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Grado en Matemáticas

Ecuación y funciones de Bessel

Las vibraciones de un disco no se describen solo con senos en una recta: la geometría del radio introduce otra ecuación. Vamos a reconocerla, construir una de sus soluciones término a término y ver por qué el centro y la frontera deciden qué soluciones sirven.

1. Orden y variable desempeñan papeles diferentes

La ecuación de Bessel es x^2y\!\prime\prime+xy\!\prime+(x^2-\nu^2)y=0. ν es un orden fijo; x recorre un intervalo positivo. Dividir por x² muestra los coeficientes 1/x y 1−ν²/x².

En x>0 es una ecuación lineal ordinaria de segundo orden y dos datos en un punto positivo determinan una solución. En cero los coeficientes divididos son singulares: no podemos aplicar allí ese teorema sin estudiar antes la conducta de las soluciones.

Cambiar el orden no es evaluar

Escribir las ecuaciones de orden cero y dos.

  1. Orden cero

    ν=0 da x²y″+xy′+x²y=0.
  2. Orden dos

    ν=2 da x²y″+xy′+(x²−4)y=0.
  3. Interpretar

    En ambas x sigue siendo variable; no se ha puesto x=0 ni x=2.
Resultado

El orden elige una familia de soluciones.

Lo comprobamos

J₂(3) significa orden dos evaluado en tres.

Un punto ordinario y otro singular

Comparar imponer datos en x=1 y en x=0.

  1. En uno

    Los coeficientes tras dividir son finitos y continuos alrededor de uno.

  2. En cero

    1/x no está definido y el teorema ordinario no se aplica.

  3. Consecuencia

    En el origen se seleccionan soluciones por su desarrollo y regularidad.

Resultado

No todos los puntos admiten el mismo planteamiento inicial.

Lo comprobamos

La ecuación sin dividir no autoriza a ignorar la singularidad.

2. Separar radio y ángulo produce la ecuación

En polares, Δu=uᵣᵣ+(1/r)uᵣ+(1/r²)uθθ.

Para −Δu=k²u, buscar u=R(r)Θ(θ) separa una ecuación angular Θ″+n²Θ=0. La periodicidad de una vuelta completa obliga a n entero; podemos tomar n≥0.

La radial queda r²R″+rR′+(k²r²−n²)R=0.
Si k>0, x=kr y R(r)=y(kr) aportan R′=ky′, R″=k²y″: aparece Bessel.

El caso k=0 requiere otra resolución; no se divide por k.

Un modo sin variación angular

Tomar Θ=1 y k=3.

  1. Ángulo

    Θ″=0 corresponde a n=0.
  2. Radio

    r²R″+rR′+9r²R=0.
  3. Escala

    x=3r da x²y″+xy′+x²y=0.
Resultado

Es Bessel de orden cero con argumento 3r.

Lo comprobamos

El tres multiplica el argumento; no es el orden.

Una vuelta completa restringe el ángulo

Comparar cos(2θ) y cos(θ/2).

  1. Primera

    Al aumentar θ en 2π, cos(2θ+4π)=cos(2θ).
  2. Segunda

    cos(θ/2+π)=−cos(θ/2), que no coincide en general.
  3. Elegir

    Para una función monovaluada en el disco el segundo modo no cumple periodicidad.

Resultado

El orden entero viene de la geometría angular.

Lo comprobamos

El modo seno se trata igual; n=0 aporta una constante angular.

3. La serie define J y deja leer cada coeficiente

Para n entero no negativo, J_n(x)=\sum_{k=0}^\infty\frac{(-1)^k(x/2)^{2k+n}}{k!(k+n)!}. k cuenta términos y n fija el orden. Empieza con (x/2)ⁿ/n! y añade potencias separadas por dos.

La serie de orden cero empieza en uno y añade correcciones de grado creciente
Cada término tiene su propio factorialJ₀(x): potencias paresk=01k=1−x²/4k=2+x⁴/64k=3−x⁶/2304No es un polinomio finito.
Las cuatro filas sustituyen sucesivamente cero, uno, dos y tres en el índice de la serie de J cero. El numerador aporta el signo alterno y la potencia x sobre dos elevada a dos k; el denominador contiene k factorial dos veces. La fila de k dos da x a la cuarta dividido por sesenta y cuatro, y la de k tres da menos x a la sexta dividido por dos mil trescientos cuatro. Se muestran términos, no valores de la función en puntos distintos. La serie continúa indefinidamente; truncarla produce una aproximación con un resto que hay que controlar.

El cociente de módulos consecutivos es |x|²/[4(k+1)(k+n+1)] y tiende a cero. La serie converge para todo x complejo y se deriva en compactos. Para ν real no negativo y x>0, la fórmula usa Γ(k+ν+1) en vez de (k+n)! y potencia (x/2)^\nu.

Leer una serie de orden dos

Obtener los primeros términos de J₂.

  1. k cero

    (x/2)²/(0!·2!)=x²/8.
  2. k uno

    −(x/2)⁴/(1!·3!)=−x⁴/96.
  3. k dos

    +(x/2)⁶/(2!·4!)=x⁶/3072.
Resultado

J₂(x)=x²/8−x⁴/96+x⁶/3072+O(x⁸).

Lo comprobamos

El primer término no es uno si el orden es dos.

Ver por qué converge

Fijar n=1 y x=2.

  1. Cociente

    Los módulos consecutivos tienen razón 1/[(k+1)(k+2)].

  2. Valores

    Para k=0 es 1/2; para k=1, 1/6; después disminuye.
  3. Límite

    La razón tiende a cero: la serie converge absolutamente.

Resultado

No se necesita x pequeño para la convergencia de la serie completa.

Lo comprobamos

Una truncación corta sí puede ser mala para x grande.

4. La ecuación determina los coeficientes a partir de una amplitud

En orden cero buscamos una solución par y=Σaₖx²ᵏ. Los dos primeros términos diferenciales aportan 4k²aₖx²ᵏ y x²y aporta aₖ₋₁x²ᵏ.

Igualar coeficientes da aₖ=−aₖ₋₁/(4k²), k≥1.
Elegir a₀=1 produce J₀=1−x²/4+x⁴/64−x⁶/2304+⋯.

Otra elección de a₀ multiplica toda esta solución por una constante. Construir una solución regular por serie no produce automáticamente las dos soluciones independientes.

Calcular un término posterior

Encontrar el coeficiente de x⁶ de J₀.

  1. Anterior

    a₂=1/64.
  2. Recurrencia

    a₃=−a₂/(4·3²)=−(1/64)/36.
  3. Reducir

    a₃=−1/2304.
Resultado

El coeficiente incluye signo y denominador completos.

Lo comprobamos

La fila de k=3 de la definición da el mismo resultado.

Otra amplitud

Tomar a₀=2 y obtener hasta grado cuatro.

  1. Primer coeficiente

    a₁=−2/4=−1/2.
  2. Segundo

    a₂=−(−1/2)/16=1/32.
  3. Comparar

    2−x²/2+x⁴/32+⋯ es 2J₀.

Resultado

La ecuación homogénea permite cualquier múltiplo.

Lo comprobamos

La normalización J₀(0)=1 elige un múltiplo concreto.

5. La segunda solución importa si el dominio la permite

En x>0 la solución general es AJν+BYν.
Su wronskiano JνYν′−Jν′Yν=2/(πx) no se anula.

Para orden entero, J₋ₙ=(−1)ⁿJₙ: esa función no aporta una segunda solución independiente.

En un disco se exige conducta regular en el centro; en un anillo el centro está fuera
El centro cambia las soluciones admisiblesrDisco: incluye r=0Acotación: se elimina Y₀Anillo: admite J₀ y Y₀
El dibujo superior muestra un disco que incluye el origen radial. Para orden cero, J cero permanece finita allí y Y cero diverge logarítmicamente: imponer acotación elimina el coeficiente de Y cero. El inferior muestra un anillo con radio interior positivo; el centro blanco no pertenece al dominio. En ese intervalo radial ambas funciones son soluciones admisibles y las dos fronteras seleccionan su combinación. El dibujo compara dominios geométricos, no las gráficas de las funciones. Acotar en el centro es una condición del problema, no una instrucción que se aplique a cualquier dominio.

J₀→1, mientras Y₀ diverge como (2/π)ln x al acercarnos a cero por la derecha.

Si n≥1, Jₙ se comporta como xⁿ/(2ⁿn!) y Yₙ como −(n−1)!2ⁿ/(πxⁿ).

La acotación en el centro de un disco elimina Y; en un anillo no impone esa eliminación.

Una combinación acotada

Para orden cero, exigir que AJ₀+BY₀ sea acotada cerca de cero.

  1. Primera parte

    AJ₀ tiene límite finito A.

  2. Segunda

    Si B≠0, BY₀ diverge logarítmicamente y no puede cancelarla un término finito.

  3. Condición

    Por tanto B=0.
Resultado

Queda AJ₀.

Lo comprobamos

Acotada no significa amplitud uno: A aún depende de los datos.

El origen queda fuera

Resolver en el intervalo 2<x<5.

  1. Coeficientes

    No hay singularidad dentro del intervalo.

  2. Base

    Jν y Yν son independientes porque 2/(πx)≠0.
  3. Datos

    Dos condiciones de frontera pueden requerir ambos coeficientes.

Resultado

No descartamos Y por una divergencia en un punto que no está en el dominio.

Lo comprobamos

Para n=1, J₋₁=−J₁ y no reemplaza a Y₁.

6. Los órdenes vecinos ayudan a derivar sin rehacer toda la serie

Para x>0, J_{\nu-1}+J_{\nu+1}=2\nu J_\nu/x y J_{\nu-1}-J_{\nu+1}=2J_\nu\!\prime.

La segunda se refiere a derivar respecto de x, conservando ν.

En particular J₀′=−J₁.

Para n entero, la serie también da Jₙ(−x)=(−1)ⁿJₙ(x): orden par produce función par y orden impar, función impar. Una identidad con 1/x debe prolongarse por límite si queremos usar x=0.

Comprobar la identidad cerca de cero

Derivar los términos de J₀.

  1. Derivar

    J₀′=−x/2+x³/16−x⁵/384+⋯.
  2. Orden uno

    La serie da J₁=x/2−x³/16+x⁵/384+⋯.
  3. Comparar

    Los coeficientes coinciden con J₀′=−J₁.
Resultado

El subíndice no se deriva: identifica otra función.

Lo comprobamos

En cero ambas partes valen cero por continuidad.

Reconstruir un orden vecino

Usar la primera recurrencia con ν=1.

  1. Sustituir

    J₀+J₂=2J₁/x para x>0.
  2. Despejar

    J₂=2J₁/x−J₀.
  3. Primeros términos

    2J₁/x=1−x²/8+⋯ y J₀=1−x²/4+⋯; al restar empieza x²/8.
Resultado

La constante se cancela y queda el comienzo correcto de J₂.

Lo comprobamos

Para calcular el siguiente coeficiente hay que conservar suficientes términos.

7. La frontera convierte una familia continua en valores permitidos

En un disco de radio a, un modo regular de orden n tiene R(r)=AJₙ(kr).

Con Dirichlet R(a)=0 y A≠0, exigimos Jₙ(ka)=0.
Si j_{n,\ell} es el ℓ-ésimo cero positivo, k=jₙ,ℓ/a y el autovalor de −Δ es k².

La ecuación radial en forma simétrica es -(rR\!\prime)\!\prime+(n^2/r)R=k^2rR. Al multiplicar dos ecuaciones, restar e integrar, las fronteras regulares hacen desaparecer el borde.

Para el mismo n y autovalores distintos resulta ∫₀ᵃrR₁R₂dr=0.

El peso r proviene de la geometría polar.

Cambiar el tamaño del disco

Comparar radios a y 2a para el mismo cero j.

  1. Primer disco

    k=j/a y λ=j²/a².
  2. Segundo

    k nuevo=j/(2a), la mitad.
  3. Autovalor

    λ nuevo=j²/(4a²), la cuarta parte.
Resultado

El tamaño afecta el argumento y la escala espectral.

Lo comprobamos

No cambia cuál es el cero numerado dentro de la función estándar.

Ver el peso en una integral elemental

Comparar ∫₀³1 dr y ∫₀³r dr.

  1. Sin peso

    La primera integral mide la longitud radial y da tres.

  2. Con peso

    La segunda da [r²/2]₀³=9/2.
  3. Geometría

    Al integrar también el ángulo, 2π·9/2=9π recupera el área del disco de radio tres.

Resultado

La medida radial para el área incluye r.

Lo comprobamos

Para la ortogonalidad radial, ese mismo factor aparece en el producto interior.

8. Oscilar, crecer y cambiar de dimensión producen familias distintas

Para ν real fijo y x→+∞, J_\nu(x)=\sqrt{2/(\pi x)}\cos(x-\nu\pi/2-\pi/4)+O(x^{-3/2}).

Es una expansión aditiva: cerca de ceros del coseno no se interpreta como un cociente con ese coseno. La envolvente principal decrece como x⁻¹/².

Cambiar el signo da la ecuación modificada x²y″+xy′−(x²+ν²)y=0, con Iν y Kν.

En tres dimensiones aparecen las esféricas j_n(x)=\sqrt{\pi/(2x)}J_{n+1/2}(x). Estas jₙ son funciones, mientras jₙ,ℓ designa ceros: conviene leer los dos índices.

Leer la envolvente

Comparar la amplitud principal en x=10 y x=40.

  1. Dependencia

    La amplitud es proporcional a 1/√x.

  2. Cociente

    A(40)/A(10)=√(10/40)=1/2.
  3. Límite

    Esto compara envolventes; no afirma Jν(40)=Jν(10)/2 porque cambió la fase.

Resultado

La amplitud baja mientras la función sigue oscilando.

Lo comprobamos

Una fórmula asintótica para orden fijo no es uniforme para cualquier orden creciente.

Distinguir una Bessel esférica

Usar J₁/₂(x)=√(2/(πx))sin x en x>0.

  1. Relación

    j₀(x)=√(π/(2x))J₁/₂(x).
  2. Multiplicar

    Las raíces dan 1/x: j₀(x)=sin x/x.
  3. Centro

    Su límite en cero es uno, así se prolonga regularmente.

Resultado

j₀ esférica no es J₀ cilíndrica.

Lo comprobamos

Sus series empiezan 1−x²/6 y 1−x²/4, respectivamente.

9. Una aproximación corta necesita una cota del resto

En J₀ los términos son alternos. Si sus módulos decrecen hasta cero, el error tras cortar tiene módulo como máximo el primer término omitido. El cociente x²/[4(k+1)²] permite comprobar esa condición desde el índice elegido.

Para x=0,2, la razón inicial es 0,01 y después disminuye.

Cortar tras 1−x²/4 da 0,99 y error de módulo como máximo x⁴/64=0,000025. La serie exacta continúa: 0,99 es el polinomio aproximante, no el valor exacto de J₀.

Obtener un intervalo numérico

Aproximar J₀(1) con tres términos.

  1. Sumar

    1−1/4+1/64=49/64=0,765625.
  2. Omitido

    El siguiente término es −1/2304 y los módulos decrecen.

  3. Encerrar

    J₀(1) está entre 49/64−1/2304 y 49/64.

Resultado

El error no supera 1/2304.

Lo comprobamos

El signo del primer omitido también indica por qué el corte queda por encima.

Un corte inicial poco útil

Intentar usar solo 1−x²/4 en x=10.

  1. Cociente

    El primer cociente de módulos es 25: los términos iniciales crecen.

  2. Aproximación

    El corte da −24, lejos de una garantía de precisión.

  3. Decidir

    La convergencia de la serie completa no valida una cota alterna aplicada sin revisar sus hipótesis.

Resultado

Hay que elegir otro corte o método para evaluar con control.

Lo comprobamos

Convergencia y precisión de dos términos son preguntas diferentes.

10. Derivada nula y valor nulo eligen ceros diferentes

Con Neumann R′(a)=0, R=AJₙ(kr) da AkJₙ′(ka)=0.

Para A≠0 y k>0 se eligen ceros de la derivada. k=0 se estudia aparte: en orden cero puede aparecer un modo constante.

En un anillo a<r<b con a>0, R=AJₙ(kr)+BYₙ(kr).

Dos bordes de Dirichlet producen un sistema homogéneo en A,B; hay solución no nula cuando J_n(ka)Y_n(kb)-Y_n(ka)J_n(kb)=0. La ecuación espectral depende de ambas fronteras.

Una frontera que mira la pendiente

Orden cero, radio a, Neumann y k>0.

  1. Derivar

    R′(a)=AkJ₀′(ka).
  2. Identidad

    J₀′=−J₁ transforma la condición en J₁(ka)=0.
  3. Comparar

    Dirichlet habría exigido J₀(ka)=0: son ceros diferentes.

Resultado

Cambiar la condición física cambia los valores permitidos.

Lo comprobamos

El modo constante k=0 no se pierde al estudiarlo separadamente.

Dos paredes de un anillo

Escribir las condiciones R(a)=R(b)=0.

  1. Primera fila

    AJₙ(ka)+BYₙ(ka)=0.
  2. Segunda

    AJₙ(kb)+BYₙ(kb)=0.
  3. Compatibilidad

    Para no quedarnos solo con A=B=0, el determinante de estas dos filas debe anularse.

Resultado

En un anillo no basta con buscar un cero aislado de Jₙ.

Lo comprobamos

Cada fila evalúa la misma combinación en un radio distinto.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Primeros términos de J₀

Obtén los términos hasta x⁴ de J₀ usando la serie.

  1. Fijar el orden

    En J₀ tomamos n=0.
  2. Índice cero

    El término es uno.

  3. Índice uno

    −(x/2)²/(1!·1!)=−x²/4.
  4. Índice dos

    +(x/2)⁴/(2!·2!)=x⁴/64.
  5. Reunir

    J₀=1−x²/4+x⁴/64+O(x⁶).
  6. Comprobar

    La recurrencia aₖ=−aₖ₋₁/(4k²) reproduce ambos coeficientes.
Resultado

J₀(x)=1−x²/4+x⁴/64+O(x⁶).

Lo comprobamos

La recurrencia4k²aₖ+aₖ₋₁=0 produce a₁=−1/4 y a₂=1/64 de manera independiente.

EJEMPLO RESUELTO 2

Valor regular de orden uno

Calcula J₁(0) y el coeficiente de x en su expansión.

  1. Fijar el orden

    En J₁ ponemos n=1.
  2. Primer término

    k=0 aporta (x/2)/(0!·1!)=x/2.
  3. Segundo

    k=1 aporta −(x/2)³/(1!·2!)=−x³/16.
  4. Centro

    Todos los términos contienen x: la serie converge en cero y vale cero.

  5. Coeficiente

    El coeficiente lineal es 1/2.

  6. Comprobar

    J₀′=−J₁ confirma ambos datos con la serie anterior.

Resultado

J₁(0)=0; coeficiente lineal 1/2.

Lo comprobamos

J₀′=−J₁ y J₀′(x)=−x/2+O(x³), confirmando el coeficiente y el valor en cero.

Los símbolos que hemos usado

ν
Orden: parámetro que identifica la ecuación, distinto de la variable x.
J_\nu(x)
Función de Bessel de primera especie y orden ν, evaluada en x.
Y_\nu(x)
Segunda solución estándar, independiente en x>0.
n
Orden entero no negativo en los ejemplos de series.
j_{n,k}
k-ésimo cero positivo de J de orden n.
Γ
Función gamma; Γ(m+1)=m! para enteros m≥0.
O(x^m)
Resto de módulo como máximo C|x|ᵐ cerca de cero, para alguna constante C.

Ahora te toca a ti.

Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.

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