443  球ベッセル関数
f-denshi.com  更新日:   22/01/13   サイト検索

1.球ベッセル関数

[1] ヘルムホルツ方程式 [#] を球座標に変換した際に得られる微分方程式を考えます。

球ベッセルの微分方程式,
d2y + 2 dy + 1− n(n+1) y=0
dx2 x dx x2
の2つの独立な解は、球ベッセル関数、球ノイマン関数, [定在波]
j n(x)=(-x)n 1 d n sinx
x dx x
および,
n n(x)=−(-x)n 1 d n cosx
x dx x
または、球ハンケル関数  [拡散、または収縮する球面波]
h n(1)(x)= j n(x)+i n n(x) =−i (-x)n 1 d n ei x
x dx x
h n(2)(x)= j n(x)−i n n(x) =  i (-x)n 1 d n eー i x
x dx x
ここで,
h n(1) *(x)= h n(2)(x)

この方程式はヘルムホルツ方程式を球座標で表す [#] と得られます。たとえば、ある半径の球の内部では 0、それ以外では有限・無限大というようなポテンシャルを受けている粒子のシュレーディンガー方程式を解く際にお目にかかります[#]。

[2] 球ベッセル関数 jn(x) とベッセル関数  Jn(x) [#] との関係は、

jn(x) = π ・Jn+1/2(x)
2x
さらに、ベッセル関数の具体的な形をもちいると、
=
π
2x
(-1)m
Γ(m+1)Γ(n+m+3/2)
x n+1/2+2m
2
=
π
2
(−1)m
m!(n+m+1/2)(n+m−1/2)・・・(3/2)Γ(1/2)
x n+2m
2
=
(-1)m
m!(n+m+1/2)(n+m−1/2)・・・(3/2)(1/2)
x n+2m
2

ここで,ガンマ関数の計算はこちら [#] を参考にしてください。

[3] 具体的な n について、球ベッセル関数をいくつか書いておくと、

球ベッセル関数

j 0(x) = sin x
x
j 1(x) = 1 sin x − 1 cos x
x2 x
j 2(x) = 3 − 1 sin x − 3 cos x
x3 x x2
j 3(x) = 15 − 6 sin x − 15 − 1 cos x
x4 x2 x3 x
j 4(x) = 105 − 45 + 1 sin x − 105 − 10 cos x
x5 x3 x x4 x2
j 5(x) = 945 − 420 + 15 sin x − 945 − 105 + 1 cos x
x6 x4 x2 x5 x3 x

球ノイマン関数

nn(x) = π ・Nn+1/2(x)
2x
n 0(x) = − cos x
x
n 1(x) = − 1 cos x − 1 sin x
x2 x
n 2(x) = − 3 − 1 cos x − 3 sin x
x3 x x2
n 3(x) = − 15 − 6 cos x − 15 − 1 sin x
x4 x2 x3 x
n 4(x) = − 105 − 45 + 1 cos x − 105 − 10 sin x
x5 x3 x x4 x2
n 5(x) = − 945 − 420 + 15 cos x − 945 − 105 + 1 sin x
x6 x4 x2 x5 x3 x


球ハンケル関数の具体形

hn(1)(x) = π ・Hn+1/2(1)(x)
2x
h(1)0(ikx) =− 1  exp (ikx )
kx
h(1)1(ikx) = i   1 + 1 exp (ikx )
(kx)2 kx
h(1)2(ikx) = 3 + 3 + 1 exp (ikx )
(kx)3 (kx)2 kx
h(1)3(ikx) =−i   15 + 15 + 6 + 1 exp (ikx)
(kx)4 (kx)3 (kx)2 kx
h(1)4(ikx) = − 105 + 105 + 45 + 10 + 1 exp (ikx)
(kx)5 (kx)4 (kx)3 (kx)2 kx
jh(1)5(ikx) = i  945 + 945 + 420 + 105 + 15 + 1 exp (ikx)
(kx)6 (kx)5 (kx)4 (kx)3 (kx)2 kx


[4] 球ベッセル関数・球ハンケル関数の漸近形

漸近形 j n(x) n n(x) h(1)n(x)
x ⇒ 0
1 ・xn
(2n+1)!!
(2n−1)!!・ -1
xn+1
-
x ⇒ ∞
1 ・cos x − (n+1)π
x 2
1 ・sin x − nπ
x 2
1 ・sin x − (n+1)π
x 2
-1 ・cos x − nπ
x 2
1 ・exp i x − (n+1)π
x 2
(-i )n+1  exp (ix)
x
(2n+1)!!  ≡ (2n+1)(2n−1)・・・・・5・3・1




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j 0(x) = sin x
x
n 0(x)i = −i cos x
x
h 0(x) = −i  cos x
+ sin x
x
x
h 0(ix)= − cos x
−i  sin x
x
x
     = −
1 exp (ix)
x

j 1(x) = 1 sin x − 1 cos x
x2 x
n 1(x) i = − i cos x − i sin x
x2 x
h 1(x) = − i + 1 cos x + 1 − i sin x
x2 x x2 x
h 1(ix) = i + i cos x − 1 + 1 sin x
x2 x x2 x
    = i + i exp ( ix )
x2 x

j 2(x) = 3 − 1 sin x − 3 cos x
x3 x x2
n 2(x) i= − 3i − 1i cos x − 3i sin x
x3 x x2
h 2(x) = − 3i + 3 − 1i cos x+ 3 − 3i − 1 sin x
x3 x2 x x3 x2 x
h 2(ix) = 3 + 3 + 1 cos x + 3i + 3i + i sin x
x3 x2 x x3 x2 x
= 3 + 3 + 1 exp ( kx)
x3 x2 x

j 3(x)         = 15 − 6 sin x − 15 − 1 cos x
x4 x2 x3 x
n 3(x) i = − 15i − 6i cos x − 15i − i sin x
x4 x2 x3 x
h 3(x) = − 15i + 15 − 6i − 1 cos x + 15 − 15i − 6 + i sin x
x4 x3 x2 x x4 x3 x2 x
h 3(ix) = − 15i + 15i + 6i + i cos x  + 15 + 15 + 6 + 1 sin x
x4 x3 x2 x x4 x3 x2 x
         = −i  15 + 15 + 6 + 1 exp(i x )
x4 x3 x2 x

j 4(x) = 105 − 45 + 1 sin x − 105 − 10 cos x
x5 x3 x x4 x2
n 4(x)i = − 105i − 45i + i cos x − 105i − 10i sin x
x5 x3 x x4 x2
h 4(x) = − 105i + 105 − 45i − 10 + i cos x − − 105 + 105i + 45 − 10i − 1 sin x
x5 x4 x3 x2 x x5 x4 x3 x2 x
h 4(ix) = − 105 + 105 + 45 + 10 + 1 cos x − 105i + 105i + 45i + 10i + i sin x
x5 x4 x3 x2 x x5 x4 x3 x2 x
      = − 105 + 105 + 45 + 10 + 1 exp (ix)
x5 x4 x3 x2 x

j 5(x) = 945 − 420 + 15 sin x − 945 − 105 + 1 cos x
x6 x4 x2 x5 x3 x
n 5(x)i = − 945i − 420i + 15i cos x − 945i − 105i + i sin x
x6 x4 x2 x5 x3 x
h 5(x)= − 945i + 945 − 420i − 105 + 15i + 1 cos x − − 945 + 945i + 420 − 105i − 15 + i sin x
x6 x5 x4 x3 x2 x x6 x5 x4 x3 x2 x
h 5(ix)= − − 945i − 945i − 420i − 105i − 15i − i cos x − 945 + 945 + 420 + 105 + 15 + 1 sin x
x6 x5 x4 x3 x2 x x6 x5 x4 x3 x2 x
    = i 945 + 945 + 420 + 105 + 15 + 1 exp (ix)
x6 x5 x4 x3 x2 x