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亥姆霍兹微分方程——极坐标


在二维极坐标中,亥姆霍兹微分方程

 1/rpartial/(partialr)(r(partialF)/(partialr))+1/(r^2)(partial^2F)/(partialtheta^2)+k^2F=0.
(1)

尝试分离变量法,写作

 F(r,theta)=R(r)Theta(theta),
(2)

亥姆霍兹微分方程变为

 (d^2R)/(dr^2)Theta+1/r(dR)/(dr)Theta+1/(r^2)(d^2Theta)/(dtheta^2)R+k^2RTheta=0.
(3)

两边乘以 r^2/(RTheta) 得到

 ((r^2)/R(d^2R)/(dr^2)+r/R(dR)/(dr)+k^2r^2)+(1/Theta(d^2Theta)/(dtheta^2))=0.
(4)

方程(4)第二部分的解必须是周期性的,所以微分方程是

 (d^2Theta)/(dtheta^2)1/Theta=-m^2,
(5)

其解为

 Theta(theta)=A_mcos(mtheta)+B_msin(mtheta).
(6)

将方程(5)代回方程(4

 ((r^2)/R(d^2R)/(dr^2)+r/R(dR)/(dr)+k^2r^2)=m^2.
(7)

其解为

 R(r)=C_mJ_m(kr)+D_mY_m(kr),
(8)

其中 J_m(x)Y_m(x) 分别是第一类和第二类贝塞尔函数。结合解得到通解

 F(r,theta)=sum_(m=0)^infty[A_mcos(mtheta)+B_msin(mtheta)]×[C_mJ_m(kr)+D_mY(kr)].
(9)

另请参阅

亥姆霍兹微分方程——圆柱坐标

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参考文献

Morse, P. M. 和 Feshbach, H. 理论物理方法,第一部分。 纽约:麦格劳-希尔出版社,第 502-504 页,1953 年。

引用为

Weisstein, Eric W. “亥姆霍兹微分方程——极坐标。” 来自 —— 资源。 https://mathworld.net.cn/HelmholtzDifferentialEquationPolarCoordinates.html

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