Sifat-sifat Fungsi Bessel

4.3 Sifat-sifat Fungsi Bessel

4.3.1 Hubungan Rekursi

Mulai dengan representasi dalam bentuk deret, kita dapat mendeduksi sifat rekursi fungsi Bessel sebagai berikut

x n+1 J n+1 (x) =x n+1 J n (x).

dx

4.3. Sifat-sifat Fungsi Bessel 181

Bukti:

(−1) n+1 k n+1

n+2k+1

J n+1 (x) = x

k=0 k!Γ (k + n + 2) 2

(−1) 2n+2k+2 x

. k=0 k!Γ (k + n + 2) 2 n+2k+1

d X n+1 ∞ (−1) k 2(n + k + 1) x 2n+2k+1 x

J n+1 (x) =

dx

k!Γ (k + n + 2) 2 n+2k+1

k=0

x 2n+2k+1

k=0 k!Γ (k + n + 1) 2 n+2k

X n+1 ∞

(−1) k

x n+2k

=x

k=0 k!Γ (k + n + 1) 2 n+2k

=x n+1 J n (x).

x −n J n (x) = −x −n J n+1 (x).

(−1) −n k (−1) k x n+2k x 2k x J n (x) = x −n

k=0 k!Γ (k + n + 1) 2 n+2k

k!Γ (k + n + 1) 2 k=0 n+2k

(−1) k 2k

x 2k−1

x −n J n (x) =

dx k!Γ (k + n + 1) 2 n+2k

k=0

Karena suku pertama dengan k = 0 bernilai nol. Maka penjumlahan dimulai dari k = 1

(−1) −n k 2k x 2k−1 x J n (x) = dx

k=1 k!Γ (k + n + 1) 2 n+2k

(−1) k

x 2k−1

(k − 1)!Γ (k + n + 1) 2 n+2k−1

k=0

Sekarang pilih variabel baru j = k − 1, sehingga k = j + 1, maka

x 2j+1 x J n (x) = dx

j=0 j!Γ (j + n + 2) 2 n+2j+1

x −n n+2j+1 (−1) = −x

j=0 j!Γ (j + n + 2) 2 n+2j+1

= −x −n J n+1 (x).

Dengan menggunakan sifat-sifat ini, kita dapat memperoleh hubungan sebagai berikut

4. Fungsi Bessel dan Polinomial Legendre

J n (x) − J n−1 (x),

2 n−1 (x) − J n+1 (x)] ,

(4.36) Untuk membuktikan tiga hubungan di atas,, kita mulai dengan

J ′ 0 (x) = −J 1 (x).

d x n+1 J n+1 (x) = (n + 1)x n J n+1 (x) + x n+1 J ′ dx

n+1 (x), mengikuti (4.32) yaitu (n + 1)x n J n+1 (x) + x n+1 J n+1 ′ (x) = x n+1 J n (x), yang dapat dituliskan sebagai

J ′ n+1 (x) = J n (x) −

n+1

J n+1 (x),

atau

J ′ n (x) = J n−1 (x) − J n (x).

Dari (4.33) kita mempunyai −nx −n−1 J n (x) + x −n J ′ n (x) = −x −n J n+1 (x), atau

n n (x) = J n (x) − J n+1 (x).

Dari (4.37) dan (4.38)

J n−1 (x) − J n (x) = J n (x) − J n+1 (x),

n−1 (x),

yang merupakan hubungan rekursi 3. Dengan menjumlahkan (4.37) dan (4.38), kita memperoleh

n (x) = [J 2 n−1 (x) − J n+1 (x)] ,

yang merupakan hubungan rekursi 4. Kasus khusus J 0 ′ (x) mengikuti langsung sifat 2. Ambil n = 0 pada (4.33),

kita mempunyai

J ′ 0 (x) = −J 1 (x),

4.3. Sifat-sifat Fungsi Bessel 183

yang merupakan hubungan rekursi 5. Hubungan rekursi ini sangatlah berguna. Dalam artian sepanjang kita

mengetahui nilai J 0 (x) dan J 1 (x), fungsi Bessel dengan orde yang lebih ting- gi dan juga turunannya dapat kita cari dengan mudah. Hubungan menarik yang dapat diperoleh dari sifat 1 adalah

x n+1 J n (x) dx = r n+1 J n+1 (r),

kasus penting adalah ketika n = 0

7. Z r

xJ 0 (x) dx = rJ 1 (r).

4.3.2 Fungsi Pembangkit untuk Fungsi Bessel

Meskipun fungsi Bessel yang kita pelajari utamanya berkaitan dengan solusi persama- an diferensial, akan menjadi sebuah pelajaran yang berharaga untuk membangunnya dengan pendekatan yang sama sekali berbeda yang dinamakan fungsi pembangkit.

Ingat kembali

exp(x) =

n=0 n! 2t Mengikuti hal ini

X ∞ X ∞ (−1) m

l+m

t l−m . (4.41)

l!m!

l=0 m=0

Jika l − m = n maka l = m + n dann l + m = 2m + n, sehingga (4.41) dapat dituliskan !

xt

1 (−1) m

exp t − n = .

2m+n

2 2t

m=0 (m + n)! m!

n=−∞

4. Fungsi Bessel dan Polinomial Legendre

Fungsi Bessel J n (x) diberikan oleh

jelas bahwa

xt

exp

n (x)t .

Ruas kiri dari persamaan ini dikenal sebagai fungsi pembangkit untuk fungsi Bessel. Kadang dituliskan sebagai G(x, t)

xt

G(x, t) = exp

2 2t

4.3.3 Representasi Integral

Sebuah cara yang berguna untuk memperlakukan fungsi Bessel yaitu dengan repre- sentasi integral. Jika kita menggantikan

Sehingga (4.42) dapat dituliskan

∞ (ix sin θ)

X inθ

e = J (x)e

=J (x) +

J (x)e n inθ 0 n +J

−n (x)e

J n (x)(cos nθ + i sin nθ) +

(−1) n J n (x)(cos nθ − i sin nθ)

n=1

n=1

=J 0 (x) + 2[J 2 (x) cos 2θ + J 4 (x) cos 4θ + J 6 (x) cos 6θ + · · · ] + 2i[J 1 (x) sin θ + J 3 (x) sin 3θ + J 5 (x) sin 5θ + · · · ].

Tetapi

e (ix sin θ) = cos(x sin θ) + i sin(x sin θ),

sehingga cos(x sin θ) = J 0 (x) + 2[J 2 (x) cos 2θ + J 4 (x) cos 4θ + J 6 (x) cos 6θ + · · · ],

(4.43) sin(x sin θ) = 2[J 1 (x) sin θ + J 3 (x) sin 3θ + J 5 (x) sin 5θ + · · · ].

(4.44) Representasi ini merupakan representasi jenis Fourier. Koefisien J n (x) dapat dengan

mudah diperoleh. Sebagai contoh kalikan (4.43) dengan cos(nθ) dan integralkan dari

0 sampai dengan π kita memperoleh

n genap cos(x sin θ) cos(nθ) dθ =

 J n (x),

n ganjil

4.4. Fungsi Bessel dan Persamaan Sturm-Liouville 185

Dengan cara yang sama, dari (4.44)

n genap sin(x sin θ) sin(nθ) dθ =

n ganjil Dengan menjumlahkan kedua persamaan ini didapatkan

π 0  J n (x),

J n (x) = [cos(x sin θ) cos(nθ) + sin(x sin θ) sin(nθ)] dθ π 0

cos(x sin θ − nθ) dθ.

Kasus khusus

J 0 (x) =

cos(x sin θ) dθ.

Kita tahu bahwa cosinus adalah fungsi genap, sedangkan sinus adalah fungsi ganjil Z π

cos(x sin θ) dθ =

cos(x sin θ) dθ,

0 2 0 Z 2π

sin(x sin θ) dθ = 0.

Sehingga (4.46) dapat dituliskan Z

cos(x sin θ) dθ =

[cos(x sin θ) + i sin(x sin θ)] dθ

exp(ix sin θ) dθ =

exp(ix cos θ) dθ.

Bentuk ini sangat berguna pada difraksi Fraunhofer dengan celah lingkaran.