贝塞尔函数

贝塞尔函数（Bessel functions），是数学上的一类特殊函数的总称。通常单说的贝塞尔函数指第一类贝塞尔函数（Bessel function of the first kind）。一般贝塞尔函数是下列常微分方程（一般称为贝塞尔方程）的标准解函数${\displaystyle y(x)}$，对应解称为 阶贝塞尔函数。

尽管在上述微分方程中，α本身的正负号不改变方程的形式，但实际应用中仍习惯针对α和−α定义两种不同的贝塞尔函数（这样做能带来好处，比如消除了函数在α=0 点的不光滑性）。

贝塞尔函数也被称为柱谐函数、圆柱函数或圆柱谐波，因为他们是于拉普拉斯方程在圆柱坐标上的求解过程中被发现的。

贝塞尔函数的几个正整数阶特例早在18世纪中叶就由瑞士数学家丹尼尔·伯努利在研究悬链振动时提出了，当时引起了数学界的兴趣。丹尼尔的叔叔雅各布·伯努利，欧拉、拉格朗日等数学大师对贝塞尔函数的研究作出过重要贡献。1817年，德国数学家贝塞尔在研究开普勒提出的三体引力系统的运动问题时，第一次系统地提出了贝塞尔函数的总体理论框架，后人以他的名字来命名了这种函数 页面存档备份，存于互联网档案馆。

贝塞尔方程是在圆柱坐标或球坐标下使用分离变量法求解拉普拉斯方程和亥姆霍兹方程时得到的（在圆柱域问题中得到的是整阶形式 α = ；在球形域问题中得到的是半奇数阶形式 α = +½），因此贝塞尔函数在波的传播问题以及各种涉及有势场的问题中占有非常重要的地位，最典型的问题有：

在其他一些领域，贝塞尔函数也相当有用。譬如在信号处理中的调频合成（FM synthesis）或凯泽窗（Kaiser window）的定义中，都要用到贝塞尔函数。

贝塞尔方程是一个二阶常微分方程，必然存在两个线性无关的解。针对各种具体情况，人们提出了表示这些解的不同形式。下面分别介绍这些不同类型的贝塞尔函数。

第一类贝塞尔函数（Bessel function of the first kind），又称贝塞尔函数（Bessel function），下文中有时会简称为J函数，记作。

第一类α阶贝塞尔函数_α()是贝塞尔方程当α为整数或α非负时的解，须满足在 = 0 时有限。这样选取和处理_α的原因见本主题下面的性质介绍；另一种定义方法是通过它在 = 0 点的泰勒级数展开（或者更一般地通过幂级数展开，这适用于α为非整数）：

上式中${\displaystyle \mathrm{\Gamma <!--\; \Gamma \; -->}(z)}$的增加，零点的间隔会越来越接近周期性。图2所示为0阶、1阶和2阶第一类贝塞尔函数${\displaystyle J_{\mathrm{\alpha <!--\; \alpha \; -->}}(x)}$。

第二类贝塞尔函数也许比第一类更为常用。这种函数通常用_α()表示，它们是贝塞尔方程的另一类解。 = 0 点是第二类贝塞尔函数的（无穷）奇点。

_α()又被称为诺依曼函数（Neumann function），有时也记作_α()。它和_α()存在如下关系：

若α为整数（此时上式是${\displaystyle \frac{0}{0}}$_α()的定义可以知道，若α不为整数时，定义_α是多余的（因为贝塞尔方程的两个线性无关解都已经用J函数表示出来了）。另一方面，若α为整数，便可以和构成贝塞尔方程的一个解系。与J函数类似，Y函数正负整数阶之间也存在如下关系：

_α()和_α()均为沿负实半轴割开的复平面内关于的全纯函数。当α为整数时，复平面内不存在贝塞尔函数的支点，所以 和 均为 的整函数。若将 固定，则贝塞尔函数是α的整函数。图3所示为0阶、1阶和2阶第二类贝塞尔函数${\displaystyle Y_{\mathrm{\alpha <!--\; \alpha \; -->}}(x)}$_α(1)()和_α(2)()，分别定义为：

其中 为虚数单位${\displaystyle \sqrt{-<!--\; -\; -->1}}$ 为复数时同样成立，并且当 为纯虚数时能得到一类重要情形——它们被称为第一类修正贝塞尔函数（modified Bessel function of the first kind）和第二类修正贝塞尔函数（modified Bessel function of the second kind），或虚变量的贝塞尔函数（有时还称为双曲型贝塞尔函数），定义为：

以上形式保证了当变量 为实数时，函数值亦为实数。这两个函数构成了下列修正贝塞尔方程（与一般贝塞尔方程的差别仅在两个正负号）的一个相互线性无关的解系：

修正贝塞尔函数与一般贝塞尔函数的差别在于：一般贝塞尔函数随实变量是振荡型的，而修正贝塞尔函数_α 和_α则分别是指数增长和指数衰减型的。和第一类贝塞尔函数_α一样，函数_α当α > 0 时在=0 点等于0，当α=0时在=0 点趋于有限值。类似地，_α在=0 点发散（趋于无穷）。

：${\displaystyle J_{\mathrm{\alpha <!--\; \alpha \; -->}}(x)=0}$ 方向）分量的常微分方程：

关于上述方程的一对线性无关解称为球贝塞尔函数，分别用和表示（有时也记为）。这两个函数与一般贝塞尔函数和 存在关系：

球贝塞尔函数也可写成：

0阶第一类球贝塞尔函数${\displaystyle j_0(x)}$，存在：

而对实自变量，(2)是上面(1)的复共轭（!! 表示双阶乘）。由此我们可以通过得到，再分离实部虚部，求出相应阶 和 的表达式，譬如₀() = sin()/，₀() = -cos()/，等等。

黎卡提-贝塞尔函数（Riccati-Bessel functions）和球贝塞尔函数比较类似：

该函数满足方程：

这个方程以及相应的黎卡提-贝塞尔解是德国物理学家古斯塔夫·米（Gustav Mie）于1908年研究电磁波在球状颗粒表面散射问题时提出的，后人将这种散射称为米氏散射（Mie scattering）。这个问题近几年的进展可参见文献 Du (2004)。

后人有时会遵从德拜（Debye）在1909年的论文中的记法，用${\displaystyle {\mathrm{\psi <!--\; \psi \; -->}}_n,{\mathrm{\chi <!--\; \chi \; -->}}_n}$ 为小量，即，即${\displaystyle x\gg <!--\; \gg \; -->|{\mathrm{\alpha <!--\; \alpha \; -->}}^2-<!--\; -\; -->1/4|}$）第一类贝塞尔函数常通过对其母函数（）的罗朗级数（Laurent series）展开来定义：

上式得左边即为整阶第一类贝塞尔函数的母函数，这是丹麦天文学家汉森于1843年提出的。（这种定义也可以通过路径积分或其他方法推广到非整数阶）。整阶函数的另一个重要性质是下列雅可比-安格尔恒等式（）：

利用这一等式可以将平面波展开成一系列柱面波的叠加，或者将调频信号分解成傅里叶级数的叠加。

函数_α、_α、_α(1)和_α(2)均满足递推关系：

其中代表, , (1)或(2)。（常将这两个恒等式联立推出其他关系）。从这组递推关系可以通过低阶贝塞尔函数（或它们的低阶导数）计算高阶贝塞尔函数（或它们的高阶导数）。特别地，有：

由于贝塞尔方程对应的作用算符除以 后便是一个（自伴随的）厄米算符（Hermitian），所以它的解在适当的边界条件下须满足正交性关系。特别地，可推得：

其中α > -1，δ_,为克罗内克δ，_α,m表示_α()的第 级零点。这个正交性关系可用于计算傅里叶-贝塞尔级数中各项的系数，以利用该级数将任意函数写成α固定、 变化的函数_α( _α,m)的无穷叠加形式。（可以立即得到球贝塞尔函数相应的关系）。

另一个正交性关系是下列在α > -1/2时成立的“封闭方程”（）：

其中δ为狄拉克δ函数。球贝塞尔函数的正交性条件为（当α > 0）：

贝塞尔方程的另一个重要性质与其朗斯基行列式（Wronskian）相关，由阿贝尔恒等式（Abel's identity）得到：

其中_α 和_α是贝塞尔方程的任意两个解，_α是与 无关的常数（由α和贝塞尔函数的种类决定）。譬如，若_α = _α、_α = _α，则_α is 2/π。该性质在修正贝塞尔函数中同样适用，譬如，若_α = _α、_α = _α，则_α为-1。