FUNGSI BESSEL JENIS PERTAMA

FUNGSI BESSEL

DISUSUN OLEH
KELOMPOK III
Nama Anggota
: Desrianah
2007.121.246
Titin Yuniarti
2007.121.254
Okta Herlaiza
2007.121.2
Septia Julita
2007.121.278
Dessy Adetia
2007.121.440
Esca Oktarina
2007.121.459
Semester
: 6L
Program Studi
: Pendidikan Matematika

Mata Kuliah
: Matematika Lanjutan

FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN
UNIVERSITAS PGRI PALEMBANG
2009/2010

FUNGSI BESSEL
PERSAMAAN DIFERENSIAL BESSEL
Fungsi Bessel dibangun sebagai penyelesaian persamaan diferensial.

(

)

x 2 y ' '+ xy '+ x 2 − n 2 y = 0 , n ≥ 0

(1)

yang dinamakan persamaan diferensial Bessel. Penyelesaian umum (1) diberikan

oleh
y = c1 J n ( x) + c 2Yn ( x)

(2)

Penyelesaian J n (x) , yang mempunyai limit berhingga untuk x mendekati nol
dinamakan fungsi Bessel jenis pertama dan berorde n. penyelesaian Yn (x)

yang tak mempunyai limit berhingga [yaitu tak terbatas] untuk x mendekati
nol dinamakan fungsi Bessel jenis keduan dan berorde-n atau fungsi
Neumann.
Jika peubah bebas x pada (1) diganti λx di mana λ suatu konstanta,
persamaan yang dihasilkan adalah
x 2 y ' '+ xy '+ (λ2 x 2 − n 2 )y = 0

(3)

Yang mempunyai penyelesaian umum y = c1 J n (λx) + c 2Yn (λx) (4)

FUNGSI BESSEL JENIS PERTAMA


Didefinisikan fungsi Bessel jenis pertama berorde n sebagai


xn
x2
x4
+
− ... (5)
J n ( x) = n
1 −
2 Γ(n + 1)  2(2n + 2 ) 2 ⋅ 4(2n + 2 )(2n + 4)

n+ 2r

(− 1)  x 

2
(6)
Atau J n ( x) = ∑

r = 0 r!Γ(n + r + 1)
r

Di mana Γ(n + 1) adalah fungsi gamma [Bab 9]. Jika n bilanngan bulat positif,

Γ(n + 1) = n!, Γ(1) = 1 . Untuk n = 0, (6) maka

J 0 ( x) = 1 −

x2
x4
x6
+

+ ...
22 2242 224262

(7)

Deret (6) konvergen untuk setiap x. Grafik J 0 ( x) dan J 1 ( x) ditunjukkan pada


Gambar 10-1.
Jika n setengah atau bilangan ganjil positif, J n (x) dapat dinyatakan dalam
suku-suku sinus dan cosinus. Lihat Soal 10.4 dan 10.7.
Sebuah fungsi J − n (x) , n > 0 dapat didefinisikan dengan mengganti n oleh –n
pada (5) atau (6). Jika n suatu bilangan bulat, maka kita dapat menunjukkan
bahwa [lihat Soal 10.3]
J −n ( x) = (− 1) J n ( x)
n

(8)

Jika n bukan suatu bilangan bulat, maka J n (x) dan J − n (x) bebas linear, dan
untuk kasus ini penyelesaian umum (1) adalah

y = AJ n ( x) + B n J −n ( x) , n ≠ 0,1,2,3,...

(9)

FUNGSI BESSEL JENIS KEDUA


Kita akan mendefinisikan fungsi Bessel jenis kedua berorde n sebagai
 J n ( x ) cos nπ − J − n ( x )

sin nπ

Yn ( x ) = 
J p ( x ) cos pπ − J − p ( x )

lim
sin pπ
p →n

n ≠ 0,1,2,3,...
(10)
n = 0,1,2,3,...

Untuk kasus di mana n =0,1,2,3,… diperoleh uraian deret berikut untuk Yn ( x ) .



2   x
1 n −1
x
Yn ( x ) = ln  + γ  J n ( x ) − ∑ (n − k − 1)! 
π  2 
π k =0
2

2k − n

2k + n

 x
 
n −1
1
2
k
− ∑ (− 1) {Φ (k ) + Φ (k + 1)}  
π k =0

k!(n + k )!

(11)

Di mana γ = 0,5772156... adalah konstanta Euler dan
Φ( p ) = 1 +

1
1 1
+ + ... + ,
2 3
p

Φ (0 ) = 0

(12)

FUNGSI PEMBANGKIT UNTUK
Fungsi e


x 1
 t− 
2 t 

=



∑ J (x )t

n = −∞

n

( ) (GENERATING FUNCTION)

(13)

n


dinamakan fungsi pembangkit untuk fungsi Bessel jenis pertama berorde
bulat, yang sangat banyak gunanya dalam memperoleh sifat-sifat fungsi ini
untuk nilai n bulat dan kemudian seringkali dapat dibuktikan berlaku untuk
semua n.

RUMUS-RUMUS PENGULANGAN (RECURRENCE FORMULA)
Hasil berikut ini berlaku untuk setiap nilai n.
1. J n +1 ( x ) =

2n
J n ( x ) − J n −1 ( x )
x

2. J ' n ( x ) =

1
[J n−1 (x ) − J n+1 (x )]
2

3. xJ ' n ( x ) = nJ n ( x ) − xJ n +1 ( x )

4. xJ ' n ( x ) = xJ n −1 ( x ) − nJ n ( x )

[

]

5.

d n
x J n ( x ) = x n J n −1 ( x )
dx

6.

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

[

]

Jika n adalah suatu bilangan bulat rumus tersebut dapat dibuktikan dengan
fungsi pembangkit. Perhatikan bahwa hasil 3 dan 4 berturut-turut setara
dengan 5 dan 6.
Fungsi Yn ( x ) memenuhi hasil yang sama seperti di atas, di mana Yn ( x )
menggantikan J n ( x ) .

FUNGSI-FUNGSI YANG BERHUBUNGAN DENGAN FUNGSI BESSEL
1.Fungsi
didefinisikan oleh

Hankel

Jenis

Pertama

dan

Kedua,

yang

berturut-turut

H n(1) ( x ) = J n ( x ) + iYn ( x ) ,

H n(2 ) ( x ) = J n ( x ) + iYn ( x )

2.Fungsi Bessel yang Dimodifikasi. Fungsi Bessel yang dimodifikasi jenis
pertama berorde n didiefinisikan oleh
I n ( x ) = i − n J n (ix ) = e

nπi
2 J

n

(ix )

(14)

Jika n bilangan bulat, I − n ( x ) = I n ( x )

(15)

Tetapi jika n bukan bilangan bulat, I n ( x ) dan I − n (x ) bebas linear.
Fungsi Bessel yang dimodifikasi jenis kedua berorde n didefinisikan oleh

π  I − n ( x ) − I n ( x ) 
 2  sin nπ


 
K n (x ) = 
π  I − p (x ) − I p (x )


lim
 p→n 2  sin pπ


n ≠ 0,1,2,3,...
(16)
n = 0,1,2,3,...

Fungsi ini memenuhi persamaan diferensial

(

)

x 2 y"+ xy '− x 2 + n 2 y = 0

(17)

dan penyelesaian umum persamaan ini adalah
y = c1 I n ( x ) + c2 K n ( x )
atau jika n ≠ 0,1,2,3,...

(18)
y = AI n ( x ) + BI − n ( x )

(19)

3.Fungsi Ber, Bei, Ker, Kei. Fungsi Bern ( x ) dan Bein ( x ) adalah bagian riil
3
3πi
 2
 3 
(1 − i ) , yaitu
dan imajiner dari J n  i 2 x  di mana i 2 = e 4 = 

2
 



 3 
J n  i 2 x  = Bern ( x ) + iBein ( x )
 

(20)

Fungsi Kern ( x ) dan Kein ( x ) adalah bagian riil dan imajiner dari
e

− nπi
2

1
πi
 2
 1 
(1 + i ) , yaitu
K n  i 2 x  di mana i 2 = e 4 = 

2
 



e

− nπi
2

 12 
K n  i x  = Kern ( x ) + iKein ( x )
 

(21)

Fungsi-fungsi ini berguna sehubungan dengan persamaan

(

)

x 2 y"+ xy'− ix 2 + n 2 y = 0

(22)

yang membangun teknik kelistrikan dan lapangan lainnya. Penyelesaian
umum dari persamaan ini adalah

 12 
 32 


y = c1 J n  i x  + c2 K n  i x 
 
 

(23)

PERSAMAAN-PERSAMAAN YANG DITRANSFORMASIKAN KE DALAM
PERSAMAAN BESSEL
Persamaan

x 2 y"+(2k + 1)xy '−(α 2 x 2 r + β 2 )y = 0

(24)

di mana k, α , r, β konstanta mempunyai penyelesaian umum


 αx r  
 αx r 




y = x c1 J k 
 + c2Yk  r 
r
r


 r 
−k

di mana

K

(25)

= k 2 − β 2 . Jika α = 0 , persamaannya dapat diselesaikan

sebagai persamaan Euler atau Cauchy [lihat halaman 83]

RUMUS ASIMTOTIK UNTUK FUNGSI BESSEL
Untuk nilai x besar kita mempunyai rumus asimtotik berikut ini
J n (x) ~

π nπ
2

cos x − −
4 2
πx



 , Yn ( x )


~

π nπ 
2

sin  x − −

4 2 
πx 

(26)

NILAI NOL FUNGSI BESSEL
Kita dapat menunjukkan bahwa jika n suatu bilangan riil, J n ( x ) = 0
mempunyai tak berhingga banyaknya akar yang semuanya riil. Perbedaan di
antara akar-akar yang berurutan mendekati π jika nilai akarnya membesar.

Ini dapat dilihat dari (26). Kita dapat juga menunjukkan bahwa akar-akar
J n ( x ) = 0 terletak di antara J n −1 ( x ) = 0 dan J n +1 ( x ) = 0 . Catatan serupa dapat
juga dibuat untuk Yn ( x ) .

KETEGAK-LURUSAN (ORTHOGONALITY) FUNGSI BESSEL
Jika λ dan µ dua konstanta berbeda, kita dapat menunjukkan [lihat Soal
10.21] bahwa

µJ (λ )J ' (µ ) − λJ (µ )J ' (λ )
∫ xJ (λx )J (µx )dx =
λ −µ
1

0

n

n

n

n

n

2

n

2

(27)

sedangkan [lihat Soal 10.22]
1



0

xJ n2 (λx )dx =

 n2  2 
1 2
1 − 2  J n (λ )
J
'
(
λ
)
+

2 n
 λ 


(28)

Dari (27) kita lihat bahwa λ dan µ adalah dua akar berbeda dari persamaan
RJ n ( x ) + SxJ 'n ( x ) = 0

(29)

di mana R dan S konstanta, maka

∫ xJ (λx )J (µx )dx = 0
1

0

n

(30)

n

yang menyatakan bahwa fungsi

x J n (λx ) dan

x J n (µx ) tegaklurus pada

(0,1). Perhatikanlah bahwa sebagai kasus khusus (29) kita melihat bahwa λ
dan µ dapat merupakan dua akar berbeda dari J n ( x ) = 0 atau J 'n ( x ) = 0 .
Kita dapat juga mengatakan bahwa fungsi-fungsi J n (λx ) , J n (µx ) tegaklurus
terhadap fungsi kepadatan x.

DERET FUNGSI-FUNGSI BESSEL

Seperti pada kasus Deret Fourier, kita dapat menunjukkan bahwa jika f(x)
memenuhi syarat Dirichlet [di halaman 197] maka di setiap titik kekontinuan
f(x) pada selang 0 < x < 1 terdapat suatu uraian deret Bessel yang berbentuk



f ( x ) = A1 J n (λ1 x ) + A2 J n (λ2 x ) + ... = ∑ Ap J n (λ p x )

(31)

p =1

di mana λ1 , λ2 ,... adalah akar-akar positif (29) dengan
Ap =

2λ2p

R
≥ 0 , S ≠ 0 dan
S

∫ xJ (λ x ) f (x )dx
1

 2
R 
 λ p − n 2 + 2  J n2 (λ p )
S 

2

0

n

(32)

p

Di titik ketak-kontinuan deret di ruas kanan (31) konvergen ke
1
[ f (x + 0) + f (x − 0)] yang dapat digunakan untuk menggantikan ruas kiri
2
(31).
Dalam kasus S = 0 sehingga λ1 , λ2 ,... adalah akar-akar dari J n ( x ) = 0 ,
Ap =

2

1

J n2+1 (λ p ) ∫0

xJ n (λ p x ) f ( x )dx

(33)

Jika R = 0 dan n = 0, maka deret (31) dimulasi dengan suku tetap

Ap = 2 ∫ x f ( x )dx
1

0

(34)

SOAL-SOAL DAN PENYELESAIANNYA
PERSAMAAN DIFERENSIAL BESSEL
10.1

Gunakan metode Frobenius untuk menentukan deret penyelesaian persamaan

(

)

diferensial Bessel x 2 y"+ xy '+ x 2 + n 2 y = 0 .
Andaikan suatu jawaban berbentuk y = ∑ ck x k + β di mana k bergerak
dari − ∞ sampai ∞ dan ck = 0 untuk k < 0, maka

(x

2

)

+ n 2 y = ∑ ck x k + β + 2 −∑ n 2ck x k + β =∑ ck − 2 x k + β −∑ n 2ck x k + β

xy' = ∑ (k + β )ck x k + β
x 2 y" = ∑ (k + β )(k + β − 1)ck x k + β
Kemudian, dengan menjumlahkannya diperoleh

[

]

x 2 y" = ∑ (k + β )(k + β − 1)ck + (k + β )ck + ck −2 − n 2 ck x k + β = 0

dan karena koefisien x k + β harus nol, diperoleh

[(k + β ) − n ]c
2

2

k

+ ck − 2 = 0

(1)

Andaikan k = 0 pada (1); karena c− 2 = 0 maka diperoleh persamaan awal



2

)

− n 2 c0 = 0 ; atau andaikan c0 ≠ 0 , β 2 = n 2 . Kemudian, tinjaulah dua

kasus, β = −n dan β = n . Pertama akan dipandang kasus pertama β = n , dan
kasus kedua diperoleh dengan menggantikan n oleh –n.

Kasus 1, β = n .
Dalam kasus ini (1) menjadi

k (2n + k )ck + ck − 2 = 0

(2)

Ambillah k = 1,2,3,4,... secara berurutan pada (2), kita mempunyai

c1 = 0 , c2 =

− c0
− c2
c0
, c3 = 0 , c4 =
=
,…
2(2n + 2)
4(2n + 4 ) 2 ⋅ 4(2n + 2 )(2n + 4 )

Jadi deret yang diinginkan adalah



x2
x4
+
− ...
y = c0 x n + c2 x n + 2 + c4 x n + 4 + ... = c0 x n 1 −

 2(2n + 2 ) 2 ⋅ 4(2n + 2 )(2n + 4)
Kasus 2, β = −n .

Gantilah n oleh –n pada Kasus 1, diperoleh


x2
x4
+
− ...
y = c0 x − n 1 −

 2(2n − 2 ) 2 ⋅ 4(2n − 2 )(2n − 4)

(4)

Sekarang, jika n = 0 kedua deret sama. Jika n = 1,2,... deret kedua tidak
mungkin ada. Tetapi bila n ≠ 0,1,2,... kedua deret tersebut dapat ditunjukkan
bebas linear sehingga untuk kasus ini penyelesaian umumnya adalah


x2
x4
y = Cx n 1 −
+
− ...

 2(2n + 2 ) 2 ⋅ 4(2n + 2 )(2n + 4)


x2
x4
+ Dx −n 1 −
+
− ...

 2(2n − 2 ) 2 ⋅ 4(2n − 2 )(2n − 4 )

(5)

(3)

Kasus untuk n = 0,1,2,3,... akan dibicarakan kemudian [lihat Soal 10.15 dan
10.16].

FUNGSI BESSEL JENIS PERTAMA
Gunakan definisi (5) dari J n (x) yang diberikan pada halaman 240 untuk
menunjukkan bahwa jika n ≠ 0,1,2,3,... maka penyelesaian umum pada
persamaan bassel adalah y = AJ n ( x) + BJ −n ( x) untuk kasus n ≠ 0,1,2,3,...

2
2
sin x, (b) J −1 2 ( x) =
cos x,
πx
πx

(−1) r ( x 2)1 2+ 2 r ( x 2)1 2 ( x 2) 5 2
( x 2) 9 2
=∑
=

+
− ...
r!r (r + 3 2)
r (3 2) 1!r (5 / 2 ) 2!r (7 / 2)
r =0

1.Buktikanlah (a) J 1 2 ( x) =

( x 2) 1 2

(a) J1 2 ( x) =

(1 / 2) π



( x 2) 5 2
1!(3 / 2)(1 / 2) π

+

( x 2) 7 2

2!(5 / 2 )(3 / 2)(1 / 2) π

− ...

 ( x 2)1 2 sin x
( x 2) 1 2  x 2 x 4
2
1

+

...
=
sin x

=
3! 5!
πx
(1 / 2) π 
 (1 / 2) π x

(− 1)r (x 2)−1 2+ 2 r = (x 2) −1 / 2 − (x / 2) 3 / 2 + (x / 2)7 / 2 − ...
(b) J −1 2 ( x ) = ∑
r!r (r + 1 2)
r (1 / 2)
1!r (3 / 2)
2!r (5 / 2)
r =0
=

=

2.Hitunglah

(x 2)−1 2 1 − x 2

(a)




π

+

2!


2
x4
cos x
− ... =
πx
4!


∫ x J (x )dx ,
4

(b)

1

∫ x J (x )dx
3

3

(a) Metode 1.Metode pengintralan parsial memberikan
4
2
2
∫ x J 1 (x )dx = ∫ (x ) x J 1 (x )dx

[

[

= x2 x2 J 2

]
(x )] − ∫ [x

2

]

J 2 ( x ) [2 xdx ]

= x 4 J 2 ( x ) − 2 ∫ x 3 J 2 ( x )dx
= x 4 J 2 (x ) − 2 x 3 J 2 (x ) + c
(b) Metode 2. Gunakanlah J1 ( x) = − J 0 ( x), diketahui

∫x
∫x
∫x

4

2

2

{

}

J1 ( x)dx = − ∫ x 4 J 01 ( x)dx = − x 4 J 0 ( x) − ∫ 4 x 3 J 0 ( x)dx

J 0 ( x)dx = ∫ x 2 [xJ 0 ( x)dx] = x 2 [xJ1 ( x)] − ∫ [xJ1 ( x)][2 xdx]

{

}

J1 ( x)dx = − ∫ x 2 J 01 ( x)dx = − x 2 J 0 ( x) − ∫ 2 xJ 0 ( x)dx
= x 2 J 0 ( x) + 2 xJ1 ( x)

∫x

Maka

4

[

}]

{

J1 ( x )dx = − x 4 J 0 ( x ) + 4 x 3 J1 ( x) − 2 − x 2 J 0 ( x ) + 2 xJ1 ( x ) + c
= (8 x 2 − x 4 ) J 0 ( x) + (4 x 2 − 16 x ) J 1 ( x )

∫x

3

[

J 3 ( x )dx = ∫ x 5 x −2 J 3 ( x )dx

[

]

] [

]

= x 5 − x −2 J 2 ( x) − ∫ − x −2 J 2 ( x) 5 x 4 dx
= − x 3 J 2 ( x) + 5∫ x 2 J 2 ( x)dx

∫x

2

[

]
J ( x)] − ∫ [− x

J 2 ( x)dx = ∫ x 3 x −1 J 2 ( x) dx

[

= x 3 − x −1

−1

1

]

J 1 ( x) 3x 2 dx

= − x 2 J 1 ( x) + 3∫ xJ 1 ( x)dx

∫ xJ ( x)dx = − ∫ xJ
1

1
0

[

( x)dx = − xJ 0 ( x) − ∫ J 0 ( x)dx

]

= − xJ 0 ( x) + ∫ J 0 ( x)dx
Maka

∫x J
3

2

( x)dx = −x 3 J 2 ( x) + 5{− x 2 J1 ( x) + 3[− xJ 0 ( x) + J 0 ( x)dx]}
= − x 3 J 2 ( x) − 5 x 2 J1 ( x) − 15 xJ 0 ( x) + 15∫ J 0 ( x)dx

Integral

∫x

2

∫J

0

( x)dx tidak dapat diperoleh dalam bentuk tertutup.secara umum ,

J 0 ( x)dx dapat diperoleh dalam bentuk tertutup jika p + q ≥ 0 dan p + q

genap hasilnya dapat diperoleh dalam suku-suku
a) Buktikanlah J n ( x )J − n ( x ) − J ' − n ( x )J n ( x ) =
'

∫J

0

( x)dx .

2 sin nπ
πx

b) Bahaslah arti hasil (a) dipandang dari kebergantungan linear J n ( x) dan J − n( x )
c) Karena J n ( x ), dan, J − n( x ) ,berturut-turut disingkat J n danJ − n ( x), memenuhi
persamaan bassel,maka

(

)

(

)

x 2 J n" + xJ n' + x 2 − n 2 J n = 0, x 2 J −" n + xJ −' n + x 2 − n 2 J −n = 0 katakanlah
persamaan pertama dengan J − n dan kedua dengan J n dan kurangkanlah.

[

] [
J ]+ [J J

]

x 2 J n" J −n − J −" n J n + x J n' J −n − J −' n J n = 0
Maka yang dapat ditulis

x

[

d '
J n J −n − J −' n
dx

n

'
n

−n

]

− J −' n J n = 0

{[

]}

d
x J n' J − n − J −' n J n = 0
dx

Atau

Integralkanlah ,kita memperoleh J n' J − n − J −' n J n =

c
x

Untuk menentukan c gunakanlah uraian deret J n dan J − n ,diperoleh

Jn =

xn
x n +1
x −n
x − n −1
'
'

...,
=

...,
=

...,
=
− ...
J
J
J
n
−n
−n
2 n r (n + 1)
2 n r (n )
2 −n r (− n + 1)
2 −n r (− n )

Dan kemudian subsitusikan pada (1), kita memperoleh

c=

1
1
2
2 sin nπ

=
=
π
r (n)r (1 − n) r (n + 1)r (−n) r (n)r (1 − n)

Dengan menggunakan hasil 1,dihalaman 227. Ini memberikan hasil yang diinginkan.
a) Bentuk J n' J − n − J −' n J n pada (a) adalah determinan Wronski dari J n dan J − n . Jika n
bilangan bulat kita lihat dari (a) bahwa determinan wronski ini nol;sehingga J n dan

J −n bergantungan linear dan dan juga jelas dari soal 10.3(a). dalam hal lain,jika n
bukan bilangan bulat , J n dan J − n keduanya bebas linear karena pada kasus ini
determinan wronskinya tak nol.
FUNGSI PEMBANGKIT DAN HASIL-HASIL LAINNYA
1)Buktikanlah e

(x 2 )(t − 1t )

=



∑J

n = −∞

n

( x )t n

Kita mempunyai

 ∞ ( xt 2)r  ∞ (− x 2t )k  ∞ ∞ (−1) k ( x 2)r + k t r −k
e ( x 2 )(t −1 t ) = e xt 2 e − x 2 x = ∑
 = ∑∑
 ∑
k!  r = 0 k = 0
r!k!
 r =0 r!  k =0
Andaikan r − k = n sehingga n bergerak dari − ∞ sampai + ∞ , maka jumlahnya
menjadi
n+ 2k
n+2k
∞  ∞

n
(−1) k ( x 2 ) t n
(−1) k ( x 2 )
t
=
J n ( x)t n
=







+
n
k
k
k
n
k
+
(
)!
!
!
(
)!
n = −∞ k = 0
n = −∞  k = 0
n = −∞





2)Buktikanlah (a) cos( x sin θ ) = J 0 ( x ) + 2 J 2 ( x ) cos 2θ + 2 J 4 ( x) cos 4θ + ...
(b) sin( x sin θ ) = 2 J 1 ( x ) sin θ + 2 J 3 ( x ) sin 3θ + 2 J 5 ( x) sin 5θ + ...
Andaikan t = e iθ pada soal 1,maka

e

1 x ( e iθ − e −iθ )
2





−∞

−∞

= e ix sin θ = ∑ J n ( x)e inθ = ∑ J n ( x )[cos nθ + i sin nθ ]

= {J 0 ( x) + [J −1 ( x) + J1 ( x)]cos θ + [J − 2 ( x) + J 2 ( x)]cos 2θ + ...}

+ i{[J1 ( x) + J −1 ( x)]sin θ + [J 2 ( x) + J −2 ( x)]sin 2θ + ...}

= {J 0 ( x) + 2 J 2 ( x) cos 2θ + ...} + i{2 J1 ( x) sin θ + 2 J 3 ( x) sin 3θ + ...}

Dimana kita telah menggunakan soal 10.3(a). samakan bagian riil dan imajinernya
untuk peroleh hasil yang diinginkan.

J n ( x) =

3)Buktikanlah

1

π

π

∫ cos(nθ − x sin θ )dθ , n = 0,1,2,...
0

Kalikan hasil pertama dan kedua soal 2.berturut-turut dengan cara cos nθ dan
sin nθ dan integralkan dari 0 sampai π dengan menggunakan
π

0 m ≠ n
∫0 cosmθ cos nθdθ =  π2 m = n

π

0

0

2

m≠n

∫ sinmθ sin nθdθ =  π

m=n≠0

Kemudian jika n genap atau nol diperoleh :

J n ( x) =

1

π

π

∫ cos( x sin θ ) cos nθdθ ,

0=

0

1

π

π

∫ sin( x sin θ ) sin nθdθ
0

Dan dengan menjumlahkannya diperoleh :

J n ( x) =

1

π

π

π

1
∫ [cos( x sin θ ) cos nθ + sin( x sin θ ) sin nθ ]dθ = ∫ cos(nθ − x sin θ )dθ

π

0

0

Dengan cara serupa ,jika n ganjil ,maka

J n ( x) =

1

π

π

∫ sin( x sin θ ) sin nθdθ ,
0

0=

1

π

π

∫ cos( x sin θ ) sin nθdθ
0

Dan dengan menjumlahkannya diperoleh

J n ( x) =

1

π

π

∫ cos(nθ − x sin θ )dθ
0

Jadi kita memperoleh hasil yang berlaku untuk n genap atua ganjil ,yaitu n=0,1,2,…
4)Buktikanlah hasil soal 10.6(b) untuk nilai bulat n dengan menggunakan fungsi
pembangkit.
Diferensialkan kedua ruas fungsi pembangkit terhadap t tanpa menuliskan limit
− ∞ sampai + ∞ untuk indeks n.

1
x
e ( x 2 )(t −1 t ) 1 + 2  = ∑ nJ n ( x)t n −1
2 t 
x
1
n
n −1
Atau
1 + 2 ∑ J n ( x)t = ∑ nJ n ( x)t
2 t 
Yaitu

π

1
J ( x)t n = ∑ nJ n ( x)t n −1
2  n


∑ 2 1 + t

Ini dapat ditulis sebagai

π

∑ 2J

π

n

( x)t n + ∑ J n ( x)t n − 2 = ∑ nJ n ( x)t n −1
2

π

∑ 2J

π

( x)t n + ∑ t n = ∑ (n + 1) J n +1 ( x)t n
2
π

π
Yaitu ∑  J n ( x ) + J n + 2 ( x )t n = ∑ (n + 1) J n +1 ( x )t n
2

2

Atau

n

Karena koefisien t n harus sama ,maka

π
2

J n ( x) +

π
2

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

Dan dari sini hasil yang diinginkan diperoleh dengan mengganti n oleh n-1.

FUNGSI BESSEL JENIS KEDUA
1 (a)Tunjukkan bahwa jika n bilangan bulat,penyelesaian umum persamaan
Bessel adalah
 J (x )cos nπ − J − n ( x ) 
y = EJ n ( x ) + F  n

sin nπ


(b)Jelaskanlah bagaimana anda dapat menggunakan bagian (a) untuk
memperoleh penyelesaian umum persamaan bessel dalam kasus n bulat.

FUNGSI BESSEL
(a) Karena J − n dan J n bebas linear,Penyelesaian umum persamaan bessel
dapat ditulis :
y = c1 J n ( x ) + c2 J − n ( x )

dan hasil yang diinginkan diperoleh dengan mengganti konstanta sebarang
c1 ⋅ c2 oleh E dimana
c1 = E +

F cos nπ −
−F
, c2 =
sin nπ
sin nπ

Perhatikanlah bahwa kita mendefinisikan fungsi bessel jenis kedua bila n
bukan suatu bilangan bulat dengan
Y n (x ) =

(b) Bentuklah

J n ( x )cos nπ − J − n ( x )
sin nπ

J n ( x )cos nπ − J − n ( x )
sin nπ

Menjadi suatu “tak tentu / indeterminate” yang berbentuk 0/0 untuk kasus
n suatu bilangan bulat.Hal ini disebabkan untuk suatu bilangan n,diketahui
n
n
cos nπ = (− 1) danJ − n ( x ) = (− 1) J n ( x ) lihat soal 10.3. “ bentuk tak tentu”
ini dapat dihitung dengan rumus L’Hospital,yaitu

 J p ( x )cos pπ − J − n ( x ) 
lim 

p →n
sin pπ


Gunakanlah soal 1 untuk memperoleh penyelesaian umum persamaan untuk
n=0
Dalam kasus ini harus dihitung
 J p ( x )cos pπ − J − p ( x ) 
lim 

p →0
sin pπ


Gunakanlah rumus L’Hospital (turunkan pembilang dan penyebut terhadap
p)pada limit (1),diperoleh
 (∂J p / ∂p) cos pπ − (∂J − P / ∂Jp  1  ∂J P ∂J − P 

lim 
= 

p →0
π cos pπ
∂p  p = 0
 π  ∂p


Dimana lambang yang digunakan menyatakan bahwa kita mengambil turunan
parsial dari J P ( x )danJ − p ( x ) terhadap p dan kemudian mengambil p=0.Karena
∂J − P / ∂ (− p ) = −∂J − p / ∂p. limit yang diinginkan juga sama dengan
Untuk memperoleh ∂J p / ∂p diturunkan deret

(− 1)r (x / 2)p + 2 r
r = 0 r!r ( p + r + 1)


J p (x ) = ∑

Terhadap p dan diperoleh
r
p + 2r


∂J P
(
− 1) ∂  ( x / 2 )
=∑


∂p r = 0 r! ∂p  r ( p + r + 1) 

Sekarang jika seandainya

(x / 2)p + 2r = G , maka
r ( p + r + 1)

Ln G = ( p + 2r )ln ( x / 2 ) − ln r ( p + r + 1)

Sehingga turunanya terhadap p memberikan
1 ∂G
1( p + r + 1)
= ln( x / 2 ) −
G ∂p
r ( p + r + 1)
Maka untuk p=0 diperoleh
∂G
∂p

=
p =0

(x / 2)2r ln(x / 2) − r ' (r + 1)
r (r + 1) 
r (r + 1) 

Gunakan (2) dan (3) , diperoleh

2 ∂J p
π ∂p

=
p =0

=

(− 1)r (x / 2)2 r ln(x / 2) − r ' (r + 1)

π r = 0 r!r (r + 1) 
r (r + 1) 
2

2

π





3

{ln(x / 2) + γ }J 0 (x ) + 2  x2 −
π 2


x4  1 
1 +  + ...
2 2 
2 4  2


2 ∂J p
π ∂p

p =0

Dimana deret terakhir diperoleh dengan menggunakan hasil (6)dihalaman
240.deret terakhir ini adalah deret untuk Y 0 ( x) .Dengan cara yang sama kita
dapat memperoleh deret (11) dihalaman 241 untuk Y n (x) dimana n sebuah
bilangan bulat.Jika n sebuah bilangan bulat,maka penyelesaian umumnya
diberikan oleh y = c1 J n ( x ) + c2Yn ( x )
FUNGSI-FUNGSI YANG BERHUBUNGAN DENGAN FUNGSI BESSEL
2. Buktikanlah rumus pengulangan untuk fungsi bessel jenis pertama
yangtelah dimodifikasi l n (x)yang diberikan oleh
I n +1 ( x ) = I n −1 ( x ) −

2n
I n (x )
x
Dari soal 10.6(b)kita memperoleh
J n +1 ( x) =

2n
J n ( x) − J n −1 ( x)
x

Gantilah x dengan ix untuk memperoleh
J n +1 (ix) =

− 2in
J n (ix) − J n −1 (ix)
x

Sekarang menurut definisinya I n ( x) = i − nJ n (ix) atau i n I n (x) sehingga
2in n
(2)menjadi i n +1I n +1 ( x) = −
i I n ( x) − i n −1I n ( x)
x
Bagilah dengan i n +1 ,maka hasil yang diinginkan tercapai.

3. Jika n bukan suatu bilangan bulat,tunjukkanlah bahwa
J ( x) − e −inx J n ( x)
(a) H n(1) ( x) = − n
i sin nπ
Menurut definisi H n(1) ( x)danYn ( x), maka
 J ( x ) cos nπ − J − n ( x ) 
H n(1) ( x ) = J n ( x ) + iYn ( x ) = J n ( x ) + i  n

sin nπ


J n ( x) sin nπ + iJ n ( x) cos nπ − iJ − n ( x)
=
sin nπ
 J n ( x)(cos nπ − i sin nπ ) − J − n ( x) 
= i

sin nπ



 J ( x)e −inx − J − n ( x) 
= i n

sin nπ


− inx
J ( x) − e J n ( x)
= −n
i sin nπ
einx J n ( x) − J − n ( x )
i sin nπ
(2)
Karena H n ( x) = J n ( x ) − iYn ( x ), denhan mengganti i oleh –i pada hasil (a)
maka diperoleh

(b) H n( 2 ) ( x) =

J − n ( x) − einx J n ( x )
− i sin nπ
einx J n ( x ) − J − n ( x )
=
i sin nπ

H n( 2) ( x) =

4. Tunjukkanlah (a) Ber 0 ( x ) = 1 −

Bei 0 ( x) =

x4
x8
+
− ...
22 42 2 2 426282

x2
x6
x10

+
− ...
22 22 4262 22 426282102

FUNGSI BESEEL
Diketahui:
2

4

6

8

 i 3 2 z 
 i 3 2 z 
 i 3 2 z 
 i 3 2 z 
3
r0  i 2 z  = 1 −  2  +  2 2 −  2 2 2 + 2 2 2 2 − ...


2
2 4
2 4 6
2 4 6 8
3 2
6 4
9 6
12 8
i z
i z
i z
i z
= 1 − 2 + 2 2 − 2 2 2 + 2 2 2 2 − ...
2
2 4
2 4 6
2 4 6 8
2
4
6
iz
z
iz
z8
= 1 + 2 − 2 2 − 2 2 2 + 2 2 2 2 − ...
2
2 4
2 4 6
2 4 68
4
8

  z2

z
z
z8
= 1 − 2 2 + 2 2 2 2 − ...  + i 2 − 2 2 2 + ... 
2 4 68
2 4 6

 2
 2 4
Dan hasil yang diinginkan tercapai dengan mengingat bahwa
J  3 3 2  = Ber0( z ) + iBei( z ) dan menyamakan bagian riil dan imajinernya.perlu
0 i


z


dicat bahwa kadang-kadang
Ber0 ( z )danBei0 ( z ).

menghilangkan

indeks

nol

dalam

PERSAMAAN-PERSAMAAN YANG DITRANSFORMASIKAN NKE DALAM
PERSAMAAN BESSEL
1.. tentukan penyelesaian umum persamaan xy ' '+ y '+ ay = 0.
Pesamaan tersebut dapat ditulis sebagai x z y ' '+ xy '+ axy = 0 dan merupakan
suatu ------khusus dari persamaan (24) di halaman 242dimana
k = 0, a = a, r = 1
maka penyelesaian seperti diberikan 242
2, β = 0
adalah
y = c1 J 0 2 ax + c 2 y 0 2 ax

(

)

(

)

KETEGAK LURUSAN FUNGSI BESEEL

µJ n (λ )J n' (µ ) − λJ n (µ )J n' (λ )
jika λ ≠ µ .
∫0 n
λ2 − µ 2
Dari (3) dan (4) dihalaman 240,kelihatan bahwa y1 = J n (λx ) dan
y 2 = J n (µx )
1

2.Buktikanlah

xJ (λx )J n (µx )dx =

Adalah penyelesaian persamaan
''
'
''
'
x 2 y1 + xy1 + λ2 x 2 − n 2 y1 = 0, x 2 y 2 + xy 2 + µ 2 x 2 − n 2 y 2 = 0

(

)

(

)

Dengan pengalikan persamaan dengan y 2 dan 2 dengan y1 dan kemudian
kurangkan, kita memperoleh

[

] [

]

x 2 y 2 y1 − y1 y 2 + x y 2 y1 − y1 y 2 = (µ 2 − λ2 )x 2 y1 y 2
''

''

'

'

Setelah dibagi dengan x dapat ditulis sebagai berikut

x
Atau

[

] [

{[

]} (

] (

)

d
'
'
'
'
y 2 y1 − y1 y 2 + y 2 y1 − y1 y 2 = µ 2 − λ2 xy1 y 2
dx

)

d
''
'
x y 2 y1 − y1 y 2 = µ 2 − λ2 xy1 y 2
dx
Kemudian integralkan dan hilangkan konstanta pengintegralannya,



2

− λ2

)∫ xy y dx = x[y
1 2

y1 − y1 y 2
'

2

'

]

Lalu gunakan y1 = J n (λx ), y 2 = J n (µx ) dan bagikan dengan µ 2 − λ2 ≠ 0,
maka

∫ xJ n (λx )J n (µx )dx =
1



Jadi

0

xJ n (λx )J n (µx )dx =

[

]

x λJ n (µx )J n (λx ) − µJ n (λx )J n (µx )
µ 2 − λ2
'

'

λJ n (µ )J n ' (λ ) − µJ n (λ )J n ' (µ )
µ 2 − λ2

Yang ekivalen dengan hasil yang diinginkan.
 2 
 J n (λ ).


misalkan µ → λ pada hasil soal no 2.dengan mengunakan rumus L hospital
diperoleh

3. buktikan

 n2
1 2
∫0 xJ n (λx )dx = 2  J n (λ ) + 1 − λ2

1

2

λJ n ' (µ )J n ' (λ ) − J n (λ )J n ' (µ ) − µJ n (λ )J n (µ )
∫0 xJ n (λµ )dx = lim

µ →λ
1

2

λJ n'2 (λ ) − J n (λ )J n ' (λ ) − λJ n (λ )J n '' λ
=

Tetapi karena λ2 J n (λ ) + λJ n (λ ) + (λ2 − n 2 )J n (λ ) = 0, dengan menyelesaikan
''

'

untuk J n'' (λ ) dan mensubstusikannya diperoleh

 2 
 J n ( x )


4.buktikan bahwa jika λdanµ adalah dua akar berbeda dari prsamaan
N RJ n ( x ) + SxJ n' ( x ) = 0 dimana R dan S kostanta, maka
 n2
1  '2
∫0 xJ (λx )dx = 2  J n (λ ) + 1 − λ2

1

2
n

∫ xJ (λx )J (µx )dx = 0
1

0

Yaitu

n

x J n (λx )

Karena λ dan µ

n

dan

x J n (µx ) saling tegak lurus pada (0,1).

akar dari RJ n ( x ) + SxJ n' ( x ) = 0, kita mempunyai

RJ n (µ ) + S µ J n' (µ ) = 0

RJ n (λ ) + SxJ N' ( x ) = 0,

Kemudian, jika R ≠ 0, S ≠ 0 dari (1) kita memperoleh

µJ n (λ )J n' (µ ) − µJ n (µ )J n' (λ ) = 0
Sehingga dari soal 2.kita mendapatkan hasil yang diinginkan

∫ xJ (λx )J (λx )dx = 0
1

n

0

n

Dalam kasus R ≠ 0, S ≠ 0 atau R ≠ 0, S = 0, hasil tersebut juga dapat
dibuktikan dengan mudah.
DERET FUNGSI BESSEL
1.Jika f ( x ) = ∑ A p J n (λ p x ),0 < x >1, dimana λ p , p = 1,2,3,..., akar positif dari
J n ( x ) = 0, ditunjukkan bahwa
AP =

( )
(λ ) ∫ xJ λ x f (x )dx

2

J

2
n +1

1

p

n

0

p

Kalikan deret untuk f(x) dengan xJ n (λk x ) dan integralkan suku demi suku
dari 0 sampai 1.maka
1



0



xJ n (λk x ) f ( x )dx = ∑ A p ∫ xJ n (λ k x )J n (λ p x )dx
p =1

= Ak ∫ xJ n2 (λk x )dx
1

0

1
= AK J N'2 (λ k )
2
Dimana kita telah menggunakn soal 10.22.dan 10.23 bersama-sama dengan
kenyataan bahwa
AK =

xJ (λ x ) f ( x )dx
(λ ) ∫

2
J

'2
n

1

k

0

n

k

Untuk memperoleh hasil yang diinginkan dari sini,digunakan rumus
pengulangan 3 dihalaman 240 yang ekivalen denga rumus 6 dihalaman itu,
kita memperoleh

λ k J n' (λk ) = nJ n (λ k ) − λJ n +1 (λk )

Atau karena J n (λ k ) = 0

J n' (λ k ) = − J n +1 (λ k )

2.uraikan f(x)=1 dalam suatu deret yang berbentuk


∑ A J (λ x )
p =1

p

0

p

Untuk 0