Introdução à função de Bessel

Funções de Bessel, também conhecidas como funções cilíndricas, definidas pelo matemático Daniel Bernoulli e depois generalizadas por Friedrich Bessel, são as soluções da equação diferencial de Bessel de segunda ordem conhecida como equação de Bessel. As soluções dessas equações podem ser do primeiro e do segundo tipo.

x^2y"+xy'+(x^2-n^2) y=0

Quando o método de separação de variáveis ​​é aplicado às equações de Laplace ou à resolução das equações de propagação de calor e onda, elas levam a equações diferenciais de Bessel. O MATLAB fornece essa função complexa e avançada "bessel" e a letra seguida pela palavra-chave decide o primeiro, o segundo e o terceiro tipo de função Bessel.

Tipos de função de Bessel no MATLAB

A solução geral da equação diferencial de Bessel tem duas soluções linearmente dependentes:

Y= A Jν(x)+B Yν(x)

1. Função de Bessel de Primeiro Tipo

Função Bessel do primeiro tipo, Jν (x) é finita em x = 0 para todos os valores reais de v. No MATLAB, é representada pela palavra-chave besselj e segue a sintaxe abaixo:

  • Y = besselj (nu, z): Isso retorna a função Bessel do primeiro tipo para cada elemento na matriz Z.
  • Y = besselj (nu, Z, escala) : especifica se a função de Bessel deve ser dimensionada exponencialmente. O valor da escala pode ser 0 ou 1, se for 0, não será necessário dimensionar e se o valor for 1, será necessário dimensionar a saída.
  • Os argumentos de entrada são nu e z, onde nu é a ordem das equações especificada como um vetor, matriz etc. e é um número real. Z pode ser matriz vetorial, escalar ou multidimensional. Nu e z devem ser do mesmo tamanho ou um deles é escalar.

2. Função de Bessel de Segundo Tipo (Yν (x))

Também é conhecida como função Weber ou Neumann, que é singular em x = 0. No MATLAB, é representado pela palavra-chave bessely e segue a sintaxe abaixo:

  • Y = bessely (nu, Z): Calcula a função Bessel do segundo tipo Yν (x) para cada elemento na matriz Z.
  • Y = bessely (nu, Z, scale) : especifica se a função Bessel deve ser dimensionada exponencialmente. O valor da escala pode ser 0 ou 1, se for 0, não será necessário dimensionar e se o valor for 1, será necessário dimensionar a saída.
  • Os argumentos de entrada são nu e z, onde nu é a ordem das equações especificada como um vetor, matriz etc. e é um número real. Z pode ser matriz vetorial, escalar ou multidimensional. Nu e z devem ser do mesmo tamanho ou um deles é escalar.

3. Função de Bessel de Terceiro Tipo

É representado pela palavra-chave besselh e segue a sintaxe abaixo:

  • H = besselh (nu, Z) : Calcula a função Hankel para cada elemento na matriz Z
  • H = besselh (nu, K, Z ): Calcula a função Hankel do primeiro ou segundo tipo para cada elemento na matriz Z, onde K pode ser 1 ou 2. Se K é 1, calcula a função Bessel do primeiro tipo e se K é 2, calcula a função de Bessel do segundo tipo.
  • H = besselh (nu, K, Z, escala ): especifica se a função de Bessel deve ser dimensionada exponencialmente. O valor da escala pode ser 0 ou 1, se for 0, não será necessário dimensionar e, se o valor for 1, será necessário dimensionar a saída, dependendo do valor de K.

Funções de Bessel modificadas

1. Função de Bessel modificada do primeiro tipo

É representado pela palavra-chave besseli e segue a sintaxe abaixo:

  • I = besseli (nu, Z): Calcula a função de Bessel modificada do primeiro tipo I ν ( z ) para cada elemento na matriz Z.
  • I = besseli (nu, Z, escala): especifica se a função de Bessel deve ser dimensionada exponencialmente. Se a escala for 0, não haverá escala necessária e se a escala for 1, a saída precisará ser dimensionada.
  • Os argumentos de entrada são nu e z, onde nu é a ordem das equações especificada como um vetor, matriz etc. e é um número real. Z pode ser matriz vetorial, escalar ou multidimensional. Nu e z devem ser do mesmo tamanho ou um deles é escalar.

2. Função de Bessel Modificada do Segundo Tipo

É representado pela palavra-chave besselk e segue a sintaxe abaixo:

  • K = besselk (nu, Z): Calcula a função Bessel modificada do segundo tipo K ν (z) para cada elemento na matriz Z.
  • K = besselk (nu, Z, escala): especifica se a função de Bessel deve ser dimensionada exponencialmente. Se a escala for 0, não haverá escala necessária e a escala será 1; a saída precisará ser dimensionada.
  • Os argumentos de entrada são nu e z, onde nu é a ordem das equações especificada como um vetor, matriz etc. e é um número real. Z pode ser matriz vetorial, escalar ou multidimensional. Nu e z devem ser do mesmo tamanho ou um deles é escalar.

Aplicações da função de Bessel

Abaixo estão as diferentes aplicações da função Bessel:

  • Processamento de eletrônicos e sinais : O filtro Bessel é usado, seguindo a função Bessel, para preservar um sinal em forma de onda dentro da banda passante. Isso é usado principalmente em sistemas de crossover de áudio. Também é usado na síntese FM (Frequency Modulation) para explicar a distribuição harmônica de um sinal de onda senoidal modulado por outro sinal de onda senoidal. A janela Kaiser que segue a função Bessel pode ser usada no processamento de sinal digital.
  • Acústica : é usada para explicar os diferentes modos de vibração em diferentes membranas acústicas, como um tambor.
  • Explica a solução da equação de Schrödinger em coordenadas esféricas e cilíndricas para uma partícula livre.
  • Explica a dinâmica dos corpos flutuantes.
  • Condução de calor: Equações de fluxo de calor e condução de calor em um cilindro infinito oco podem ser geradas a partir da equação diferencial de Bessel.

Conclusão

Existem muitas outras aplicações que usam funções de Bessel, como design de microfone, design de smartphone, etc. Portanto, é necessário escolher o sistema de coordenadas adequado e, se estivermos lidando com problemas que envolvam coordenadas cilíndricas ou esféricas, a função Bessel é exibida naturalmente.

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Este é um guia para as funções de Bessel no MATLAB. Aqui discutimos a introdução e os tipos de funções de Bessel no MATLAB, modificados junto com os aplicativos de funções de Bessel. Você também pode consultar nossos outros artigos sugeridos para saber mais:

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