複素数を引数とする（？）ベッセル関数

質問

皆様，お忙しい所回答お願いいたします。
一度他の方が似たような質問があったのですが，それだけでは解決できなかったので再度質問させていただきます。

質問はタイトルの通り，複素数を引数zとするベッセル関数Jn(z)がどうなるのか分かりません。

さまざまな参考書では実数もしくは純虚数をを引数とするベッセル関数の理論やプログラムのサブルーチンはあるのですが，複素数に関しては見つかりません。

大きな数学辞典を見ても，載っている数表は引数が実数のものばかりです。

どうしてこのような関数を必要としているのかというと，電磁界の円柱散乱問題の所で円柱媒質が導電率σを持つ損失性媒質の場合，波数kが複素数となり円柱内部電磁界の解析解に含まれるベッセル関数の引数が複素数となってしまうからです。(Jn(kr)という風に)

複素数を引数zとするベッセル関数Jn(z)の理論について，ご教授の方何卒お願いいたします。
また，参考文献等ありましたらそちらもご教授お願いいたします。

回答No.6

grothendieck

読んでくれていないようだけど一応書いておきます。http://portal.acm.org/citation.cfm?id=214331
から複素変数ベッセル関数を計算するFORTRANプログラムをdownloadすることができます。変数の実部と虚部が0, 0.5, 1, 5 の組み合わせについてJ0(z)の実部と虚部をこのプログラムで計算し、回答No3,4の結果と一致することを確認しました。（虚部の方はexp(-y*cos(a))*cos(x*cos(a))をexp(-y*cos(a))*sin(x*cos(a)) に変更する）
Amosのプログラムの方が機能は多いし計算も早いと思います。ただし私のプログラムは10行程度であるのに対し、Amosのプログラムは注釈等も入れると数千行に上っています。

参考URL：

http://math.nist.gov/mcsd/Reports/2001/nesf/node18.html

回答No.5

grothendieck

文献
　D. E. Amons;ACM Transactions on Mathematical Software,12(1986), 265

私はまだこの文献を読んでいないので、これではどの様に計算されているのかはわかりません。

回答No.4

grothendieck

関数の誤りを次の様に修正しました

for(i in 1:99999) → for(i in 1:100000)

これでRe{J0(x+iy)}を計算すると次の様になりました。

　　　y　　0　　　　0.5　　　　1　　　　5
　x
　0.0　1.000000　1.063483　1.266066　27.23987
　0.5　0.938469　0.996094　1.179857　24.49395
　1.0　0.765197　0.806443　0.937608　16.84624
　5.0　-0.177596　-0.191713　-0.235355　-2.67594

表を見るときはウィンドウを大きくして下さい

回答No.3

grothendieck

統計解析ソフトRで0次ベッセル関数の実部を計算する関数を作りました

complexbessel <- function(x,y)
{
h <- 0.00001*3.14159265358
s <- 0
a <- 0
for(i in 1:99999){
s<- s+(exp(-y*cos(a))*cos(x*cos(a)) + exp(-y*cos(a+h))*cos(x*cos(a+h)) )/2
a <- h*i }

s*0.00001
}

これでRe{J0(x+iy)}を計算すると次の様になりました。

　y　　0　　　　　0.5　　　　1　　　　5
x
　0.0 0.99999　1.063467　1.266039　27.23839
　0.5　0.93846　0.996079　1.179833　24.49265
　1.0　0.76519　0.806434　0.937593　16.84544
　5.0　-0.17759　-0.19171　-0.23536　-2.67636

引数が実数の時、および純虚数のときは数表と一致しているので多分正しいでしょう。

回答No.2

grothendieck

いろいろな方法があると思いますが、ベッセル関数の積分表示

　Jn(z)
=((z/2)^n/√π Γ(n+1/2))
×∫[0～π]exp(iz cosθ)sin^(2n)θdθ

を数値積分するのが簡単なのではないでしょうか。例えば０次ベッセル関数は

Re{J0(x+iy)}
=(1/π)∫[0～π]exp(-ycosθ) cos(xcosθ)dθ

Im{J0(x+iy)}
=(1/π)∫[0～π]exp(-ycosθ) sin(xcosθ)dθ

になります。

回答No.1

atomicmolecule

ベッセル関数なら、殆どの本に載っていると思われます。例えば岩波数学公式集ＩＩＩの145ページ。
またベッセル関数と超幾何関数0F1、1F1を関係付ける公式が５７ページにあります。超幾何関数の項目をみると積分表示もあるはずです。

しかし、ベッセル関数程よく使われるものは大抵プログラムが存在します。mathematicaには当然入っていますし、fortranのライブラリーなどにも入っている可能性が大きいです。またはちょっと数値計算したことのある人なら、複素数への拡張も直ぐにできるでしょうし、もしかしたらもっと高度なプログラムを集めたライブラリーを持っている可能性が高いでしょう。研究室の先生に聞くのが早いでしょう。そんなに難しいことではないので、自分でプログラミングに挑戦してみるのも良いでしょう。