5.1.1球坐标系下的拉普拉斯方程分离变数法求解

拉普拉斯方程的球坐标系解法

1r2r(r2ur)+1r2sinθθ(sinθuθ)+1r2sin2θ2uϕ2=0

分离变量:u(r,θ,ϕ)=R(r)Y(θ,ϕ)

Y(θ,ϕ)r2ddr(r2dR(r)dr)+R(r)r2sinθθ(sinθY(θ,ϕ)θ)+R(r)r2sin2θ2Y(θ,ϕ)ϕ2=0

上式两边同乘以×r2/(YR)

1R(r)ddr(r2dR(r)dr)=1Y(θ,ϕ)sinθθ(sinθY(θ,ϕ)θ)1Y(θ,ϕ)sin2θ2Y(θ,ϕ)ϕ2

{ddr(r2dR(r)dr)l(l+1)R(r)=0径向方程1sinθθ(sinθY(θ,ϕ)θ)+1sin2θ2Y(θ,ϕ)ϕ2+l(l+1)Y(θ,ϕ)=0球谐方程

继续分离变量:Y(θ,ϕ)=Θ(θ)Φ(ϕ)

Φ(ϕ)sinθddθ(sinθdΘ(θ)dθ)+Θ(θ)sin2θd2Φ(ϕ)dϕ2+l(l+1)Θ(θ)Φ(ϕ)=0

上式两边同乘以×sin2θ/(ΘΦ)

sinθΘ(θ)ddθ(sinθdΘ(θ)dθ)+l(l+1)sin2θ=1Φ(ϕ)d2Φ(ϕ)dϕ2

{d2Φ(ϕ)dϕ2+λΦ(ϕ)=01sinθddθ(sinθdΘ(θ)dθ)+[l(l+1)λsin2θ]Θ(θ)=0ddr(r2dR(r)dr)l(l+1)R(r)=0

径向方程求解

ddr(r2dR(r)dr)l(l+1)R(r)=0r2d2R(r)dr2+2rdR(r)drl(l+1)R(r)=0

R(r)rnn(n1)rn+2nrnl(l+1)rn=0n(n+1)l(l+1)=0

径向方程通解:n1=l,n2=(l+1)Rl(r)=Alrl+Bl1rl+1

Φ(ϕ) 的方程的求解

d2Φ(ϕ)dϕ2+λΦ(ϕ)=0

函数单值性:Φ(ϕ)=Φ(ϕ+2π) (自然边条件)

刘维尔本征值问题

λm=m2,m=0,±1,±2,,Φm(ϕ)=eimϕ

λm=m2,m=0,1,2,,Φm(ϕ)={sinmϕcosmϕ

Θ(θ) 满足的方程

1sinθddθ(sinθdΘ(θ)dθ)+[l(l+1)m2sin2θ]Θ(θ)=0,0θπ

变量代换:xcosθ,y(x)Θ(θ)

1sinθddθ=ddx,sin2θ=1x2

ddx[(1x2)dy(x)dx]+[l(l+1)m21x2]y(x)=0

(1x2)d2y(x)dx22xdy(x)dx+[l(l+1)m21x2]y(x)=01x1缔合勒让德方程

系统具有极轴转动对称性

Φ(ϕ)=Const.m=0

(1x2)d2y(x)dx22xdy(x)dx+l(l+1)y(x)=0勒让德方程

posted @   RES_HON  阅读(77)  评论(0编辑  收藏  举报
相关博文:
阅读排行:
· DeepSeek 开源周回顾「GitHub 热点速览」
· 物流快递公司核心技术能力-地址解析分单基础技术分享
· .NET 10首个预览版发布:重大改进与新特性概览!
· AI与.NET技术实操系列(二):开始使用ML.NET
· 单线程的Redis速度为什么快?
点击右上角即可分享
微信分享提示