特殊函数
第一类贝塞尔函数(Bessel function of the first kind)
/ BESS-el /
敲一下鼓面,或看石子落入圆形池塘后涟漪扩散,那图样并不是简单的正弦波:它振荡,但振幅随着以圆形向外扩散而衰减。第一类贝塞尔函数 J_n(x) 就是圆形与柱形几何的标准波——当世界有一个中心而非平直网格时,正弦余弦的径向类比。
J_n(x) 是在中心 x = 0 处保持有界、行为良好的有限解。它可写成幂级数:J_n(x) = 对 m 从 0 求和的 (-1)^m 除以 (m! Gamma(m+n+1)) 乘 (x/2)^{2m+n},这已经显示出伽马函数在默默起作用。对大的 x,它趋于一个衰减且有相移的余弦:J_n(x) 约等于 根号(2 除以 pi x) 乘 cos(x 减 n pi/2 减 pi/4),所以看起来像一列向外传播、振幅以 1 除以 根号 x 衰减的波——恰是二维涟漪保能扩散的方式。它的零点,即 J_n 消失的那些值,并非等距,被作为基本常数列表。
第一类贝塞尔函数决定圆鼓的振动频率、光纤或微波腔的模式、圆孔的衍射图样(艾里斑)、柱体中的热流,以及调频广播信号的频率成分。在这里它们作为有已知级数、渐近和零点的函数编目;定义它们的贝塞尔微分方程属于级数解主题。
半径为 a 的圆鼓的最低振动模式,其频率由 J_0 的第一个零点决定,约为 2.405:基频正比于 2.405 乘波速除以 a,而不是 pi 的简单倍数。
与弦不同,鼓的泛音不是基频的整数倍——它们由 J_0 不规则的零点间隔决定。
即使阶 n 是整数,J_n 也不是多项式,其零点也不等距;鼓的泛音是非谐的,这正是鼓声不同于拨弦的原因。
又称
另见