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Cómo probar este límite $\lim_{\alpha\to n}\dfrac{J_{\alpha}(x)\cos{(\alpha \pi)}-J_{-\alpha}(x)}{\sin{\alpha\pi}}$

deje $$J_{\alpha}(x)=\sum_{m=0}^{\infty}\dfrac{(-1)^m}{m!\Gamma{(m+\alpha+1)}}\left(\dfrac{x}{2}\right)^{2m+\alpha}$$

mostrar que: \begin{align*}&\lim_{\alpha\to n}\dfrac{J_{\alpha}(x)\cos{(\alpha \pi)}-J_{-\alpha}(x)}{\sin{\alpha\pi}}\\ &=\dfrac{2}{\pi}J_{n}(x)\left(\ln{\dfrac{x}{2}}+\gamma\right)-\dfrac{1}{\pi}\sum_{m=0}^{n-1}\dfrac{(n-m-1)!}{m!}\left(\dfrac{x}{2}\right)^{2m-n}-\dfrac{1}{\pi}\sum_{m=0}^{\infty}\dfrac{(-1)^m\left(\dfrac{x}{2}\right)^{n+2m}}{m!(n+m)!}\left(\sum_{k=0}^{n+m-1}\dfrac{1}{k+1}+\sum_{k=0}^{m-1}\dfrac{1}{k+1}\right) \end{align*}

donde $$\gamma=\left(1+\dfrac{1}{2}+\dfrac{1}{3}+\cdots+\dfrac{1}{n}-\ln{n}\right)=0.5772\cdots$$ llamar Eluer constante.

y donde $J_{\alpha}(x)$ es la función de Bessel:http://en.wikipedia.org/wiki/Bessel_function

Este problema es de un libro,Mi libro de decir que este uso de la prueba la regla de L'Hôpital y es muy muy de problemas,así que no se puede publicar toda la solución, sólo post reslut,así que espero que vea la solución,gracias, Gracias, alguien puede ayudar

6voto

alexjo Puntos 5970

Deje $J_{\nu}(z)$ la función de Bessel de primera especie se define como $$ J_\nu(z) = \sum_{m=0}^\infty \frac{(-1)^m}{m! \, \Gamma(m+\nu+1)} {\left(\frac{z}{2}\right)}^{2m+\nu} \tag 1 $$ y $Y_{\nu}(z)$ la función de Bessel de segunda clase (o Weber función o función Neumann) que se define como $$ Y_{\nu}(z)=\frac{J_{\nu}(z)\cos(\nu\pi)-J_{-\nu}(z)}{\sin(\nu\pi} \tag 2 $$ o el límite de la integral $\nu$, $\nu=n$. Para la integral de la $\nu$, el uso de la de l'Hospital de la regla que hemos $$\begin{align} Y_{n}(z) &=\lim_{\nu\to n}\frac{J_{\nu}(z)\cos(\nu\pi)-J_{-\nu}(z)}{\sin(\nu\pi)}\\ &=\lim_{\nu\to n}\frac{\frac{\partial}{\partial \nu}\left(J_{\nu}(z)\cos(\nu\pi)-J_{-\nu}(z)\right)}{\frac{\partial}{\partial \nu}\sin(\nu\pi)}\\ &=\lim_{\nu\to n}\frac{\frac{\partial J_{\nu}(z)}{\partial \nu}\cos(\nu\pi)-\pi J_{\nu}(z)\sin(\nu\pi)-\frac{\partial J_{-\nu}(z)}{\partial \nu}}{\pi\cos(\nu\pi)}\\ &=\frac{1}{\pi}\left[\left.\frac{\partial J_{\nu}(z)}{\partial \nu}\right|_{\nu=n}-(-1)^n\left.\frac{\partial J_{-\nu}(z)}{\partial \nu}\right|_{\nu=n}\right]\tag 3 \end{align} $$ donde se utilizó $\cos(n\pi)=(-1)^n$$\sin(n\pi)=0$. Ahora debemos obtener de Hankel de la expansión de la función $Y_n(z)$ donde $n$ es cualquier entero positivo. Es claro que $$ \begin{align} \frac{\partial J_{\nu}(z)}{\partial \nu} &= \sum_{m=0}^\infty \frac{(-1)^m}{m!}\frac{\partial }{\partial \nu}\left\{\frac{1}{\Gamma(m+\nu+1)} {\left(\frac{z}{2}\right)}^{2m+\nu} \right\}\\ &= \sum_{m=0}^\infty \frac{(-1)^m}{m! \, \Gamma(m+\nu+1)} {\left(\frac{z}{2}\right)}^{2m+\nu} \left\{\log\left(\tfrac{z}{2}\right)-\psi(\nu+m+1)\right\}\tag 4 \end{align} $$ la observación de que $$ \frac{\partial }{\partial \nu} {\left(\frac{z}{2}\right)}^{2m+\nu}={\left(\frac{z}{2}\right)}^{2m+\nu}\log\left(\tfrac{z}{2}\right) $$ y $$ \frac{\partial }{\partial \nu}\frac{1}{\Gamma(m+\nu+1)}=-\frac{\frac{\partial }{\partial \nu}\Gamma(m+\nu+1)}{[\Gamma(m+\nu+1)]^2}=-\frac{\psi(m+\nu+1)}{\Gamma(m+\nu+1)} $$ y $\psi(z)=\frac{\operatorname{d}\log \Gamma(z)}{\operatorname{d}z}=\frac{\Gamma'(z)}{\Gamma(z)}$ es la función digamma.

Para $\nu\to n$ el (4) se convierte en $$ \begin{align} \left.\frac{\partial J_{\nu}(z)}{\partial \nu}\right|_{\nu=n} &= \sum_{m=0}^\infty \frac{(-1)^m}{m! \, (m+n)!} {\left(\frac{z}{2}\right)}^{2m+n} \left\{\log\left(\frac{z}{2}\right)-\psi(n+m+1)\right\}. \tag 5 \end{align} $$

La evaluación de las $\left.\frac{\partial J_{-\nu}(z)}{\partial \nu}\right|_{\nu=n}$ es un poco más tedioso, debido a que el polo de $\psi(-\nu+m+1)$ $\nu=n$ en los términos de los cuales,$m=0,1, \ldots,n-1$. Nos brack la serie para $J_{-\nu}(z)$ en dos partes, así $$ J_{-\nu}(z) = \sum_{m=0}^{n-1} \frac{(-1)^m}{m! \, \Gamma(m-\nu+1)} {\left(\frac{z}{2}\right)}^{2m-\nu}+\sum_{m=n}^{\infty} \frac{(-1)^m}{m! \, \Gamma(m-\nu+1)} {\left(\frac{z}{2}\right)}^{2m-\nu} $$ y en la antigua parte de reemplazar $$ \frac{1}{\Gamma(m-\nu+1)}=\frac{\Gamma(\nu-m)\sin((\nu-m)\pi}{\pi} $$ el uso de la reflexión de la fórmula para la función Gamma $\Gamma(z)\Gamma(1-z)=\frac{\pi}{\sin(\pi z)}$.

Ahora, cuando $0\le m\le n$, $$ \begin{align} & \left.\frac{\partial }{\partial \nu} \left\{\frac{\Gamma(\nu-m)\sin((\nu-m)\pi)}{\pi}{\left(\frac{z}{2}\right)}^{2m-\nu}\right\} \right|_{\nu=n}\\ &\quad= {\left(\tfrac{z}{2}\right)}^{2m-\nu}\Gamma(\nu-m)\frac{1}{\pi}\times\\ &\qquad\times\left. \left\{ \psi(\nu-m)\sin((\nu-m)\pi)+ \pi\cos((\nu-m)\pi)-\log\left(\tfrac{z}{2}\right)\sin((\nu-m)\pi) \right\}\right|_{\nu=n}\\ &\quad= {\left(\tfrac{z}{2}\right)}^{2m-n}\Gamma(n-m)\cos((n-m)\pi). \end{align} $$ Por lo tanto $$ \begin{align} \left.\frac{\partial J_{-\nu}(z)}{\partial \nu}\right|_{\nu=n} &= \sum_{m=0}^{n-1} \frac{(-1)^n\, \Gamma(m-n)}{m!} {\left(\frac{z}{2}\right)}^{2m-n}+\\ &\quad+\sum_{m=n}^{\infty} \frac{(-1)^m}{m!(m-n)!} {\left(\frac{z}{2}\right)}^{2m-n}\left\{-\log\left(\frac{z}{2}\right)+\psi(-n+m+1)\right\} \end{align} $$ que es $$ \begin{align} \left.\frac{\partial J_{-\nu}(z)}{\partial \nu}\right|_{\nu=n} &= (-1)^n\, \sum_{m=0}^{n-1} \frac{(n-m-1)!}{m!} {\left(\frac{z}{2}\right)}^{2m-n}+\\ &\quad+(-1)^{n-1}\sum_{m=0}^{\infty} \frac{(-1)^m}{m!(m+n)!} {\left(\frac{z}{2}\right)}^{2m+n}\left\{\log\left(\frac{z}{2}\right)-\psi(m+1)\right\} \end{align}\tag 6 $$ cuando reemplazamos $m$ $n+m$ en el segundo de la serie.

La combinación de (5) y (6), (3) se convierte en $$ \begin{align} \pi Y_n(z) &= -\sum_{m=0}^{n-1} \frac{(n-m-1)!}{m!} {\left(\frac{z}{2}\right)}^{2m-n}+\\ &\quad+\sum_{m=0}^{\infty} \frac{(-1)^m}{m!(m+n)!} {\left(\frac{z}{2}\right)}^{2m+n}\left\{2\log\left(\frac{z}{2}\right)-\psi(m+1)-\psi(n+m+1)\right\}\\ &= 2\left[\gamma+ \log\left(\tfrac{z}{2}\right)\right]J_n(z) -\sum_{m=0}^{n-1} \frac{(n-m-1)!}{m!} {\left(\frac{z}{2}\right)}^{2m-n}+\\ &\quad-\sum_{m=0}^{\infty} \frac{(-1)^m}{m!(m+n)!} {\left(\frac{z}{2}\right)}^{2m+n}\left\{\sum_{k=1}^{m}\frac{1}{k}+ \sum_{k=1}^{n+m}\frac{1}{k} \right\}\\ \end{align} $$ el uso de la relación $\psi(n+1)=\sum_{k=1}^n\frac{1}{k}-\gamma$ donde $\gamma$ es la Constante de Euler.

Así tenemos $$ Y_n(z)=\frac{2}{\pi}\left[\gamma+ \log\left(\tfrac{z}{2}\right)\right]J_n(z) -\frac{1}{\pi}\sum_{m=0}^{n-1} \frac{(n-m-1)!}{m.} {\left(\frac{z}{2}\right)}^{2m-n}+\\ \qquad\qquad\quad-\frac{1}{\pi}\sum_{m=0}^{\infty} \frac{(-1)^m}{m!(m+n)!} {\left(\frac{z}{2}\right)}^{2m+n}\left\{\sum_{k=0}^{m-1}\frac{1}{k+1}+ \sum_{k=0}^{n+m-1}\frac{1}{k+1} \right\}\etiqueta de 7 $$ conocido también como de Hankel de la fórmula.

1voto

user21783 Puntos 11

Sugerencia: Este DLMF enlace puede ayudar a comenzar si lo complementan con esta expresión para la derivada y una expansión de la función digamma.

ADEMÁS:
Si suponemos $x$ $(-\infty,0]$ l hospital de reglas (que se aplica a toda una función de $\alpha$) devuelve $$\lim_{\alpha\to n}\dfrac{J_{\alpha}(x)\cos{(\alpha \pi)}-J_{-\alpha}(x)}{\sin{\alpha\pi}}=\lim_{\alpha\to n}\;\frac{\frac{\partial{J_{\alpha}(x)}}{\partial\,\alpha}\cos{(\alpha \pi)}-\pi J_{\alpha}(x)\sin{(\alpha \pi)}-\frac{\partial{J_{-\alpha}(x)}}{\partial\,\alpha}}{\pi\,\cos(\alpha\,\pi)}=\frac 1{\pi}\left.\frac{\partial{J_{\alpha}(x)}}{\partial\,\alpha}\right|_{\alpha=n}+\left.\frac{(-1)^n}{\pi}\frac{\partial{J_{-\alpha}(x)}}{\partial\,(-\alpha)}\right|_{\alpha=n}$$ es decir, el primer enlace.

Después de que usted puede calcular la derivada de la serie para $J$ uso de $\;\displaystyle\frac d{dx}\frac 1{\Gamma(x+a)}=-\frac{\psi(x+a)}{\Gamma(x+a)}\;$ para obtener el segundo resultado y así sucesivamente...

0voto

Jason Olson Puntos 2752

Desde @china matemáticas "en Busca de una respuesta dibujo de creíble y/o de fuentes oficiales" que yo le doy.
B. G. Korenev, Funciones de Bessel y sus Aplicaciones (Taylor & Francis, 2002) página 10, (2.1), (2.2) y (2.3). Cito: "es suficiente para obtener esta fórmula para el caso especial $n=0$ (a continuación, utilizando las relaciones de recurrencia en consideración más adelante en la Sección 6, se puede obtener el resultado de las $n$)." La prueba de $n=0$ está en la página 11. Las relaciones de recurrencia puede ser encontrada también en Relaciones de Recurrencia y Derivados.

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