Equazioni di Bessel

In matematica, le equazioni di Bessel, il cui nome è dovuto a Friedrich Wilhelm Bessel, sono un caso particolare dell'equazione ipergeometrica confluente, le cui soluzioni definiscono le armoniche cilindriche o funzioni di Bessel.

Definizione[modifica | modifica wikitesto]

Si tratta di equazioni differenziali ordinarie del second'ordine lineari omogenee della forma:

x^{2}y''+xy'+(x^{2}-\alpha ^{2})y=0

x^{2}y''+xy'+(x^{2}+\alpha ^{2})y=0

dove si è utilizzata la notazione di Lagrange per le derivate totali per l'incognita $y$ . Il numero $\alpha$ è detto l'ordine dell'equazione, mentre $x$ e $y$ assumono valori in $\mathbb {C}$ .

Esplicitando le derivate e dividendo per $x^{2}$ :

{\frac {d^{2}y}{dx^{2}}}+{\frac {1}{x}}{\frac {dy}{dx}}+\left(1\pm {\frac {\alpha ^{2}}{x^{2}}}\right)y=0

che si può scrivere anche come:

{\frac {1}{x}}{\frac {d}{dx}}\left(x{\frac {dy}{dx}}\right)+\left(1\pm {\frac {\alpha ^{2}}{x^{2}}}\right)y=0

Le soluzioni generali sono le armoniche cilindriche o funzioni di Bessel, e si suddividono in funzioni di Bessel del primo tipo (chiamate esse stesse "armoniche cilindriche" e indicate con $J_{\alpha }(x)$ ) e funzioni di Bessel del secondo tipo (dette funzioni di Neumann o funzioni di Weber e indicate con $Y_{\alpha }(x)$ ). Un terzo tipo di soluzione, le funzioni di Bessel del terzo tipo o funzioni di Hankel $H_{\alpha }^{1}(x)$ e $H_{\alpha }^{2}(x)$ , sono una particolare combinazione lineare delle precedenti.

Se $\alpha$ non è intero una soluzione generale è data da:

y=C_{1}J_{\alpha }(x)+C_{2}J_{-\alpha }(x)

con $C_{1}$ e $C_{2}$ costanti arbitrarie.

Per un ordine generico la soluzione può invece essere data nelle seguenti forme:

y=C_{1}J_{\alpha }(x)+C_{2}Y_{\alpha }(x)\qquad y=C_{1}H_{\alpha }^{1}(x)+C_{2}H_{\alpha }^{2}(x)

Per un dato ordine le funzioni $J_{\alpha }(x)$ , $Y_{\alpha }(x)$ , $H_{\alpha }^{1}(x)$ e $H_{\alpha }^{2}(x)$ sono infatti mutuamente linearmente indipendenti.