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과학

구면 베셀 함수

구면 베셀 함수과학
영문명
Spherical Bessel functions
여기서의 주된 함수
제1종 j_n
관계식
j_n(x)=√(π/(2x))J_(n+1/2)(x)
차수
0 이상의 정수 n
구면 베셀 함수는 반정수 차수의 베셀 함수에 제곱근 인자를 결합해 정의하는 특수함수 계열이다. 제1종 j_n은 일반 베셀 함수 J_n과 차수 및 정규화가 다르다.

반정수 차수와 연결한다

제1종 구면 함수의 n은 일반 베셀 함수 쪽의 n+1/2에 대응한다. 예를 들어 구면 0차 j_0은 원통형 베셀 0차 J_0이 아니라 J_(1/2)에 인자를 곱한 값이다. 관련 함수의 이름과 기호가 비슷하더라도 직접 같은 숫자로 치환할 수 없다. 입력이 0인 경우에는 정의식의 겉보기 분모만 보고 결정하지 말고 극한을 살펴야 한다.

낮은 차수의 식

0차는 j_0(x)=sin x/x이고 1차는 j_1(x)=sin x/x²−cos x/x다. 0차를 미분하면 cos x/x−sin x/x²여서 j_0′=−j_1이라는 관계를 직접 확인할 수 있다. x=π에서는 j_0=0이지만 j_1=1/π다. 한 차수의 영점이 다른 차수까지 동시에 0으로 만든다는 뜻은 아니다.

원점에서의 극한

삼각함수 급수로 j_0(x)=1−x²/6+⋯를 얻으므로 j_0(0)=1로 연속적으로 확장할 수 있다. j_1에서는 1/x 항들이 상쇄되고 x/3−x³/30+⋯가 남아 원점 값은 0이다. 매우 작은 x에서 서로 큰 항들을 직접 빼면 이 상쇄가 수치적 정밀도 손실을 만들 수 있어 급수나 전용 계산을 검토해야 한다.

도함수와 차수의 구분

n≥1,x≠0에서 j_n′=j_(n−1)−(n+1)j_n/x라는 관계를 사용할 수 있다. n=2이면 j_2′=j_1−3j_2/x다. 차수를 하나 낮춘 함수를 구하는 것과 x에 대한 도함수를 구하는 것은 다른 연산이다. 제2종이나 수정 구면 함수까지 포함하는 계열도 있으므로 필요한 종류와 반환값, 원점 근처 처리 조건을 함께 확인한다.

관련 문서

베셀 함수 / 삼각함수 / 테일러 급수 / 미분방정식 / 특수함수 / 에어리 함수