjuk fel:

eix sin θ = 1 +ix sin θ

1!+

(ix sin θ)2

2!+ . . . (3.13)

∫ 2π

0

sinn θdθ =

0 ha n páratlan(n−1)(n−3)···3·1n(n−2)···4·2 ha n páros

(3.14)

Ezekb®l:

∫ 2π

0

eix sin θdθ =

∫ 2π

0

(1 +

ix sin θ

1!+

(ix sin θ)2

2!+ . . .

)dθ =

=

∫ 2π

0

dθ +

∫ 2π

0

ix sin θ

1!dθ +

∫ 2π

0

(ix sin θ)2

2!dθ + . . . =

11

Page 14: Aszimptotikus Analízis - Eötvös Loránd University · 2. fejezet Alapfogalmak 2.4. Állítás. Néhány gyszer¶e tulajdonság: 1. Lgyene S n(x) = P n k=0 a k xk, ahol a k az ffüggvény

3. fejezet Bessel-függvények

= 2π + 0 + 2π(ix)2

2!

1

2+ 0 + 2π

(ix)4

4!

3 · 14 · 2

+ . . . =

= 2π

(1− x2

22+

x4

4222− x6

624222± . . .

)∫ 2π

0

eix sin θdθ = 2πJ0(x)

Tehát:

J0(x) =1

∫ 2π

0

eix sin θdθ (3.15)

3.2. Megjegyzés. Néhány ekvivalens alak:

J0(x) =1

π

∫ π2

−π2

eix sin θdθ (3.16)

J0(x) =1

π

∫ π

0

eix cos θdθ (3.17)

J0(x) =2

π

∫ π2

0

cos(x sin θ)dθ (3.18)

J0(x) =2

π

∫ π2

0

sin(x cos θ)dθ (3.19)

3.3. Megjegyzés. Általánosabban, egész n-re:

Jn(x) =1

π

∫ π

0

cos(nθ − x sin θ)dθ (3.20)

Jn(x) =1

∫ π

−πe−i(nθ−x sin θ)dθ (3.21)

12

Page 15: Aszimptotikus Analízis - Eötvös Loránd University · 2. fejezet Alapfogalmak 2.4. Állítás. Néhány gyszer¶e tulajdonság: 1. Lgyene S n(x) = P n k=0 a k xk, ahol a k az ffüggvény

3. fejezet Bessel-függvények

3.4. Megjegyzés. Valós α-ra:

Jα(x) =1

π

∫ π

0

cos(nθ − x sin θ)dθ − sin(απ)

π

∫ ∞0

e−x sinh(t)−αtdt (3.22)

vagy ha α > −12:

Jα(x) =1

2α−1Γ(α + 12)√πxα

∫ x

0

(x2 − θ2)α−12 cos θdθ (3.23)

3.1. De�níció. Jn fentebb írt alakjait nevezik Bessel-integrálnak is.

13

Page 16: Aszimptotikus Analízis - Eötvös Loránd University · 2. fejezet Alapfogalmak 2.4. Állítás. Néhány gyszer¶e tulajdonság: 1. Lgyene S n(x) = P n k=0 a k xk, ahol a k az ffüggvény

4. fejezet

A Bessel-függvények

aszimptotikus viselkedése

Most az a célunk, hogy valami egyszer¶bb alakot találjunk Jn(x)-nek és

Yn(x)-nek (pl. elemi függvényre vezessük vissza), ha x nagyon nagy.

Ehhez a komplex függvénytanban ismert módszereket használunk. Vesszük

J0 integrál alakját, és egy végtelenbe nyúló Jordan-görbe mentén számoljuk

ki az értékét.

4.1. A Bessel-integrál kiszámítása

komplex vonalintegrálként

Tekintsük J0 következ® alakját:

J0(x) =1

π

∫ π2

−π2

eix sin θdθ (4.1)

14

Page 17: Aszimptotikus Analízis - Eötvös Loránd University · 2. fejezet Alapfogalmak 2.4. Állítás. Néhány gyszer¶e tulajdonság: 1. Lgyene S n(x) = P n k=0 a k xk, ahol a k az ffüggvény

4. fejezet A Bessel-függvények aszimptotikus viselkedése

Legyen t = sin θ, dθ = dt√1−t2 . Ekkor

J0(x) = limδ→0

1

π

∫ 1−δ

−1+δ

eixt√1− t2

dt (4.2)

Legyen

y(x) = limδ→0

∫ 1−δ

−1+δ

eixt√1− t2

dt (4.3)

Ekkor y megoldása a Bessel-egyenletnek:

y′ = limδ→0

∫ 1−δ

−1+δ

iteixt√1− t2

dt (4.4)

y′′ = limδ→0

∫ 1−δ

−1+δ

−t2eixt√1− t2

dt (4.5)

xy′′ + y′ + xy = x(y′′ + y) + y′ = limδ→0

∫ 1−δ

−1+δ

(xeixt

1− t2√1− t2

+iteixt√1− t2

)dt =

= limδ→0

∫ 1−δ

−1+δ

(xeixt√

1− t2 +iteixt√1− t2

)dt = lim

δ→0

∫ 1−δ

−1+δ−id[√

1− t2eixt]dt

dt =

= limδ→0−i[√

1− t2eixt]1−δt=−1+δ

= −i[√

1− t2eixt]1t=−1

(4.6)

Most tekintsük az

y =

∫[a,b]

eixt√1− t2

dt (4.7)

komplex vonalintegrált. Ekkor, mint el®bb,

xy′′ + y′ + xy =[−i√

1− t2eixt]ba

(4.8)

15

Page 18: Aszimptotikus Analízis - Eötvös Loránd University · 2. fejezet Alapfogalmak 2.4. Állítás. Néhány gyszer¶e tulajdonság: 1. Lgyene S n(x) = P n k=0 a k xk, ahol a k az ffüggvény

4. fejezet A Bessel-függvények aszimptotikus viselkedése

Ha a→ 1 vagy a→ −1, és b = iη, η →∞, akkor

[−i√

1− t2eixt]ba

= −i(√

1− b2eixb − 0)

= −i√

1− i2η2eixiη =

= −i√

1 + η2e−xη → 0 (4.9)

Legyen γ az ábrán látható ABCDEF pontok által meghatározott görbe.

γ ∪ intγ-n eixt√1−t2 reguláris, ezért a Cauchy-tétel miatt

∫γ

eixt√1− t2

dt = 0 (4.10)

16

Page 19: Aszimptotikus Analízis - Eötvös Loránd University · 2. fejezet Alapfogalmak 2.4. Állítás. Néhány gyszer¶e tulajdonság: 1. Lgyene S n(x) = P n k=0 a k xk, ahol a k az ffüggvény

4. fejezet A Bessel-függvények aszimptotikus viselkedése

Az AB, CD és EF vonalakon az integrál értéke a 0-hoz tart, ha R → ∞

és r → 0, így

∫[−1+iR,−1+ir]

eixt√1− t2

dt+

∫[−1+r,1−r]

eixt√1− t2

dt+

∫[1+ir,1+iR]

eixt√1− t2

dt→ 0

(4.11)

ha r → 0 és R→∞.

4.2. A Hankel-függvények

4.1. De�níció. Legyenek:

−π2H

(1)0 (x) = lim

R→∞,r→0

∫[1+ir,1+iR]

eixt√1− t2

dt (4.12)

−π2H

(2)0 (x) = lim

R→∞,r→0

∫[−1+iR,−1+ir]

eixt√1− t2

dt (4.13)

H(1)0 (x) és H(2)

0 (x) az úgynevezett Hankel-függvények.

4.24 miatt

J0(x) =1

2

(H

(1)0 (x) +H

(2)0 (x)

)(4.14)

Most a komplex síkbeli szakasz helyett szeretnénk egy valós intervallumon

integrálni, és szebb alakra hozni a kapott kifejezést.

Legyen t = 1 + iη, dt = idη. Ekkor:

√1− t2 =

√−2iη + η2 =

√−2i

(η +

1

2iη2)

=√−2i

√η +

1

2iη2 (4.15)

−π2H

(1)0 (x) =

∫[F,H]

eixt√1− t2

dt =

∫ ∞0

eix(1+iη)idη√−2i

√η + 1

2iη2

=

17

Page 20: Aszimptotikus Analízis - Eötvös Loránd University · 2. fejezet Alapfogalmak 2.4. Állítás. Néhány gyszer¶e tulajdonság: 1. Lgyene S n(x) = P n k=0 a k xk, ahol a k az ffüggvény

4. fejezet A Bessel-függvények aszimptotikus viselkedése

=eixi√2√−i

∫ ∞0

e−xη√η + 1

2iη2

dη =eixi√2e−

π4

∫ ∞0

e−xη√η + 1

2iη2

dη (4.16)

H(1)0 (x) = − 2

π

eixi√2e−

π4

∫ ∞0

e−xη√η + 1

2iη2

dη =−i√

2eix+π4i

π

∫ ∞0

e−xη√η + 1

2iη2

dη =

=

√2

πe−

π2iei(x+

π4)

∫ ∞0

e−xη√η + 1

2iη2

dη =

√2

πei(x−

π4)

∫ ∞0

e−xη√η + 1

2iη2

dη (4.17)

Most helyettesítsünk be u = xη-t. Így η = ux, dη = du

x. Ekkor

H(1)0 (x) =

√2

πei(x−

π4)

∫ ∞0

e−u√ux

+ 12i(ux

)2 dux =

√2

πei(x−

π4)

∫ ∞0

e−u√ux

√1 + iu

2x

du

x=

=

√2

πei(x−

π4)

∫ ∞0

e−u√x

√u√

1 + iu2x

du

x=

√2

π√xei(x−

π4)

∫ ∞0

e−u√u

(1 +

iu

2x

)− 12

du

H(1)0 (x) =

(2

πx

) 12 1√

xei(x−

π4)

∫ ∞0

e−u√u

(1 +

iu

2x

)− 12

du (4.18)

Hasonló módon kijön, hogy

H(2)0 (x) =

(2

πx

) 12 1√

xe−i(x−

π4)

∫ ∞0

e−u√u

(1− iu

2x

)− 12

du (4.19)

Azaz H(1)0 (x) és H(2)

0 (x) egymás konjugáltjai, és a valós részük J0(x). Be

lehet látni azt is, hogy a képzetes részük Y0(x). Összefoglalva:

H(1)0 (x) = J0(x) + iY0(x) (4.20)

H(2)0 (x) = J0(x)− iY0(x) (4.21)

18

Page 21: Aszimptotikus Analízis - Eötvös Loránd University · 2. fejezet Alapfogalmak 2.4. Állítás. Néhány gyszer¶e tulajdonság: 1. Lgyene S n(x) = P n k=0 a k xk, ahol a k az ffüggvény

4. fejezet A Bessel-függvények aszimptotikus viselkedése

J0(x) =1

2

(H

(1)0 (x) +H

(2)0 (x)

)(4.22)

Y0(x) = −1

2i(H

(1)0 (x)−H(2)

0 (x))

(4.23)

4.3. A Hankel-függvények aszimptotikája

Írjuk H(1)0 (x)-t a következ® alakban:

H(1)0 (x) =

√2

πx

1√xei(x−

π4)f

(1

x

)(4.24)

ahol

f(x) =

∫ ∞0

e−u√u

√1 +

iux

2du (4.25)

2.4/6-et szeretnénk alkalmazni f(x)-re, hogy megkapjuk H(1)0 (x) aszimpto-

tikus hatványsorát. Ehhez azt kell belátni, hogy f(x)-nek létezik az összes

deriváltja az x = 0 pontban.

f ′(x) =

∫ ∞0

e−u√u

(1 +

iux

2

)− 12 1

2

iu

2du

f ′′(x) =

∫ ∞0

e−u√u

(1 +

iux

2

)− 32 1

2

(−1

2

)(iu

2

)2

du

...

f (n)(x) =

∫ ∞0

(−1)n−1e−u√u

(1 +

iux

2

) 12−n

1 · 3 · 5 · · · (2n− 1)

2n

(iu

2

)ndu

Azért tudunk bederiválni, mert az integrandus egyszerre folytonos x-ben és

u-ban is.

f (n)(0) = (−1)n−11 · 3 · 5 · · · (2n− 1)

2n

(i

2

)n ∫ ∞0

e−uun−12du =

19

Page 22: Aszimptotikus Analízis - Eötvös Loránd University · 2. fejezet Alapfogalmak 2.4. Állítás. Néhány gyszer¶e tulajdonság: 1. Lgyene S n(x) = P n k=0 a k xk, ahol a k az ffüggvény

4. fejezet A Bessel-függvények aszimptotikus viselkedése

= (−1)n−11 · 3 · 5 · · · (2n− 1)

2n

(i

2

)nΓ

(n+

1

2

)=

= (−1)n−11232 · · · (2n− 1)2in√π

8n(4.26)

Tehát f (n)(0) létezik minden n-re, ezért nagy x-ekre f(1x

)a következ®

aszimptotikus hatványsorral írható fel:

f

(1

x

)= f(0) +

f ′(0)

1!x+f ′′(0)

2!x2+ . . . =

=√π − i

√π

8x+

1222

2!

i2√π

(8x)2− 123252

3!

i3√π

(8x)3+ . . . =

=√π

(1− i

8x+

1222

2!

i2

(8x)2− 123252

3!

i3

(8x)3+ . . .

)(4.27)

Ezt 4.24-be behelyettesítve kapjuk, hogy

H(1)0 (x) =

√2

πxei(x−

π4)

(1− i

8x+

1222

2!

i2

(8x)2− 123252

3!

i3

(8x)3+ . . .

)(4.28)

és i helyére −i-t írva:

H(2)0 (x) =

√2

πxe−i(x−

π4)

(1 +

i

8x+

1222

2!

i2

(8x)2+

123252

3!

i3

(8x)3+ . . .

)(4.29)

4.4. J0 és Y0 aszimptotikája

J0 aszimptotikus sorát a Hankel-függvények segítségével fogjuk meghatá-

rozni. Legyen

P = 1− 1232

2!

1

(8x)2+

12325272

4!

1

(8x)4− . . . (4.30)

20

Page 23: Aszimptotikus Analízis - Eötvös Loránd University · 2. fejezet Alapfogalmak 2.4. Állítás. Néhány gyszer¶e tulajdonság: 1. Lgyene S n(x) = P n k=0 a k xk, ahol a k az ffüggvény

4. fejezet A Bessel-függvények aszimptotikus viselkedése

Q =1

8x− 123252

3!

1

(8x)3+ . . . (4.31)

Ekkor a Hankel-függvények aszimptotikus sorát a következ® alakban írhatjuk:

H(1)0 (x) =

√2

πxei(x−

π4) (P − iQ) (4.32)

H(2)0 (x) =

√2

πxe−i(x−

π4) (P + iQ) (4.33)

Ezeket 4.14-be behelyettesítve a következ®t kapjuk:

J0(x) =1

2

(H

(1)0 (x) +H

(2)0 (x)

)=

1

2

√2

πx

(ei(x−

π4)(P−iQ)+e−i(x−

π4)(P+iQ)

)=

=1

2

√2

πx

[(cos(x− π

4

)+ i sin

(x− π

4

))(P − iQ)+

+

(cos(x− π

4

)− i sin

(x− π

4

))(P + iQ)

]=

=1

2

√2

πx

[2P cos

(x− π

4

)+ 2Q sin

(x− π

4

)]=

=

√2

πx

[P cos

(x− π

4

)+Q sin

(x− π

4

)](4.34)

Hasonló gondolatmenettel kijön 4.23-b®l, hogy

Y0(x) =

√2

πx

[P sin

(x− π

4

)−Q cos

(x− π

4

)](4.35)

A 2.5 de�níció miatt:

J0(x) =

√2

πx

[(1 + o(1)

)cos(x− π

4

)+

(1

8x+ o

(1

8x

))sin(x− π

4

)]

21

Page 24: Aszimptotikus Analízis - Eötvös Loránd University · 2. fejezet Alapfogalmak 2.4. Állítás. Néhány gyszer¶e tulajdonság: 1. Lgyene S n(x) = P n k=0 a k xk, ahol a k az ffüggvény

4. fejezet A Bessel-függvények aszimptotikus viselkedése

Ezért az alábbi egyszer¶bb alakok írhatók:

J0(x) =

√2

πx

[cos(x− π

4

)+ p(x)

](4.36)

Y0(x) =

√2

πx

[sin(x− π

4

)+ q(x)

](4.37)

ahol p(x) és q(x) tartanak 0-hoz, ha x→∞.

4.1. Megjegyzés. Ez nem is annyira meglep® eredmény, hiszen J−1/2(x) és

J1/2(x) minden x-re

J−1/2(x) =

√2

πxcosx (4.38)

J1/2(x) =

√2

πxsinx (4.39)

22

Page 25: Aszimptotikus Analízis - Eötvös Loránd University · 2. fejezet Alapfogalmak 2.4. Állítás. Néhány gyszer¶e tulajdonság: 1. Lgyene S n(x) = P n k=0 a k xk, ahol a k az ffüggvény

5. fejezet

A Bessel-függvény egy

alkalmazása

Egy egyenletes n húzóer®vel kifeszített kör alakú membrán szabadrezgését

vizsgáljuk. A membrán anyaga homogén, tömegeloszlása egyenletes, állandó

h vastagsága és ρ s¶r¶sége van. Jelölje w(r, θ, t) az id®t®l és helyt®l függ®

rezgésalakját a körmembránnak. A következ® di�erenciálegyenletet írhatjuk

fel w-re:

4w =ρh

n

∂2w

∂t2(5.1)

Tegyük fel, hogy a keresett mozgás valamilyen harmonikus rezg®mozgások

összege. Így w-t

w(r, θ, t) = w(r, θ) cosωt (5.2)

alakban kereshetjük. Ekkor w deriváltjai a következ®k:

∂w(r, θ, t)

∂t= − sin(ωt)ωw(r, θ)

∂2w(r, θ, t)

∂t2= − cos(ωt)ω2w(r, θ)

23

Page 26: Aszimptotikus Analízis - Eötvös Loránd University · 2. fejezet Alapfogalmak 2.4. Állítás. Néhány gyszer¶e tulajdonság: 1. Lgyene S n(x) = P n k=0 a k xk, ahol a k az ffüggvény

5. fejezet A Bessel-függvény egy alkalmazása

Ezt 5.1-be helyettesítve abból kiejthet® kiejthet® az id®t®l függ® szorzóté-

nyez®:

4w(r, θ, t) = 4w(r, θ) cos(ωt) = −ρhn

cos(ωt)ω2w(r, θ)

4w(r, θ) = −ρhnω2w(r, θ) (5.3)

Az egyenletet átrendezve egy kétváltozós, paraméteres homogén di�erenciál-

egyenletet kapunk:

4w(r, θ) +ρh

nω2w(r, θ) = 0 (5.4)

Hogy egyszer¶sítsük, tegyük fel hogy

w(r, θ) = wk(r) cos(kθ) (5.5)

alakú, ahol k = 0, 1, 2, . . .

Ezt 5.4-be helyettesítve, és 4w-t polárkoordinátákkal felírva:

4w =1

r

∂r

(r∂w

∂r

)+

1

r2∂2w

∂θ2=

1

r

∂w

∂r+∂2w

∂r2+

1

r2∂2w

∂θ2

∂w(r)

∂r=∂wk(r)

∂rcos(kθ)

∂2w(r)

∂r2=∂2wk(r)

∂r2cos(kθ)

∂w(r)

∂θ= −wk(r) sin(kθ)k

∂2w(r)

∂θ2= −wk(r) cos(kθ)k2

4w(r, θ) =1

r

∂wk(r)

∂rcos(kθ) +

∂2wk(r)

∂r2cos(kθ)− k2

r2wk(r) cos(kθ)

1

r

∂wk(r)

∂rcos(kθ)+

∂2wk(r)

∂r2cos(kθ)−k

2

r2wk(r) cos(kθ)+

ρhω2

nwk(r) cos(kθ) = 0

24

Page 27: Aszimptotikus Analízis - Eötvös Loránd University · 2. fejezet Alapfogalmak 2.4. Állítás. Néhány gyszer¶e tulajdonság: 1. Lgyene S n(x) = P n k=0 a k xk, ahol a k az ffüggvény

5. fejezet A Bessel-függvény egy alkalmazása

A θ-tól függ® tagot kiejtve:

∂2wk∂r2

+1

r

∂wk∂r

+

(ρhω2

n− k2

r2

)wk = 0 (5.6)

Az

x = rω

√ρh

n

helyettesítéssel az alábbi Bessel-egyenletet kapjuk:

∂2wk(x)

∂x2+

1

x

∂wk(x)

∂x+

(1− k2

x2

)wk(x) = 0 (5.7)

Ennek az egyenletnek megoldásai a Jk(x) és Yk(x) függvények. De mivel a

másodfajú Bessel-függvények az x = 0 pont közelében a végtelenhez tartanak,

ezért ebben a konkrét �zikai feladatban nem lehetnek megoldások. Ezért a

membrán szabadrezgését csak az els®fajú Bessel-függvények adják:

wk(x) = CJk(x) (5.8)

ahol C tetsz®leges konstans.

25

Page 28: Aszimptotikus Analízis - Eötvös Loránd University · 2. fejezet Alapfogalmak 2.4. Állítás. Néhány gyszer¶e tulajdonság: 1. Lgyene S n(x) = P n k=0 a k xk, ahol a k az ffüggvény

Irodalomjegyzék

[1] Frank Bowman: Introduction to Bessel Functions

[2] Andrew Grey & G. B. Mathews: A treatise on Bessel Functions and their

Applications to Physics

[3] B. G. Korenev: Bessel Functions and Their Applications

[4] Simon J.A. Malham: An introduction to asymptotic analysis

[5] Laczkovich - T. Sós: Analízis I.

[6] Dr. Heged¶s István: Síkmembránok kis lehajlásai és rezgései

[7] http://en.wikipedia.org

[8] http://mathworld.wolfram.com

26