Главная > Курс высшей математике, Т.3. Ч.2
НАПИШУ ВСЁ ЧТО ЗАДАЛИ
СЕКРЕТНЫЙ БОТ В ТЕЛЕГЕ
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Пред.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139
140
141
142
143
144
145
146
147
148
149
150
151
152
153
154
155
156
157
158
159
160
161
162
163
164
165
166
167
168
169
170
171
172
173
174
175
176
177
178
179
180
181
182
183
184
185
186
187
188
189
190
191
192
193
194
195
196
197
198
199
200
201
202
203
204
205
206
207
208
209
210
211
212
213
214
215
216
217
218
219
220
221
222
223
224
225
226
227
228
229
230
231
232
233
234
235
236
237
238
239
240
241
242
243
244
245
246
247
248
249
250
251
252
253
254
255
256
257
258
259
260
261
262
263
264
265
266
267
268
269
270
271
272
273
274
275
276
277
278
279
280
281
282
283
284
285
286
287
288
289
290
291
292
293
294
295
296
297
298
299
300
301
302
303
304
305
306
307
308
309
310
311
312
313
314
315
316
317
318
319
320
321
322
323
324
325
326
327
328
329
330
331
332
333
334
335
336
337
338
339
340
341
342
343
344
345
346
347
348
349
350
351
352
353
354
355
356
357
358
359
360
361
362
363
364
365
366
367
368
369
370
371
372
373
374
375
376
377
378
379
380
381
382
383
384
385
386
387
388
389
390
391
392
393
394
395
396
397
398
399
400
401
402
403
404
405
406
407
408
409
410
411
412
413
414
415
416
417
418
419
420
421
422
423
424
425
426
427
428
429
430
431
432
433
434
435
436
437
438
439
440
441
442
443
444
445
446
447
448
449
450
451
452
453
454
455
456
457
458
459
460
461
462
463
464
465
466
467
468
469
470
471
472
473
474
475
476
477
478
479
480
481
482
483
484
485
486
487
488
489
490
491
492
493
494
495
496
497
498
499
500
501
502
503
504
505
506
507
508
509
510
511
512
513
514
515
516
517
518
519
520
521
522
523
524
525
526
527
528
529
530
531
532
533
534
535
536
537
538
539
540
541
542
543
544
545
546
547
548
549
550
551
552
553
554
555
556
557
558
559
560
561
562
563
564
565
566
567
568
569
570
571
572
573
574
575
576
577
578
579
580
581
582
583
584
585
586
587
588
589
590
591
592
593
594
595
596
597
598
599
600
601
602
603
604
605
606
607
608
609
610
611
612
613
614
615
616
617
618
619
620
621
622
623
624
625
626
627
628
629
630
631
632
633
634
635
636
637
638
639
640
641
642
643
644
645
646
647
648
649
650
651
652
653
654
655
656
657
658
659
660
661
662
663
664
665
След.
Макеты страниц

Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше

Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике

ДЛЯ СТУДЕНТОВ И ШКОЛЬНИКОВ ЕСТЬ
ZADANIA.TO

146. Ортогональность функций Бесселя и их корни.

Как мы уже говорили, функции Бесселя применялись нами раньше при рассмотрении колебаний круглой мембраны. При этом мы использовали обычный метод Фурье и, для того чтобы удовлетворить начальным условиям задачи, нам пришлось разлагать заданную функцию в ряд по бесселевым функциям. Мы получили таким образом ряды, аналогичные рядам Фурье, причем оказалось, что функции Бесселя, в известном смысле, обладают свойством ортогональности [II, 178]. Сейчас мы рассмотрим этот вопрос с более общей точки зрения и выясним некоторые дополнительные обстоятельства.

Как известно, функция удовлетворяет уравнению [II, 48]

или, умножая на z, можем написать уравнение в виде

Мы будем в дальнейшем считать, что значок — вещественный и, кроме того, .

Возьмем два различных значения числа k и напишем соответствующие дифференциальные уравнения:

Умножим первое уравнение на второе — на вычтем и проинтегрируем по некоторому конечному промежутку (0, l):

Выражение, стоящее под знаком первого интеграла, представляет собою полную производную по z от разности

можно, таким образом, написать

Но мы имеем, очевидно,

где обозначаем вообще

и, следовательно, предыдущая формула может быть записана в виде

Напомним разложение бесселевой функции

Отсюда в силу непосредственно вытекает, что внеинтетральный член обращается в нуль при и мы приходим окончательно к следующей основной для дальнейшего формуле:

При эта формула принимает вид

Мы предполагали при предыдущих вычислениях, что . Нетрудно непосредственно проверить, что интегралы имеют смысл, и внеинтегральный член в формуле (22) обращается в нуль для и при более общем предположении

Покажем прежде всего, что функция Бесселя не может иметь комплексных корней. Положим сначала, что она имеет такой корень причем . Разложение (7) имеет все коэффициенты вещественными, и, следовательно, функция кроме корня должна иметь и сопряженный корень . Обратимся к формуле (25) и положим При этом и эта формула даст нам

Величины будут мнимыми сопряженными, следовательно, в предыдущей формуле под знаком интеграла стоит положительная величина, и эта формула не может иметь места. Остается теперь рассмотреть случай т. е. показать, что функция не может иметь и чисто мнимых корней . Действительно, подставляя в формулу (23), мы получим разложение, содержащее положительные члены:

Это обстоятельство непосредственно вытекает из того, что, согласно формуле (111) из [71], функция положительна при . Мы приходим, таким образом, к следующему результату: если вещественно и то функция имеет все корни вещественные. Заметим, кроме того, что из разложения (23), содержащего только четные степени, непосредственно вытекает, что корни будут попарно одинаковыми по абсолютной величине и обратными по знаку, так что достаточно рассматривать только положительные корни. В дальнейшем мы и будем подразумевать только такие корни. Напишем асимптотическое представление функций Бесселя [112]:

или

При беспредельном удалении вдоль положительной части вещественной оси второе слагаемое в квадратных скобках стремится к нулю, а первое бесчисленное множество раз переходит от —1 к +1. Отсюда непосредственно вытекает, что функция имеет бесчисленное множество вещественных корней.

Если два различных положительных корня уравнения

то формула (24) дает нам непосредственно следующее свойство ортогональности функции Бесселя:

Согласно теореме Ролля функция также должна иметь бесчисленное множество вещественных положительных корней, и если мы обозначим теперь через и два различных положительных корня уравнения

то в силу (24) будем иметь точно такие же условия ортогональности (27).

Рассмотрим теперь уравнение более общее, чем написанное выше, а именно уравнение вида

где а и (3 — заданные вещественные числа. Пусть два различных корня уравнения (29), т. е.

Отсюда непосредственно следует

а следовательно, и в этом случае внеинтегральный член в формуле (24) обращается в нуль, и мы имеем по-прежнему условия ортогональности (27). Частным случаем уравнения (29) являются, очевидно, уравнения (26) и (28). Из условия ортогональности, как и выше, непосредственно вытекает, что уравнение (29) не может иметь комплексных корней , где

Кроме того, так же как и выше, можно показать, что уравнение (29) не имеет и чисто мнимых корней, если только

Напомним два известных нам соотношения:

Первое из них, в силу теоремы Ролля, показывает, что между двумя последовательными корнями лежит по крайней мере

один корень . Второе соотношение показывает, что между двумя последовательными корнями лежит по крайней мере один корень Сопоставляя это, непосредственно убеждаемся в том, что положительные корни разделяют друг друга, т. е. что между двумя последовательными положительными корнями находится один и только один корень и наоборот.

Пусть а и b — наименьшие положительные корни Принимая во внимание, что имеёт корень и применяя ко второй из формул (30) теорему Ролля, мы видим, что должна иметь корень внутри промежутка .

Таким образом, мы видим, что наименьший положительный корень функции будет ближе к началу, чему Заметим, кроме того, что функция есть решение уравнения [110]

и, следовательно, функции не могут иметь общих положительных корней [107]. Следовательно, то же самое можно сказать, в силу (30), и относительно функций

Свойство ортогональности функций Бесселя играет важную роль при разложении заданной функции по функциям Бесселя, как это имело, например, место в задаче колебания круглой мембраны.

При этом представляется существенным уметь также вычислять интегралы вида

где есть корень уравнения вида (29). Рассмотрим тот случай, когда k есть просто корень уравнения (26). Возьмем формулу (24), в которой мы положим будем считать переменным и стремящимся к k. Формула даст нам

При не только знаменатель дроби, но и числитель обратятся в нуль, так как будет стремиться к Раскрывая неопределенность по обычному правилу, получим в пределе

или

Возьмем известное нам соотношение

и положим здесь При этом получится

так что предыдущую формулу можно записать еще следующим образом:

Совершенно аналогично мы получаем для того случая, когда есть корень уравнения

Но мы имеем

и, пользуясь равенством можем переписать формулу (33) в виде

1
Оглавление
email@scask.ru