![]() |
||
Главная Рефераты по международному публичному праву Рефераты по международному частному праву Рефераты по международным отношениям Рефераты по культуре и искусству Рефераты по менеджменту Рефераты по металлургии Рефераты по муниципальному праву Рефераты по налогообложению Рефераты по оккультизму и уфологии Рефераты по педагогике Рефераты по политологии Рефераты по праву Биографии Рефераты по предпринимательству Рефераты по психологии Рефераты по радиоэлектронике Рефераты по риторике Рефераты по социологии Рефераты по статистике Рефераты по страхованию Рефераты по строительству Рефераты по таможенной системе Сочинения по литературе и русскому языку Рефераты по теории государства и права Рефераты по теории организации Рефераты по теплотехнике Рефераты по технологии Рефераты по товароведению Рефераты по транспорту Рефераты по трудовому праву Рефераты по туризму Рефераты по уголовному праву и процессу Рефераты по управлению |
Курсовая работа: Функции БесселяКурсовая работа: Функции БесселяФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ СТЕРЛИТАМАКСКИЙ ФИЛИАЛ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСВТЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Экономический факультет Кафедра математики и информатики Курсовая работа на тему: Функции Бесселя Выполнил студент 2 курса группы ПМиИ-08 Александрова А.Ю._______ «___»____________2010г. Научный руководитель к.ф.-м.н., ст. пр. Сидоренко О.Г._______ «___»____________2010г. Стерлитамак 2010 Содержание Введение 1 Функции Бесселя с целым положительным значком 2 Функции Бесселя с произвольным значком 3 Общее представление цилиндрических функций. Функции Бесселя второго рода 4 Разложение в ряд функции Бесселя второго рода с целым значком 5 Функции Бесселя третьего рода 6 Функции Бесселя мнимого аргумента 7 Цилиндрические функции с индексом, равным половине нечетного целого числа 8 Асимптотические представления цилиндрических функций для больших значений аргумента 9 Нули цилиндрических функций 10 Пример Заключение Список литературы Введение Цилиндрическими функциями называются решения линейного дифференциального уравнения второго порядка
где
Термин «цилиндрические функции» обязан своим происхождением тому обстоятельству, что уравнение (1) встречается при рассмотрении краевых задач теории потенциала для цилиндрической области. Специальные классы цилиндрических функций известны в литературе под названием функций Бесселя, и иногда это наименование присваивается всему классу цилиндрических функций. Хорошо разработанная теория рассматриваемых функций, наличие подробных таблиц и широкая область применений служат достаточным основанием для того, чтобы отнести цилиндрические функции к числу наиболее важных специальных функций. Уравнение Бесселя возникает во время нахождения решений уравнения Лапласа и уравнения Гельмгольца в цилиндрических и сферических координатах. Поэтому функции Бесселя применяются при решении многих задач о распространении волн, статических потенциалах и т. п., например: 1) электромагнитные волны в цилиндрическом волноводе; 2) теплопроводность в цилиндрических объектах; 3) формы колебания тонкой круглой мембраны; 4) скорость частиц в цилиндре, заполненном жидкостью и вращающемся вокруг своей оси. Функции Бесселя применяются и в решении других задач, например, при обработке сигналов. Цилиндрические функции Бесселя являются самыми распространенными из всех специальных функций. Они имеют многочисленные приложения во всех естественных и технических науках (особенно в астрономии, механике и физике). В ряде задач математической физики встречаются цилиндрические функции, в которых аргумент или индекс (иногда и тот и другой) принимают комплексные значения. Для численного решения таких задач необходимо разработать алгоритмы, позволяющие вычислять функции Бесселя с высокой точностью. Цель курсовой работы: изучение функций Бесселя и применение их свойств в решении дифференциальных уравнений. Задачи: 1) Изучить уравнение Бесселя и модифицированное уравнение Бесселя. 2) Рассмотреть основные свойства функций Бесселя, асимптотические представления. 3) Решить дифференциальное уравнение с использованием функции Бесселя. 1 Функции Бесселя с целым положительным значком Для
рассмотрения многих проблем, связанных с применением цилиндрических функций,
достаточно ограничиться изучением специального класса этих функций, который
соответствует случаю, когда параметр Исследование
данного класса носит более элементарный характер, чем теория, относящаяся к
произвольным значениям Покажем, что одним из решений уравнения
является
функция Бесселя первого рода порядка
При помощи
признака Даламбера легко убедиться, что рассматриваемый ряд сходится на всей
плоскости комплексного переменного и, следовательно, представляет целую функцию
от Если
обозначить левую часть уравнения (1.1) через то в результате подстановки получим откуда
следует Простейшими функциями рассматриваемого класса являются функции Бесселя порядка нуль и единица:
Покажем, что
функции Бесселя других порядков могут быть выражены через эти две функции. Для
доказательства предположим, что а — целое положительное число, умножим ряд (1.2)
на
Аналогичным
образом, умножая ряд на
Выполнив
дифференцирование в равенствах (1.4 – 1.1) и разделив на множитель
откуда непосредственно следует:
Полученные формулы известны под названием рекуррентных соотношений для функций Бесселя. Первое из
соотношений дает возможность выразить функцию произвольного порядка Второе соотношение
позволяет представить производные от функций Бесселя через функции Бесселя. Для
непосредственно вытекающей из определения данных функций. Функции
Бесселя первого рода
Коэффициенты этого разложения могут быть вычислены путем перемножения степенных рядов: и объединения
членов, содержащих одинаковые степени
откуда следует, что рассматриваемое разложение может быть записано в виде
Функция Для получения
общего интеграла уравнения (1.1), дающего выражение произвольной цилиндрической
функции с целым значком
где
Функция
где 2 Функции Бесселя с произвольным значком бессель цилиндрическая функция Функции
Бесселя, рассмотренные в пункте 1, составляют частный случай цилиндрических
функций более общего вида, известных под названием функций Бесселя первого рода
с произвольным значком где
Легко видеть,
что данный ряд сходится при любых Действительно,
начиная с достаточного большого не будет
превосходить некоторой правильной положительной дроби Так как члены
ряда представляют собой регулярные функции в плоскости с разрезом
Нетрудно показать, что определенная таким образом функция есть частное решение уравнения
Действительно,
обозначая левую часть этого уравнения где откуда
следует, что Так как при
фиксированном откуда следует
Таким образом, функции Бесселя с отрицательным целым значком отличаются от соответствующих функций с положительным значком только постоянным множителем. Полученное соотношение вместе с формулами (1.10 – 1.11) показывает, что разложение (1.12) может быть записано в виде
Многие равенства, установленные ранее для функций Бесселя с целым положительным значком, переносятся на функции с произвольным индексом без каких-либо изменений. Так, например, имеют место соотношения:
представляющие собой обобщение соответствующих формул пункта 2. Доказательство формул (2.5 – 2.6) повторяет рассуждения этого параграфа и поэтому не приводится. Формулы (2.7) получаются путем повторного применения равенств (2.6). 3 Общее представление цилиндрических функций. Функции Бесселя второго рода По определению цилиндрическая функция есть произвольное решение дифференциального уравнения второго порядка
поэтому общее ее выражение содержится в форме
где Если
поэтому эти решения линейно независимы между собой и искомое выражение для цилиндрической функции может быть дано в виде
Если
При
Так как по
доказанному числитель и знаменатель в (3.5) суть целые функции
Из
определения функции Проще всего
воспользоваться для этого принципом аналитического продолжения. Так как Решения
Функции Бесселя второго рода удовлетворяют тем же рекуррентным соотношениям, что и функции первого рода, именно:
При Отметим еще формулу
являющуюся следствием (3.7) и позволяющую свести вычисление функций с отрицательным целым значком к вычислению функций, индекс которых положителен. При помощи замены переменных в уравнении (3.1) легко получить ряд других дифференциальных уравнений, общий интеграл которых может быть выражен через цилиндрические функции. Наиболее интересные для приложений уравнения этого типа являются различными частными случаями дифференциальных уравнений
общие интегралы которых соответственно будут:
где 4 Разложение в ряд функции Бесселя второго рода с целым значком Для того
чтобы получить разложение в ряд функции Так как ряд (2.1),
по доказанному, сходится равномерно по отношению к где Аналогично имеем При
получим для
таких
поэтому где введен
новый значок суммирования Из формулы (3.7) следует, что искомое разложение функции Бесселя второго рода с целым положительным значком имеет вид
где в случае Значения логарифмической производной гамма-функции могут быть вычислены по формулам:
где Принимая во внимание равенство (1.2), мы можем представить разложение (4.1) в несколько другом виде, именно:
Из (4.1)
вытекает, что при
показывающие,
что 5 Функции Бесселя третьего рода К
цилиндрическим функциям относятся также функции Бесселя третьего рода или
функции Ханкеля
где Целесообразность
введения этих функций обусловлена тем, что рассматриваемые линейные комбинации
из Из
определения функций Ханкеля следует, что эти функции представляют собой
регулярные функции
где Являясь
линейными комбинациями функций
и т.д. Если с помощью (3.5) исключить из (5.1) функцию Бесселя второго рода, то получим
откуда вытекают важные соотношения:
6 Функции Бесселя мнимого аргумента С функциями
Бесселя тесно связаны две часто встречающиеся в приложениях функции
и при целом
Повторяя
рассуждения пункта 2, получаем, что Рассматриваемые
функции просто связаны с функциями Бесселя от аргумента Действительно,
предположим, что откуда
для всех Аналогично из
формулы (5.4) получаем для таких же откуда
Для значений
для всех На основании
полученных соотношений функции Из выведенных формул непосредственно следует, что рассматриваемые функции представляют собой линейно независимые решения дифференциального уравнения
которое
отличается от уравнения Бесселя только знаком одного члена и переходит в него
при подстановке Уравнение (6.7)
часто встречается в математической физике. Общий интеграл этого уравнения при
произвольном
Функции
и т.д. Рекуррентные
формулы, содержащие функции Укажем еще две полезные формулы:
первая из
которых вытекает из (6.1), если принять во внимание, что при Разложение
функции
Здесь Из (6.11)
вытекает, что асимптотическое поведение функции
поэтому 7 Цилиндрические функции с индексом, равным половине нечетного целого числа Специальный
класс цилиндрических функций образуют цилиндрические функции с индексом, равным
половине нечетного целого числа. В рассматриваемом случае цилиндрические
функции могут быть выражены через элементарные функции. Чтобы показать это,
найдем предварительно значения функций Мы получим тогда
и аналогично
Возможность выразить функцию Бесселя первого рода с любым полуцелым значком через элементарные функции следует теперь из рекуррентной формулы (2.5) пользуясь которой можно последовательно получить: и т. д. Общее
выражение для
Соответствующие формулы для функций Бесселя второго и третьего рода могут быть выведены из найденных соотношений, если воспользоваться выражениями этих функций через функции Бесселя первого рода (3.5 и 5.4). Например, мы имеем:
и т. д. В заключение укажем на формулы:
вытекающие из определений рассматриваемых функций (6.1 – 6.2). Формулы для других полуцелых значений индекса получаются из этих формул с помощью рекуррентных соотношений (6.9). Лиувиллем доказано, что случай полуцелого индекса является единственным, когда цилиндрические функции приводятся к элементарным. 8 Асимптотические представления цилиндрических функций для больших значений аргумента Цилиндрические
функции обладают простыми асимптотическими представлениями, удобными для
аппроксимации этих функций при больших по модулю значениях Из цилиндрических функций наиболее простые асимптотические представления имеют функции третьего рода. Чтобы
получить асимптотическое представление функции
и преобразуем
его с помощью подстановки
Заменяя
множитель и интегрируя почленно, находим
где Предположим,
что при
фиксированном Таким
образом, для больших
Покажем, что
условие, наложенное на мы снова приходим к прежнему результату. Также легко с
помощью соотношения Наконец, если
воспользоваться вместо (8.1) интегральным представлением несколько более общего
вида, можно показать, что найденная асимптотическая формула остается
справедливой в более широком секторе Таким
образом, окончательно для больших
где Асимптотическое
представление для функции
и имеет следующий вид:
Асимптотические представления для цилиндрических функций первого и второго рода следуют из выведенных формул (8.5) и (8.7) и соотношений (5.1). Мы находим
Асимптотические формулы для модифицированных цилиндрических функций могут быть получены с помощью соотношений пункта 6. Окончательные формулы имеют следующий вид:
При условии,
что
Из (8.5) и (8.7
– 8.12) следует, что расходящиеся ряды, получающиеся, если формально положить Способ, при
помощи которого выведены рассматриваемые формулы, дает только порядок величины
остаточного члена, но не позволяет сделать более точных заключений. При специальных
предположениях относительно 9 Нули цилиндрических функций При решении многих прикладных вопросов необходимо иметь представление о распределении нулей цилиндрических функций на плоскости комплексного переменного и уметь приближенно вычислять их значения. Распределение нулей функций Бесселя с целым положительным значком, т. е. решений уравнения
устанавливается следующей теоремой. Теорема 4. Функция Распределение
нулей функций Бесселя с произвольным вещественным индексом
дается более общей теоремой 5. Теорема 5. Функция (1) (2) Если Все нули
функции простые, исключая, может быть, точку В математической физику часто встречается уравнение
(где Распределение
нулей функции Для приближенного вычисления корней уравнений, содержащих цилиндрические функции, применяется метод последовательных приближений, причем за хорошее начальное приближение во многих случаях могут быть приняты корни уравнений, получающихся из исходных при замене цилиндрических функций их асимптотическими представлениями. 10 Пример Решить дифференциальное уравнение: Решение: В данном уравнении сделаем замену
Следовательно, Подставим найденные производные в исходное уравнение, получим: Умножим на Пусть Разделим на Исходя из общего вида
уравнения Бесселя (1) следует, что Общее
выражение цилиндрической функции для
где Таким образом, решение исходного уравнения имеет вид:
Заключение В данной курсовой работе были изучены функции Бесселя (уравнение Бесселя и модифицированное уравнение Бесселя), основные свойства вышеуказанных функций и решено дифференциальное уравнение с использованием функций Бесселя. Список литературы 1. Лебедев Н.Н. Специальные функции и их приложения (2-е изд.). – М.-Л.: ГИФМЛ, 1963г. – 359с. 2. Романовский П.И. Ряды Фурье. Теория поля. Аналитические и специальные функции. Преобразование Лапласа, учебное пособие для вузов. – М.: Наука, 1983г. – 336с. 3. Бейтмен Г., Эрдейи А. Высшие трансцендентные функции. Т. 2. Функции Бесселя, функции параболического цилиндра, ортогональные многочлены. – М.: Наука, 1966г. – 296с. 4. Пискунов Н.С. Дифференциальное и интегральное исчисления, учебное пособие для вузов. – М.: Наука, 1985г. – 560с. 5. G.N. Watson A treatise on the theory of Bessel functions. 1945. (Имеется перевод: Ватсон Г.Н. Теория бесселевых функций: Пер. со 2-го англ.изд. / Авт.предисл. В.С. Берман. – М.: ИЛ, 1949г. – 798с.) 6. Сабитов К.В. Функциональные, дифференциальные и интегральные уравнения. – М.: Высшая школа, 2005г. – 671с. 7. Кузнецов Д.С. Специальные функции. – М.: Высшая школа, 1962г. – 249с. 8. Морс Ф.М., Фешбах Г. Методы теоретической физики. Т.2. – М.: ИЛ, 1960г. – 897с. 9. Коренев Б.Г. Введение в теорию бесселевых функций. – М.: Наука, 1971г. – 287с. 10. Кузьмин Р.О. Бесселевы функции. – Л.-М.: ГТТИ, 1933г. – 152с. |
|
|