C. Норма функции Бесселя для граничных условий Дирихле

Для вычисления нормы решения уравнения для геометрии необходимо вычислить норму функции Бесселя, которая определяется следующим образом

0μrJm2(r)dr,\int_0^{\mu} r \cdot J_m^2(r) \,dr,
(C.1)

где μ\mu — одно из решений уравнения Jm(μ)=0J_m(\mu) = 0.

Известны следующие интегралы

rm+1Jm(r)dr=rm+1Jm+1(r)+C,\int r^{m+1} \cdot J_m(r) \,dr = r^{m+1} \cdot J_{m+1}(r) + C,
(C.2)
rmJm+1(r)dr=rmJm(r)+C,\int r^{-m} \cdot J_{m+1}(r) \,dr = - r^{-m} \cdot J_m(r) + C,
(C.3)

а также формулы для производных функции Бесселя

rdJm(r)dr=mJm(r)rJm+1(r),при m=0    dJ0(r)dr=J1(r),r \cdot \frac{\displaystyle d J_m(r)}{\displaystyle dr} = m \cdot J_m(r) - r \cdot J_{m+1}(r), \quad \text{при } m = 0 \;\Rightarrow\; \frac{\displaystyle d J_0(r)}{\displaystyle dr} = - J_1(r),
(C.4)
rdJm(r)dr=mJm(r)+rJm1(r),при m=0    dJ0(r)dr=J1(r).r \cdot \frac{\displaystyle d J_m(r)}{\displaystyle dr} = - m \cdot J_m(r) + r \cdot J_{m-1}(r), \quad \text{при } m = 0 \;\Rightarrow\; \frac{\displaystyle d J_0(r)}{\displaystyle dr} = J_{-1}(r).
(C.5)

Попробуем вычислить норму (C.1) интегрированием по частям:

0μrJm2(r)dr=u=rmJm(r),v=rm+1Jm+1(r)du=mrm1Jm(r)dr+rm1[mJm(r)rJm+1(r)]drdv=rm+1Jm(r)dr\int_0^{\mu} r \cdot J_m^2(r) \,dr = \left | \begin{array}{l} u = r^{-m} \cdot J_m(r), \quad v = r^{m+1} \cdot J_{m+1}(r)\\ du = -m \cdot r^{-m-1} \cdot J_m(r) \,dr + r^{-m-1} \cdot \left[ m \cdot J_m(r) - r \cdot J_{m+1}(r) \right] \,dr\\ dv = r^{m+1} \cdot J_m(r) \,dr \end{array} \right |
0μrJm2(r)dr=rJm(r)Jm+1(r)0μ+0μrJm+12(r)dr=0μrJm+12(r)dr.\int_0^{\mu} r \cdot J_m^2(r) \,dr = r \cdot J_m(r) \cdot J_{m+1}(r) \bigg|_0^{\mu} + \int_0^{\mu} r \cdot J_{m+1}^2(r) \,dr = \int_0^{\mu} r \cdot J_{m+1}^2(r) \,dr.

Полученный интеграл также возьмём по частям:

0μrJm+12(r)dr=u=Jm+12(r),du=2Jm+1(r)1r[(m+1)Jm+1(r)+rJm(r)]drdv=rdr,v=r2/2\int_0^{\mu} r \cdot J_{m+1}^2(r) \,dr = \left | \begin{array}{ll} u = J_{m+1}^2(r), &du = 2 \cdot J_{m+1}(r) \cdot \frac{\displaystyle 1}{\displaystyle r} \cdot \left[ - (m+1) \cdot J_{m+1}(r) + r \cdot J_m(r) \right] \,dr\\ dv = r \,dr, &v = r^2 / 2 \end{array} \right |
0μrJm+12(r)dr=μ22Jm+12(μ)+(m+1)0μrJm+12(r)dr0μr2Jm(r)Jm+1(r)dr.\int_0^{\mu} r \cdot J_{m+1}^2(r) \,dr = \frac{\displaystyle \mu^2}{\displaystyle 2} \cdot J_{m+1}^2(\mu) + (m+1) \cdot \int_0^{\mu} r \cdot J_{m+1}^2(r) \,dr - \int_0^{\mu} r^2 \cdot J_m(r) \cdot J_{m+1}(r) \,dr.

Последний интеграл возьмём по частям:

0μr2Jm(r)Jm+1(r)dr=u=rm+2Jm(r),v=rmJm(r)du=(m+2)rm+1Jm(r)+rm+1[mJm(r)rJm+1(r)]drdv=rmJm+1(r)dr\int_0^{\mu} r^2 \cdot J_m(r) \cdot J_{m+1}(r) \,dr = \left | \begin{array}{l} u = r^{m+2} \cdot J_m(r), \quad v = - r^{-m} \cdot J_m(r)\\ du = (m+2) \cdot r^{m+1} \cdot J_m(r) + r^{m+1} \cdot \left[ m \cdot J_m(r) - r \cdot J_{m+1}(r) \right] \,dr\\ dv = r^{-m} \cdot J_{m+1}(r) \,dr \end{array} \right |
uv0μ=r2Jm2(r)0μ=0,u \cdot v \bigg|_0^{\mu} = - r^2 \cdot J_m^2(r) \bigg|_0^{\mu} = 0,
duv=2(m+1)rJm2(r)+r2Jm(r)Jm+1(r),du \cdot v = - 2 \cdot (m+1) \cdot r \cdot J_m^2(r) + r^2 \cdot J_m(r) \cdot J_{m+1}(r),
0μr2Jm(r)Jm+1(r)dr=2(m+1)0μrJm2(r)dr0μr2Jm(r)Jm+1(r)dr,\int_0^{\mu} r^2 \cdot J_m(r) \cdot J_{m+1}(r) \,dr = 2 \cdot (m+1) \cdot \int_0^{\mu} r \cdot J_m^2(r) \,dr - \int_0^{\mu} r^2 \cdot J_m(r) \cdot J_{m+1}(r) \,dr,
0μr2Jm(r)Jm+1(r)dr=(m+1)0μrJm2(r)dr.\int_0^{\mu} r^2 \cdot J_m(r) \cdot J_{m+1}(r) \,dr = (m+1) \cdot \int_0^{\mu} r \cdot J_m^2(r) \,dr.

Подставим последнее равенство в полученное ранее выражение для интеграла 0μrJm+12(r)dr\int_0^{\mu} r \cdot J_{m+1}^2(r) \,dr. С учётом равенства 0μrJm2(r)dr=0μrJm+12(r)dr\int_0^{\mu} r \cdot J_m^2(r) \,dr = \int_0^{\mu} r \cdot J_{m+1}^2(r) \,dr слагаемые с (m+1)(m+1) сокращаются, и окончательно получаем:

0μrJm2(r)dr=μ22Jm+12(μ).\int_0^{\mu} r \cdot J_m^2(r) \,dr = \frac{\displaystyle \mu^2}{\displaystyle 2} \cdot J_{m+1}^2(\mu).
(C.6)