特殊函數

第一類貝塞爾函數(Bessel function of the first kind)

/ BESS-el /

敲一下鼓面,或看石子落入圓形池塘後漣漪擴散,那圖樣並不是簡單的正弦波:它振盪,但振幅隨著以圓形向外擴散而衰減。第一類貝塞爾函數 J_n(x) 就是圓形與柱形幾何的標準波——當世界有一個中心而非平直網格時,正弦餘弦的徑向類比。

J_n(x) 是在中心 x = 0 處保持有界、行為良好的有限解。它可寫成冪級數:J_n(x) = 對 m 從 0 求和的 (-1)^m 除以 (m! Gamma(m+n+1)) 乘 (x/2)^{2m+n},這已經顯示出伽瑪函數在默默起作用。對大的 x,它趨於一個衰減且有相移的餘弦:J_n(x) 約等於 根號(2 除以 pi x) 乘 cos(x 減 n pi/2 減 pi/4),所以看起來像一列向外傳播、振幅以 1 除以 根號 x 衰減的波——恰是二維漣漪保能擴散的方式。它的零點,即 J_n 消失的那些值,並非等距,被作為基本常數列表。

第一類貝塞爾函數決定圓鼓的振動頻率、光纖或微波腔的模式、圓孔的繞射圖樣(艾里斑)、柱體中的熱流,以及調頻廣播訊號的頻率成分。在這裡它們作為有已知級數、漸近和零點的函數編目;定義它們的貝塞爾微分方程屬於級數解主題。

半徑為 a 的圓鼓的最低振動模式,其頻率由 J_0 的第一個零點決定,約為 2.405:基頻正比於 2.405 乘波速除以 a,而不是 pi 的簡單倍數。

與弦不同,鼓的泛音不是基頻的整數倍——它們由 J_0 不規則的零點間隔決定。

即使階 n 是整數,J_n 也不是多項式,其零點也不等距;鼓的泛音是非諧的,這正是鼓聲不同於撥弦的原因。

又稱
J_n(x)贝塞尔 J 函数J_n 函数cylinder function