D. Норма функции Бесселя для граничных условий Неймана

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,
(D.1)

где μ\mu — одно из решений уравнения dJm(r)drr=μ=0\frac{\displaystyle d J_m(r)}{\displaystyle dr} \bigg|_{r=\mu} = 0.

Из формулы (C.4) при r=μr = \mu, где Jm(μ)=0J_m'(\mu) = 0, получаем соотношение mJm(μ)=μJm+1(μ)m \cdot J_m(\mu) = \mu \cdot J_{m+1}(\mu), которое используется ниже.

Попробуем вычислить норму (D.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 |

Граничный член, в отличие от случая Дирихле, не обращается в нуль:

rJm(r)Jm+1(r)0μ=μJm(μ)Jm+1(μ)=mJm2(μ).r \cdot J_m(r) \cdot J_{m+1}(r) \bigg|_0^{\mu} = \mu \cdot J_m(\mu) \cdot J_{m+1}(\mu) = m \cdot J_m^2(\mu).
0μrJm2(r)dr=mJm2(μ)+0μrJm+12(r)dr.\int_0^{\mu} r \cdot J_m^2(r) \,dr = m \cdot J_m^2(\mu) + \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=m22Jm2(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 m^2}{\displaystyle 2} \cdot J_m^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=μ2Jm2(μ),u \cdot v \bigg|_0^{\mu} = - r^2 \cdot J_m^2(r) \bigg|_0^{\mu} = - \mu^2 \cdot J_m^2(\mu),
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=μ2Jm2(μ)+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 = - \mu^2 \cdot J_m^2(\mu) + 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=μ22Jm2(μ)+(m+1)0μrJm2(r)dr.\int_0^{\mu} r^2 \cdot J_m(r) \cdot J_{m+1}(r) \,dr = - \frac{\displaystyle \mu^2}{\displaystyle 2} \cdot J_m^2(\mu) + (m+1) \cdot \int_0^{\mu} r \cdot J_m^2(r) \,dr.

Подставляя найденные равенства последовательно одно в другое, выражаем норму:

0μrJm+12(r)dr=1m0μr2Jm(r)Jm+1(r)drm2Jm2(μ),\int_0^{\mu} r \cdot J_{m+1}^2(r) \,dr = \frac{\displaystyle 1}{\displaystyle m} \cdot \int_0^{\mu} r^2 \cdot J_m(r) \cdot J_{m+1}(r) \,dr - \frac{\displaystyle m}{\displaystyle 2} \cdot J_m^2(\mu),
0μrJm2(r)dr=mJm2(μ)+1m0μr2Jm(r)Jm+1(r)drm2Jm2(μ),\int_0^{\mu} r \cdot J_m^2(r) \,dr = m \cdot J_m^2(\mu) + \frac{\displaystyle 1}{\displaystyle m} \cdot \int_0^{\mu} r^2 \cdot J_m(r) \cdot J_{m+1}(r) \,dr - \frac{\displaystyle m}{\displaystyle 2} \cdot J_m^2(\mu),
0μrJm2(r)dr=m2Jm2(μ)+1m0μr2Jm(r)Jm+1(r)dr,\int_0^{\mu} r \cdot J_m^2(r) \,dr = \frac{\displaystyle m}{\displaystyle 2} \cdot J_m^2(\mu) + \frac{\displaystyle 1}{\displaystyle m} \cdot \int_0^{\mu} r^2 \cdot J_m(r) \cdot J_{m+1}(r) \,dr,
0μrJm2(r)dr=m2Jm2(μ)μ22mJm2(μ)+m+1m0μrJm2(r)dr,\int_0^{\mu} r \cdot J_m^2(r) \,dr = \frac{\displaystyle m}{\displaystyle 2} \cdot J_m^2(\mu) - \frac{\displaystyle \mu^2}{\displaystyle 2 \cdot m} \cdot J_m^2(\mu) + \frac{\displaystyle m+1}{\displaystyle m} \cdot \int_0^{\mu} r \cdot J_m^2(r) \,dr,
1m0μrJm2(r)dr=m2Jm2(μ)+μ22mJm2(μ).\frac{\displaystyle 1}{\displaystyle m} \cdot \int_0^{\mu} r \cdot J_m^2(r) \,dr = - \frac{\displaystyle m}{\displaystyle 2} \cdot J_m^2(\mu) + \frac{\displaystyle \mu^2}{\displaystyle 2 \cdot m} \cdot J_m^2(\mu).

В итоге получаем:

0μrJm2(r)dr=(μ2m2)Jm2(μ)2.\int_0^{\mu} r \cdot J_m^2(r) \,dr = \left( \mu^2 - m^2 \right) \cdot \frac{\displaystyle J_m^2(\mu)}{\displaystyle 2}.
(D.2)