Deje $J_0(x)$ ser la función de Bessel de primera especie. Tiene un número infinito de ceros en el real positivo semi-eje. Vamos a denotar como $j_{0,n}$: $$j_{0,1}=2.40482...,\quad j_{0,2}=5.52007...,\quad j_{0,3}=8.65372...,\quad\small...\tag1$$ Estamos interesados en los valores absolutos de las integrales de $J_0(x)$ durante los intervalos entre sus ceros consecutivos: $$\sigma_n=(-1)^n\int_{j_{0,n}}^{j_{0,n+1}}\!\!J_0(x)\,dx.\tag2$$ Sus valores son: $$\sigma_1=0.80145...,\quad\sigma_2=0.59932...,\quad\sigma_3=0.49904...,\quad\small...\tag3$$ Estamos interesados en el comportamiento asintótico de esta secuencia. Empíricamente, parece que $$\sigma_n\,\stackrel{\color{#a0a0a0}?}\sim\,\frac{2\sqrt2}{\pi\sqrt n}\left(1-\frac1{8n}+O\!\left(\frac1{n^2}\right)\right)\!.\tag4$$ Podemos demostrar esto? Podemos encontrar la siguiente coeficientes en esta expansión?
Respuesta
¿Demasiados anuncios?
El uso de $$\int J_0(x)\,dx =x \, _1F_2\left(\frac{1}{2};1,\frac{3}{2};-\frac{x^2}{4}\right)$$ $$\int_0^a J_0(x)\,dx =\frac{1}{2} a (\pi \pmb{H}_0(a) J_1(a)+(2-\pi \pmb{H}_1(a)) J_0(a))$$ $$\int_0^{j_{0,n}} J_0(x)\,dx=\frac{\pi}{2}\, j_{0,n}\, \pmb{H}_0\left(j_{0,n}\right)\, J_1\left(j_{0,n}\right)$$ $$\sigma_n=(1)^n\frac{\pi}{2} \big( j_{0,n+1} \,\pmb{H}_0\left(j_{0,n+1}\right)\, J_1\left(j_{0,n+1}\right)- j_{0,n}\, \pmb{H}_0\left(j_{0,n}\right)\, J_1\left(j_{0,n}\right)\big)$$
que parece ser que $$\color{blue}{\sigma_n\,=\frac{8}{\pi\sqrt {8n}}\left(1-\frac{1}{(8 n)}+\frac{1}{(8n)^2} -\frac{1}{10}\frac{1}{(8n)^3}-\frac{2}{(8n)^4}+O\!\left(\frac1{n^5}\right)\right)}$$
Este fue obtenida para los valores de a $n=100$.
Para pequeños valores de $n$, aquí están los resultados $$\left( \begin{array}{ccc} n & \text{approximation} & \text{exact} \\ 1 & 0.8012287685 & 0.8014542111 \\ 2 & 0.5992828620 & 0.5993225154 \\ 3 & 0.4990351563 & 0.4990496204 \\ 4 & 0.4365280908 & 0.4365351123 \\ 5 & 0.3928185568 & 0.3928225593 \\ 6 & 0.3600543084 & 0.3600568365 \\ 7 & 0.3343192651 & 0.3343209797 \\ 8 & 0.3134138472 & 0.3134150722 \\ 9 & 0.2959950956 & 0.2959960063 \\ 10 & 0.2811906203 & 0.2811913190 \\ 20 & 0.2000664765 & 0.2000665991 \\ 30 & 0.1636924770 & 0.1636925214 \\ 40 & 0.1419090468 & 0.1419090684 \\ 50 & 0.1270064402 & 0.1270064525 \\ 60 & 0.1159886945 & 0.1159887023 \\ 70 & 0.1074165671 & 0.1074165724 \\ 80 & 0.1005013911 & 0.1005013949 \\ 90 & 0.0947700476 & 0.0947700505 \\ 100 & 0.0899192327 & 0.0899192349 \end{array} \right)$$
Editar
Gracias a @Romano, la respuesta a esta pregunta de la mina, ahora tenemos los coeficientes de la $$\sigma_n=\frac{2\sqrt2}{\pi\sqrt n}\left(1+\sum_{k=1}^{18}\frac{a_k}{n^k}+O\left(\frac1{n^{19}}\right)\right)$$
El uso de estos coeficientes, los errores son menores a los de $10^{-10}$ tan pronto como $n >3$. Para $n=10$, el error es $4 \times 10^{-20}$ e de $n=100$, el error es $3 \times 10^{-29}$.
