Transformada de Hankel

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A transformada de Hankel pode ser usada na solução da equação de Laplace.

Em matemática, a transformada de Hankel é uma transformada integral bastante relacionada com a transformada de Fourier multidimensional, proposta pelo matemático alemão Hermann Hankel (ver também Lista de transformadas relacionadas à transformada de Fourier). Encontra aplicação na análise de problemas em que se verifica simetria em duas ou mais dimensões, permitindo a substituição de coordenadas cartesianas pelo raio polar; por exemplo, em duas dimensões, faz-se

e escreve-se f(r) em lugar de f(x,y), diminuindo-se a complexidade do problema[1]. Um bom exemplo é a equação de Laplace, geralmente uma equação diferencial parcial em x e y, e que se torna uma equação diferencial ordinária em r quando expressa em coordenadas cilíndricas[2] (ver exemplos).

Essa transformada é também conhecida como Transformada de Bessel, uma vez que o núcleo da transformação consiste em uma função de Bessel de primeira espécie[2].

A Transformada de Hankel relaciona-se de forma interessante com a Transformada de Fourier e a Transformada de Abel por meio do Teorema da projeção de fatia[1][3][2]. As transformadas de transformada de Radon e de Tchebychev também podem ser relacionadas à transformada de Hankel (ver detalhes abaixo).


Definição[editar | editar código-fonte]

O núcleo da transformada de Hankel é uma função de Bessel do primeiro tipo.

A transformada de Hankel de ordem ν de uma função f(t) é dada por:



onde Jν é a função de Bessel de primeira espécie de ordem ν, com ν ≥ −1/2. A transformada inversa de Hankel é dada por:



Verifica-se, assim, que a transformada é a sua própria inversa, o que se chama, em matemática, uma involução.


Em espaços multidimensionais, sob condições de simetria, a transformada de Hankel de dimensão n é dada por:



com

Em duas dimensões (n = 2), obtém-se a transformada de Hankel tradicional. Em uma dimensão (n = 1), obtém-se a Transformada de Fourier, após aplicarem-se as identidades


[1]


Definições alternativas[editar | editar código-fonte]

Definições ligeiramente diferentes podem ser encontradas na literatura especializada. Por exemplo, Howell (2000)[4] e Piessens (2000) adotam as formas seguintes para a transformada e sua inversa:




Bracewell (2000)[1] e Deans (2000)[3] adotam a convenção preferida neste verbete.

Condições de existência[editar | editar código-fonte]

São condições suficientes (embora não necessárias) para a existência da integral (1a):

  • que, para valores crescentes de t, f(t) decresça conforme , com
  • que f'(t) seja contínua por partes no intervalo [0,∞] e
  • que para todo t.


Propriedades[editar | editar código-fonte]

Derivada[editar | editar código-fonte]

[2]


Dilatação do eixo[editar | editar código-fonte]

[2]


Divisão por t[editar | editar código-fonte]

[2]


Multiplicação por u[editar | editar código-fonte]

[2]


[2]


Operador diferencial de Bessel[editar | editar código-fonte]

Se , então



onde Δν é o operador diferencial de Bessel:


[2]


Teorema de Parseval[editar | editar código-fonte]

O teorema de Parseval[nota 1] tem uma fora ligeiramente alterada com relação a outras transformadas conhecidas, devido à geometria radial.


[2]


Também é relevante a propriedade



onde o símbolo * indica o conjugado complexo[1].

Convolução[editar | editar código-fonte]


[2]


Momentos[editar | editar código-fonte]



[1]


Relação com outras transformadas[editar | editar código-fonte]

A transformada de Hankel se relaciona com a transformada de Radon bidimensional por meio da seguinte expressão, em forma de operadores:



Uma expressão similar vale para a transformada de Tchebychev


[5]


A transformada de Hankel de ordem 0 relaciona-se com as transformadas de Fourier e de Abel conforme a expressão conhecida como ciclo (ou anel) de transformadas de Abel-Fourier-Hankel:



onde o operador denota a transformada de Abel e , a transformada identidade. Cumpre lembrar que a função bidimensional f(x,y), implícita na fórmula, precisa ser circularmente simétrica para que a transformação de Abel possa ser aplicada[5][1][2].

Outras transformações relacionadas[editar | editar código-fonte]

Transformada Finita de Hankel[editar | editar código-fonte]

A Transformada Finita de Hankel é definida como:



onde α é um zero positivo da função Jν(x). Se, por outro lado, α for um zero positivo da função g(x) = hJν(x) + xJ'ν(x), onde h é uma constante qualquer não-negativa, a equação (4a) define a chamada Transformada Finita de Hankel Modificada, KνM.

Uma notação usual para o n-ésimo zero da função Jν(x) é jν,n; uma notação usual para o n-ésimo zero da função hJν(x) + xJ'ν(x) é βν,n,h (ou mesmo apenas βν,n). Para h=0, α passa a ser um zero positivo da função J'ν(x), usualmente denotado por j'ν,n.

As transformações inversas são obtidas através das fórmulas



e



A propriedade importante dessas transformadas é a seguinte:




onde Δν é o operador diferencial de Bessel[2].

Transformada de Weber[editar | editar código-fonte]

Se em lugar do núcleo Jν(ut) for usada a função



onde Yν é a função de Bessel de segunda espécie de ordem ν, a equação



define a Transformada de Weber de ordem ν de f(t). A transformação inversa é dada por



A propriedade notável dessa transformada é a seguinte: se



então


[2]


Transformada multidimensional de Hankel[editar | editar código-fonte]

Uma fórmula geral para a transformada de Hankel em n dimensões, válida para situações onde exista a devida simetria, é a seguinte:



Essa fórmula pode ser usada para calcular a transformada de Hankel para n = 3. Com n = 2, a fórmula fornece a definição conhecida de . Com n = 1, obtém-se, após as devidas simplificações, a transformada de Fourier unidimensional[1].


Tabela de Transformadas de Hankel[editar | editar código-fonte]

Na maioria das vezes, devido ao fato de as funções de Bessel não serem expressas em forma fechada, a avaliação da Transformada de Hankel deve ser feita por métodos numéricos. Em alguns casos, entretanto, ela pode ser escrita como uma fórmula relativamente simples. As tabelas abaixo trazem alguns exemplos.

Tabela 1 - Transformadas de Hankel de ordem 0 de algumas funções f(t)[2][1]
onde:
  • é a função degrau unitário
  • é a função impulso unitário
  • é a função retangular
  • é a função gama
  • é a função de Bessel modificada do primeiro tipo de ordem 0
  • é a função de Bessel modificada do segundo tipo de ordem 0
  • é a função de Struve de ordem 0
  • é a função de Struve modificada de ordem 0
Tabela 2 - Transformadas de Hankel de ordem ν de algumas funções f(t)[2]
onde:
  • é a função degrau unitário
  • é a função gama

Exemplos de aplicação[editar | editar código-fonte]

Solução de equação diferencial parcial de Laplace[editar | editar código-fonte]

Disco carregado localizado num plano perpendicular ao eixo Z e com centro na origem.

A transformada de Hankel pode auxiliar na solução da equação de Laplace



Suponhamos que as condições de contorno sejam



onde, devido à simetria, foram escolhidas coordenadas cilíndricas para a formulação. As equações (5a) e (5b) descrevem, por exemplo, o potencial elétrico V em um ponto qualquer (r,θ,z) do espaço tridimensional, causado por um disco eletrificado de raio unitário localizado no plano perpendicuar ao eixo Z e com centro na origem. O potencial do disco é igual a V0.

Para simplificar, novamente devido à simetria do problema, a coordenada polar θ pode ser omitida. A partir da equação do Laplaciano em coordenadas cilíndricas, (5a) se torna então



Aplicando a transformada de Hankel de ordem 0 a (5c), com relação à variável r, obtém-se



onde K0(u,z) é a transformada de Hankel de ordem 0 de V(r,z). A solução óbvia de (5d) é



A "condição de contorno" implícita



implica φ2 idênticamente nula. Assim, ao aplicar-se a transformada inversa a (5e), obtém-se



Aplicando (5f) às condições (5b), teremos




As expressões (5g) e (5h) formam um sistema de equações integrais de Fredholm do primeiro tipo. É conhecida a solução para o caso geral


[2]


que coincide com (5g) e (5h) se fizermos . Assim,




Mas


[6]


Fazendo ν = -½ na expressão acima e aplicando em (5i), temos



Lançando mão da identidade


[7]


temos



E a resposta do problema é



A expressão (5j) deve ser integrada numericamente para se obter o valor do potencial para cada ponto do espaço.

Notas[editar | editar código-fonte]

  1. Também referido como Teorema de Plancherel.


Referências

  1. a b c d e f g h i Bracewell, R. - The Fourier Transform And Its Applications, 3rd. Edition, New York: McGraw-Hill, 2000, ISBN 978-0-1381-4757-0, Cap. 13, pp. 335-339, 343
  2. a b c d e f g h i j k l m n o p q R. Piessens - The Hankel Transform in A. Poularikas (org) - The Transforms and Applications Handbook, 2nd. edition, Boca Raton: CRC, 2000, Cap. 9, pp. 834-977
  3. a b S. R. Deans - Radon and Abel Transforms in A. Poularikas (org) - The Transforms and Applications Handbook, 2nd. edition, Boca Raton: CRC, 2000, Cap. 8, pp. 788-793
  4. K. Howell - Fourier Transforms in A. Poularikas (org) - The Transforms and Applications Handbook, 2nd. edition, Boca Raton: CRC, 2000, Cap. 2, pp. 192-195
  5. a b S. Deans - op. cit., pp. 792 a 793
  6. I. Gradshteyn, I. Ryzhik - Table of Integrals, Series, and Products, 7th ed., 2007, San Diego, Academic Press, pág. 676
  7. I. Gradshteyn, I. Ryzhik - op. cit., pág. 924