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Propriedades de Bessel, Exercícios de Fenômenos de Transporte

Duas demonstrações matemáticas envolvendo a função de Bessel de primeiro tipo de ordem v. A primeira demonstração mostra que Jv-1(x) pode ser expresso como uma série de potências, enquanto a segunda demonstração mostra que Jv+1(x) pode ser expresso como uma série de potências. Ambas as demonstrações envolvem manipulação algébrica e cálculo diferencial.

Tipologia: Exercícios

2020

À venda por 04/09/2022

astrosccp
astrosccp 🇧🇷

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bg1
Trabalho de Propriedades de Bessel
1. A função de Bessel de primeiro tipo de ordem
v
é dada por:
Jv
(
x
)
=
n=0
(
1
)
nx2n+v
22n+vn !
(
n+v
)
!
Mostre que:
Jv1
(
x
)
=
n=0
(
1
)
nx2n+v1
22n+v1n!
(
n+v1
)
!
Mostre que:
d
(
xvJv
)
dx =xvJv1
RESPOSTA:
Dada a função de Bessel tal que:
Jv
(
x
)
=
n=0
(
1
)
nx2n+v
22n+vn !
(
n+v
)
!
Para
v=k=0,1,2,3 ,
Jk
(
x
)
=
n=0
(
1
)
nx2n+k
22n+kn !
(
n+k
)
!
De forma particular, aplica-se os números:
k=0 J 0
(
x
)
=
n=0
(
1
)
nx2n
22nn!
(
n
)
!
k=2 J2
(
x
)
=
n=0
(
1
)
nx2n+2
22n+2n!
(
n+2
)
!
Assim, pode-se afirmar que:
k=
(
v1
)
J
(
v1
)
(
x
)
=
n=0
(
1
)
nx2n+
(
v1
)
22n+
(
v1
)
n !
(
n+
(
v1
)
)
! J v1
(
x
)
=
n=0
(
1
)
nx2n+v1
22n+v1n !
(
n+v1
)
!
Ainda, multiplicando
Jv
por
xv
:
xvJv
(
x
)
=xv
n=0
(
1
)
nx2n+v
22n+vn !
(
n+v
)
!=
n=0
(
1
)
nx2n+2v
22n+vn!
(
n+v
)
!
A derivada de
xvJv
(
x
)
com relação à
x
:
d
(
xvJv
(
x
)
)
dx =d
dx
[
n=0
(
1
)
nx2n+2v
22n+vn !
(
n+v
)
!
]
=
n=0
d
dx
[
(
1
)
nx2n+2v
22n+vn !
(
n+v
)
!
]
Fazendo a derivada dentro do somatório, tem-se:
d
(
xvJv
(
x
)
)
dx =
n=0
d
dx
[
(
1
)
nx2n+2v
22n+vn !
(
n+v
)
!
]
=
n=0
(
1
)
n
22n+vn !
(
n+v
)
!
[
d
dx
(
x2n+2v
)
]
=
n=0
(
1
)
n
22n+vn !
(
n+v
)
!
[
(
n+v
)
x2n+2v1
]
=
n=0
(
1
)
n
(
n+v
)
x2n+v1xv
22n+v1n !
(
n+v
) (
n+v1
)
!
Logo:
pf3

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Trabalho de Propriedades de Bessel

  1. A função de Bessel de primeiro tipo de ordem v é dada por:
J

v

( x )=

n= 0

n

x

2 n+ v

2 n+v

n! ( n+ v )!

Mostre que:

J

v− 1

( x )=

n= 0

n

x

2 n+v− 1

2 n+v− 1

n! ( n+v − 1 )!

Mostre que:

d

x

v

J

v

dx

=x

v

J

v− 1

RESPOSTA :

Dada a função de Bessel tal que:

J

v

( x )=

n= 0

n

x

2 n+ v

2 n+v

n! ( n+ v )!

Para

v=k =0,1,2,3 , …

J

k

( x )=

n= 0

n

x

2 n+ k

2 n+k

n !( n+k )!

De forma particular, aplica-se os números:

k = 0 → J

0

( x )=

n= 0

n

x

2 n

2 n

n! ( n)!

k = 1 → J

1

( x ) =

n= 0

n

x

2 n + 1

2 n + 1

n !( n+ 1 )!

k = 2 → J

2

( x) =

n= 0

n

x

2 n+ 2

2 n + 2

n!( n+ 2 )!

Assim, pode-se afirmar que:

k =( v − 1 ) → J

( v− 1

)

( x )=

n= 0

n

x

2 n +

( v− 1

)

2 n+( v− 1 )

n! ( n+

v− 1

→ J

v− 1

( x )=

n= 0

n

x

2 n +v− 1

2 n +v− 1

n! ( n+ v− 1 )!

Ainda, multiplicando

J

v

por x

v

x

v

J

v

( x )=x

v

n= 0

n

x

2 n+ v

2 n+v

n !( n+ v )!

n= 0

n

x

2 n+ 2 v

2 n +v

n! ( n+ v )!

A derivada de

x

v

J

v

( x ) com relação à

x :

d

x

v

J

v

x

dx

d

dx

[

n= 0

n

x

2 n + 2 v

2 n+ v

n!

n+ v

]

n= 0

d

dx

[

n

x

2 n + 2 v

2 n+ v

n!

n+v

]

Fazendo a derivada dentro do somatório, tem-se:

d

x

v

J

v

( x )

dx

n= 0

d

dx

[

n

x

2 n + 2 v

2 n+ v

n!

n+ v

]

n= 0

n

2 n+ v

n!

n+ v

[

d

dx

( x

2 n+ 2 v

]

n= 0

n

2 n+v

n!

n+ v

[ ( n+ v ) x

2 n+ 2 v− 1

]=

n= 0

2 n+ v− 1

Logo:

d ( x

v

J

v

dx

=x

v

n= 0

n

x

2 n+ v− 1

2 n+ v− 1

n!

n+ v− 1

=x

v

J

v− 1

  1. A função de Bessel de primeiro tipo de ordem

v é dada por:

J

v

( x )=

n= 0

n

x

2 n+ v

2 n+v

n! ( n+ v )!

Mostre que:

J

v + 1

( x )=

n= 0

n

x

2 n+ v+ 1

2 n+ v+ 1

n! ( n+v + 1 )!

Mostre que:

d

x

−v

J

v

dx

=−x

−v

J

v+ 1

RESPOSTA :

Similarmente ao primeiro exemplo, fazendo

v → v + 1 , logo:

J

v

( x )=

n= 0

n

x

2 n+ v

2 n+v

n !( n+ v )!

∴ J

v+ 1

( x )=

n= 0

n

x

2 n +(v + 1 )

2 n +(v + 1 )

n! ( n+

v + 1

Multiplicando

J

v

por x

−v

x

−v

J

v

( x) =x

−v

n= 0

n

x

2 n+v

2 n+ v

n! ( n+ v )!

n= 0

n

x

2 n+ v

x

−v

2 n+v

n !( n+ v )!

n= 0

n

x

2 n

2 n +v

n! ( n+v )!

Fazendo a derivada de x

−v

J

v

x

d ( x

−v

J

v

x

dx

d

dx

[

n= 0

n

x

2 n

2 n+ v

n!

n+ v

]

n= 0

n

2 n+ v

n!

n+v

d

dx

( x

2 n

n= 0

n

2 n x

2 n− 1

2 n+ v

n!

n+v

n= 0

n

n x

2 n− 1

2 n+v− 1

n!

n+v

n= 0

2

Multiplicando ambos os lados por x

v

d ( x

−v

J

v

x

dx

−x

v

x

v

n= 1

n− 1

x

2 n− 1

2 n+ v− 1

n− 1

n+v

=−x

−v

n= 1

n− 1

x

2 n− 1

x

v

2 n +v− 1

n− 1

n+v

=−x

−v

n= 1

n− 1

x

2 n +v− 1

2 n+ v− 1

n− 1

n+v

=−x

−v

n

Seja

m=( n− 1 ) →n=m+ 1 , logo:

d ( x

−v

J

v

x

dx

=−x

−v

m= 0

m

x

2 ( m+ 1 )+v− 1

2 (m+ 1 ) +v− 1

( m)! ( m+ 1 + v )!

=−x

−v

m= 0

m

x

2 m +v+ 1

2 m+v + 1

m

m+ 1 + v

Substituindo

m por

n :

d ( x

−v

J

v

dx

=−x

−v

n= 0

n

x

2 n +v+ 1

2 n+v + 1

n

n+ 1 +v

=−x

−v

J

v+ 1

  1. Mostre que:

d J

0

( x )

dx

=J

0

'

x

=−J

1

x

RESPOSTA :