G. Уравнение Бесселя в сферических координатах

При решении уравнения для геометрии в сферических координатах возникает следующее уравнение для радиуса

r2d2R(r)dr2+2rdR(r)dr+(r2γ2k(k+1))R(r)=0,r^2 \cdot \frac{\displaystyle d^2 R(r)}{\displaystyle dr^2} + 2 \cdot r \cdot \frac{\displaystyle d R(r)}{\displaystyle dr} + \left( r^2 \cdot \gamma^2 - k \cdot (k + 1) \right) \cdot R(r) = 0,
(G.1)

где γ\gamma — собственное значение, kk — целое неотрицательное число.

Сделаем подстановку R(r)=1rR^(r)R(r) = \frac{\displaystyle 1}{\displaystyle \sqrt r} \cdot \widehat{R}(r) и проведём преобразования

dR(r)dr=ddr(1rR^(r))=12rrR^(r)+1rdR^(r)dr,\frac{\displaystyle d R(r)}{\displaystyle dr} = \frac{\displaystyle d}{\displaystyle dr} \left( \frac{\displaystyle 1}{\displaystyle \sqrt r} \cdot \widehat{R}(r) \right) = - \frac{\displaystyle 1}{\displaystyle 2 \cdot r \cdot \sqrt r} \cdot \widehat{R}(r) + \frac{\displaystyle 1}{\displaystyle \sqrt r} \cdot \frac{\displaystyle d \widehat{R}(r)}{\displaystyle dr},
d2R(r)dr2=12ddr(1rrR^(r))+ddr(1rdR^(r)dr),\frac{\displaystyle d^2 R(r)}{\displaystyle dr^2} = - \frac{\displaystyle 1}{\displaystyle 2} \cdot \frac{\displaystyle d}{\displaystyle dr} \left( \frac{\displaystyle 1}{\displaystyle r \cdot \sqrt r} \cdot \widehat{R}(r) \right) + \frac{\displaystyle d}{\displaystyle dr} \left( \frac{\displaystyle 1}{\displaystyle \sqrt r} \cdot \frac{\displaystyle d \widehat{R}(r)}{\displaystyle dr} \right),
12ddr(1rrR^(r))=341r2rR^(r)121rrdR^(r)dr,- \frac{\displaystyle 1}{\displaystyle 2} \cdot \frac{\displaystyle d}{\displaystyle dr} \left( \frac{\displaystyle 1}{\displaystyle r \cdot \sqrt r} \cdot \widehat{R}(r) \right) = \frac{\displaystyle 3}{\displaystyle 4} \cdot \frac{\displaystyle 1}{\displaystyle r^2 \cdot \sqrt r} \cdot \widehat{R}(r) - \frac{\displaystyle 1}{\displaystyle 2} \cdot \frac{\displaystyle 1}{\displaystyle r \cdot \sqrt r} \cdot \frac{\displaystyle d \widehat{R}(r)}{\displaystyle dr},
ddr(1rdR^(r)dr)=12rrdR^(r)dr+1rd2R^(r)dr2,\frac{\displaystyle d}{\displaystyle dr} \left( \frac{\displaystyle 1}{\displaystyle \sqrt r} \cdot \frac{\displaystyle d \widehat{R}(r)}{\displaystyle dr} \right) = - \frac{\displaystyle 1}{\displaystyle 2 \cdot r \cdot \sqrt r} \cdot \frac{\displaystyle d \widehat{R}(r)}{\displaystyle dr} + \frac{\displaystyle 1}{\displaystyle \sqrt r} \cdot \frac{\displaystyle d^2 \widehat{R}(r)}{\displaystyle dr^2},
d2R(r)dr2=1rd2R^(r)dr21rrdR^(r)dr+341r2rR^(r),\frac{\displaystyle d^2 R(r)}{\displaystyle dr^2} = \frac{\displaystyle 1}{\displaystyle \sqrt r} \cdot \frac{\displaystyle d^2 \widehat{R}(r)}{\displaystyle dr^2} - \frac{\displaystyle 1}{\displaystyle r \cdot \sqrt r} \cdot \frac{\displaystyle d \widehat{R}(r)}{\displaystyle dr} + \frac{\displaystyle 3}{\displaystyle 4} \cdot \frac{\displaystyle 1}{\displaystyle r^2 \cdot \sqrt r} \cdot \widehat{R}(r),
r2d2R(r)dr2=rrd2R^(r)dr2rdR^(r)dr+341rR^(r),r^2 \cdot \frac{\displaystyle d^2 R(r)}{\displaystyle dr^2} = r \cdot \sqrt r \cdot \frac{\displaystyle d^2 \widehat{R}(r)}{\displaystyle dr^2} - \sqrt r \cdot \frac{\displaystyle d \widehat{R}(r)}{\displaystyle dr} + \frac{\displaystyle 3}{\displaystyle 4} \cdot \frac{\displaystyle 1}{\displaystyle \sqrt r} \cdot \widehat{R}(r),
r2d2R(r)dr2+2rdR(r)dr=rrd2R^(r)dr2+rdR^(r)dr141rR^(r),r^2 \cdot \frac{\displaystyle d^2 R(r)}{\displaystyle dr^2} + 2 \cdot r \cdot \frac{\displaystyle d R(r)}{\displaystyle dr} = r \cdot \sqrt r \cdot \frac{\displaystyle d^2 \widehat{R}(r)}{\displaystyle dr^2} + \sqrt r \cdot \frac{\displaystyle d \widehat{R}(r)}{\displaystyle dr} - \frac{\displaystyle 1}{\displaystyle 4} \cdot \frac{\displaystyle 1}{\displaystyle \sqrt r} \cdot \widehat{R}(r),

разделим на rrr \cdot \sqrt r и запишем уравнение (G.1) через коэффициенты

ζ1d2R^(r)dr2+ζ2dR^(r)dr+ζ3R^(r)=0,\zeta_1 \cdot \frac{\displaystyle d^2 \widehat{R}(r)}{\displaystyle dr^2} + \zeta_2 \cdot \frac{\displaystyle d \widehat{R}(r)}{\displaystyle dr} + \zeta_3 \cdot \widehat{R}(r) = 0,

а теперь определим коэффициенты, предварительно преобразовав свободный член

γ2k(k+1)r214r2=γ2(k+1/2)2r2,\gamma^2 - \frac{\displaystyle k \cdot (k + 1)}{\displaystyle r^2} - \frac{\displaystyle 1}{\displaystyle 4 \cdot r^2} = \gamma^2 - \frac{\displaystyle (k + 1/2)^2}{\displaystyle r^2},
ζ1=1,ζ2=1r,ζ3=γ2(k+1/2)2r2,\zeta_1 = 1, \quad \zeta_2 = \frac{\displaystyle 1}{\displaystyle r}, \quad \zeta_3 = \gamma^2 - \frac{\displaystyle (k + 1/2)^2}{\displaystyle r^2},

таким образом, уравнение (G.1) принимает вид

d2R^(r)dr2+1rdR^(r)dr+(γ2(k+1/2)2r2)R^(r)=0.\frac{\displaystyle d^2 \widehat{R}(r)}{\displaystyle dr^2} + \frac{\displaystyle 1}{\displaystyle r} \cdot \frac{\displaystyle d \widehat{R}(r)}{\displaystyle dr} + \left( \gamma^2 - \frac{\displaystyle (k + 1/2)^2}{\displaystyle r^2} \right) \cdot \widehat{R}(r) = 0.

Получили уравнение Бесселя с полуцелым индексом k+1/2k + 1/2. Его ограниченные в нуле решения — функции Бесселя первого рода R^(r)=Jk+1/2(γr)\widehat{R}(r) = J_{k + 1/2}(\gamma \cdot r), k(0..)k \in (0..\infty); решения второго рода Yk+1/2(γr)Y_{k + 1/2}(\gamma \cdot r) бесконечны в нуле, что видно на рисунке (B.2), и отбрасываются из условия ограниченности. Таким образом, решение исходного уравнения (G.1) имеет вид

R(r)=1rJk+1/2(γr),R(r) = \frac{\displaystyle 1}{\displaystyle \sqrt r} \cdot J_{k + 1/2}(\gamma \cdot r),
(G.2)

где Jk+1/2(γr)J_{k + 1/2}(\gamma \cdot r) — функция Бесселя первого рода с полуцелым индексом. С точностью до постоянного множителя это сферическая функция Бесселя: jk(γr)=π2γrJk+1/2(γr)j_k(\gamma \cdot r) = \sqrt{\frac{\displaystyle \pi}{\displaystyle 2 \cdot \gamma \cdot r}} \cdot J_{k + 1/2}(\gamma \cdot r).