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拉普拉斯方程——双球坐标


双球坐标中,拉普拉斯方程变为

 del ^2f=((coshv-cosu)^3)/(a^2sinu){sinupartial/(partialv)(1/(coshv-cosu)(partialf)/(partialv))+partial/(partialu)((sinu)/(coshv-cosu)(partialf)/(partialu))}+((coshv-cosu)^2)/(a^2sin^2u)(partial^2f)/(partialphi^2).
(1)

尝试分离变量法,代入试解

 f(u,v,phi)=sqrt(coshv-cosu)U(u)V(v)Psi(psi),
(2)

然后将结果除以 csc^2u(coshv-cosu)^(5/2) U(u)V(v)Phi(phi) 以获得

 -1/4sin^2u+cosusinu(U^'(u))/(U(u))+sin^2u(U^('')(u))/(U(u)) 
 +sin^2u(V^('')(v))/(V(v))+(Phi^('')(phi))/(Phi(phi))=0.
(3)

函数 Phi(phi) 然后分离得到

 (Phi^('')(phi))/(Phi(phi))=-m^2,
(4)

给出解

 Psi(psi)=sin; cos(mphi)=sum_(k=1)^infty[A_ksin(mpsi)+B_kcos(mpsi)].
(5)

Psi(psi) 代回并除以 sin^2u 得到

 cotu(U^'(u))/(U(u))+(U^('')(u))/(U(u))-(m^2)/(sin^2u)-1/4+(V^('')(v))/(V(v))=0.
(6)

函数 V(v) 然后分离得到

 (V^('')(v))/(V(v))=-n^2,
(7)

给出解

 V(v)=sin; cos(nv)=sum_(k=1)^infty[C_ksin(nv)+D_kcos(nv)].
(8)

V(v) 代回并乘以 V(v) 得到

 U^('')(u)+cotuU^'(u)-[(m^2)/(sin^2u)+(n^2+1/4)]U(u)=0,
(9)

因此,拉普拉斯方程双球坐标中是部分可分离的。然而,亥姆霍兹微分方程不能以这种方式分离。


另请参阅

双球坐标, 拉普拉斯方程

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参考文献

Arfken, G. "双球坐标 (xi,eta,phi)." §2.14 in 物理学家数学方法,第二版 奥兰多,佛罗里达州:学术出版社,第115-117页,1970年。Morse, P. M. 和 Feshbach, H. 理论物理方法,第一部分 纽约:麦格劳-希尔,第665-666页,1953年。

请引用本文献为

Weisstein, Eric W. “拉普拉斯方程——双球坐标。” 来自 MathWorld——Wolfram Web 资源。 https://mathworld.net.cn/LaplacesEquationBisphericalCoordinates.html

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