当 ,
线性独立解可以分情况讨论:
上述 -阶 Bessel 方程属于 Sturm-Liouville 型方程,求解区间是
作为 Sturm-Liouville 问题,
额外考虑自然边界条件 可以排除一个解;
其中 称为
当 ,有
当 ,有
第一项发散,第二项 (如果存在) 也发散:总是被自然边界条件排除
四种函数线性相关:只有
说明
类似 的相对关系

下面研究 和 的原点渐近行为
先看 时 在原点 处的行为
其中
定理:对于一般的 值, 有如下几种原点渐近行为
注意

不同 的原点行为:
说明
根据 还是 ,
说明
其中 时
综上,对于 generic : 和 在原点处具有
generic : 和 的线性独立性
满足自然边界条件,
柱坐标系分离变量 的时候必须
当 ,:同样满足自然边界条件
柱坐标系分离变量 的时候要求 有限
定理: 有如下原点渐近行为
说明
包含 ,因此 总是趋于无穷大。

与 总是线性独立, 则是两边倒

与 总是线性独立, 则是两边倒
对任意 ,Bessel 方程的两个解,只有一个满足 处的自然边界条件,另一个在 处总是
这两个解可以取 ,或者 ,结论都一样
端的自然边界条件对 没有约束力
说明
四个函数的关系类似 的相对关系
定理: 和 在正实轴上有无穷多零点
罗尔中值定理:若 是在 上连续, 可导的函数,且 ,则在 上至少有一个点 ,使得
定理: 在
这是因为 ,,从而若 是 的解,则
反之依然

定理:在四个柱函数 中任取一个
证明
利用 级数表达式暴力证明,由此也可以证明 也满足相同递推
推论: 与 的正零点相间分布
证明
于是 的两个正零点之间必然有 的一个正零点,也就是 的一个正零点。
说明
于是 的两个正零点之间必然有 的一个正零点,也就是 的一个正零点。
推论:考虑 , 的
证明
柱函数是 Bessel 方程的全体解的子集
注意
Bessel 方程的解不一定是柱函数: 是 Bessel 方程的解,但
定理:柱函数递推关系可以导出 Bessel 方程
整数阶 Bessel 函数的级数表达式:
说明
关于 的对称性
对于一般的 ,此性质不能推广
关于 的对称性
说明
说明
不做证明。注意求和取遍所有整数 。
给出母函数在 的环状邻域 中的 Laurent 展开
指数的导数还是指数:对 求导
柱函数递推公式之一
指数积分还是指数:对 求积分,得 的
圆围道积分重新参数化:,
之前在介绍二维无界空间 -格林函数时用到
尝试交换积分顺序,先做 再做
万一 比较简单,则剩下的 积分就可以用各种方法计算
柱状区域内部拉普拉斯方程定解问题
外边界采取齐次第一二三类边界条件: 没有边界没有非平凡的 依赖
,,不同时为零
Laplace 方程 (稳定场) 分离变量得到径向方程与边界条件
对于 ,改用 ,得到整数阶 Bessel 方程
解为 ,
不满足自然边界条件,
对于 ,解欧拉方程:
柱体内部: 和 都不满足自然边界条件,
外边界的齐次第一二三类边界条件决定本征值的可能值以及存活的本征函数
对于
说明
有无穷多个解 ,因为 与 的震荡衰减形态
只可能是 (第二类齐次边界) 同时 有解
函数作为 Sturm-Liouville 本征问题的本征函数,满足正交性
完备性:任意满足边界条件的函数 都可以展开成本征函数的线性组合
是固定的

假设 方向平移不变,求随时间变化的温度分布情况
-平移不变性:
本质是二维空间 + 1 维时间问题;但 等效地可以看成是第三个空间维度
分离变量 ,
方程是欧拉方程 () 或者 Bessel 方程 ,解为
其中 通过 的齐次第一类边界条件确定
一般解
说明
做 Wick rotation ,
.png)
满足
说明
被求导的不是 的完整宗量:
的级数表达式
说明
的别称:变型 Bessel 函数,第一类虚宗量 Bessel 函数,第一类变型 Bessel 函数
说明
别称:第二类虚宗量 Bessel 函数,第二类变型 Bessel 函数
对称性:
说明
以后假设
0 极限:
说明
柱内解抛弃 ,保留
渐近:
说明
柱内解抛弃 ,保留
渐近:
说明
柱内解抛弃 ,保留
方向方程: ,
说明
相当于虚宗量 Bessel 方程,
方向解
说明
其中 被自然边界条件 排除
bbb
分离变量
柱坐标分离变量的分离常数是 λ,μ
但是在 Bessel 方程中,非零的 λ 被吸收到了自变量 x 的定义中,并没有显式出现
但 λ 会受到 x=0 处的物理边界条件约束