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貝賽爾函數

貝塞爾函式是數學上的一類特殊函式的總稱,它們是貝塞爾方程的解,這類方程在物理和工程中非常常見。貝塞爾方程是一個二階常微分方程,其形式為x²y''+xy'+(x²-α²)y=0,這個方程的解無法用初等函式系統地表示。

貝塞爾函式的具體形式隨著方程中的實數參數α(被稱為貝塞爾函式的階數)而變化。在實際套用中,最常見的情況是α為整數n,此時對應的解稱為n階貝塞爾函式。儘管在貝塞爾方程中,α的正負號不改變方程的形式,但實際套用中通常針對α和-α定義兩種不同的貝塞爾函式,這樣做的好處包括消除了函式在α=0點的不光滑性等。

貝塞爾函式在多個領域中占有重要地位,特別是在波動問題以及各種涉及有勢場的問題中。例如,它們出現在圓柱形波導中的電磁波傳播問題、圓柱體中的熱傳導問題、圓形(或環形)薄膜的振動模態分析問題等。在其他領域,如信號處理中的調頻合成凱澤窗的定義中,也會用到貝塞爾函式。

第一類貝塞爾函式Jα(x)是當α為非負整數時的解,可以通過冪級數展開表示。第二類貝塞爾函式Yα(x)和漢克爾函式(Hα(1)(x)和Hα(2)(x))也是貝塞爾方程的解,它們在物理和工程中有廣泛的套用。