Incomplete Bessel functions
Definition
The incomplete Bessel functions are defined as the same delay differential equations of the complete-type Bessel functions :
J v − 1 ( z , w ) − J v + 1 ( z , w ) = 2 ∂ ∂ z J v ( z , w )
Y v − 1 ( z , w ) − Y v + 1 ( z , w ) = 2 ∂ ∂ z Y v ( z , w )
I v − 1 ( z , w ) + I v + 1 ( z , w ) = 2 ∂ ∂ z I v ( z , w )
K v − 1 ( z , w ) + K v + 1 ( z , w ) = − 2 ∂ ∂ z K v ( z , w )
H v − 1 ( 1 ) ( z , w ) − H v + 1 ( 1 ) ( z , w ) = 2 ∂ ∂ z H v ( 1 ) ( z , w )
H v − 1 ( 2 ) ( z , w ) − H v + 1 ( 2 ) ( z , w ) = 2 ∂ ∂ z H v ( 2 ) ( z , w )
And the following suitable extension forms of delay differential equations from that of the complete-type Bessel functions :
J v − 1 ( z , w ) + J v + 1 ( z , w ) = 2 v z J v ( z , w ) − 2 tanh v w z ∂ ∂ w J v ( z , w )
Y v − 1 ( z , w ) + Y v + 1 ( z , w ) = 2 v z Y v ( z , w ) − 2 tanh v w z ∂ ∂ w Y v ( z , w )
I v − 1 ( z , w ) − I v + 1 ( z , w ) = 2 v z I v ( z , w ) − 2 tanh v w z ∂ ∂ w I v ( z , w )
K v − 1 ( z , w ) − K v + 1 ( z , w ) = − 2 v z K v ( z , w ) + 2 tanh v w z ∂ ∂ w K v ( z , w )
H v − 1 ( 1 ) ( z , w ) + H v + 1 ( 1 ) ( z , w ) = 2 v z H v ( 1 ) ( z , w ) − 2 tanh v w z ∂ ∂ w H v ( 1 ) ( z , w )
H v − 1 ( 2 ) ( z , w ) + H v + 1 ( 2 ) ( z , w ) = 2 v z H v ( 2 ) ( z , w ) − 2 tanh v w z ∂ ∂ w H v ( 2 ) ( z , w )
Where the new parameter w defines the integral bound of the upper-incomplete form and lower-incomplete form of the modified Bessel function of the second kind :
K v ( z , w ) = ∫ w ∞ e − z cosh t cosh v t d t
J v ( z , w ) = ∫ 0 w e − z cosh t cosh v t d t
Properties
J v ( z , w ) = J v ( z ) + e v π i 2 J ( i z , v , w ) − e − v π i 2 J ( − i z , v , w ) i π
Y v ( z , w ) = Y v ( z ) + e v π i 2 J ( i z , v , w ) + e − v π i 2 J ( − i z , v , w ) π
I − v ( z , w ) = I v ( z , w ) for integer v
I − v ( z , w ) − I v ( z , w ) = I − v ( z ) − I v ( z ) − 2 sin v π π J ( z , v , w )
I v ( z , w ) = I v ( z ) + J ( − z , v , w ) − e − v π i J ( z , v , w ) i π
I v ( z , w ) = e − v π i 2 J v ( i z , w )
K − v ( z , w ) = K v ( z , w )
K v ( z , w ) = π 2 I − v ( z , w ) − I v ( z , w ) sin v π for non-integer v
H v ( 1 ) ( z , w ) = J v ( z , w ) + i Y v ( z , w )
H v ( 2 ) ( z , w ) = J v ( z , w ) − i Y v ( z , w )
H − v ( 1 ) ( z , w ) = e v π i H v ( 1 ) ( z , w )
H − v ( 2 ) ( z , w ) = e − v π i H v ( 2 ) ( z , w )
H v ( 1 ) ( z , w ) = J − v ( z , w ) − e − v π i J v ( z , w ) i sin v π = Y − v ( z , w ) − e − v π i Y v ( z , w ) sin v π for non-integer v
H v ( 2 ) ( z , w ) = e v π i J v ( z , w ) − J − v ( z , w ) i sin v π = Y − v ( z , w ) − e v π i Y v ( z , w ) sin v π for non-integer v
Integral representations
Base on the preliminary definitions above, one would derive directly the following integral forms of J v ( z , w ) , Y v ( z , w ) :
J v ( z , w ) = J v ( z ) + 1 π i ( ∫ 0 w e v π i 2 − i z cosh t cosh v t d t − ∫ 0 w e i z cosh t − v π i 2 cosh v t d t ) = J v ( z ) + 1 π i ( ∫ 0 w cos ( z cosh t − v π 2 ) cosh v t d t − i ∫ 0 w sin ( z cosh t − v π 2 ) cosh v t d t − ∫ 0 w cos ( z cosh t − v π 2 ) cosh v t d t − i ∫ 0 w sin ( z cosh t − v π 2 ) cosh v t d t ) = J v ( z ) + 1 π i ( − 2 i ∫ 0 w sin ( z cosh t − v π 2 ) cosh v t d t ) = J v ( z ) − 2 π ∫ 0 w sin ( z cosh t − v π 2 ) cosh v t d t
Y v ( z , w ) = Y v ( z ) + 1 π ( ∫ 0 w e v π i 2 − i z cosh t cosh v t d t + ∫ 0 w e i z cosh t − v π i 2 cosh v t d t ) = Y v ( z ) + 1 π ( ∫ 0 w cos ( z cosh t − v π 2 ) cosh v t d t − i ∫ 0 w sin ( z cosh t − v π 2 ) cosh v t d t + ∫ 0 w cos ( z cosh t − v π 2 ) cosh v t d t + i ∫ 0 w sin ( z cosh t − v π 2 ) cosh v t d t ) = Y v ( z ) + 2 π ∫ 0 w cos ( z cosh t − v π 2 ) cosh v t d t
With the Mehler–Sonine integral expressions of J v ( z ) = 2 π ∫ 0 ∞ sin ( z cosh t − v π 2 ) cosh v t d t and Y v ( z ) = − 2 π ∫ 0 ∞ cos ( z cosh t − v π 2 ) cosh v t d t mentioned in Digital Library of Mathematical Functions ,
we can further simplify to J v ( z , w ) = 2 π ∫ w ∞ sin ( z cosh t − v π 2 ) cosh v t d t and Y v ( z , w ) = − 2 π ∫ w ∞ cos ( z cosh t − v π 2 ) cosh v t d t , but the issue is not quite good since the convergence range will reduce greatly to | v | < 1 .
References
↑ Jones, D. S. (February 2007). "Incomplete Bessel functions. I" . Proceedings of the Edinburgh Mathematical Society . 50 (1): 173– 183. doi :10.1017/S0013091505000490 .
↑ Paris, R. B. (2010), "Bessel Functions" , in Olver, Frank W. J. ; Lozier, Daniel M.; Boisvert, Ronald F.; Clark, Charles W. (eds.), NIST Handbook of Mathematical Functions , Cambridge University Press, ISBN 978-0-521-19225-5 , MR 2723248 .