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拉普拉斯方程 -- 环面坐标


环面坐标 中,拉普拉斯方程 变为

 cschv(cosu-coshv)^3[partial/(partialu)((sinhv)/(coshv-cosu)partial/(partialu))+partial/(partialv)((sinhv)/(coshv-cosu)partial/(partialv))+partial/(partialphi)((cschv)/(coshv-cosu)partial/(partialphi))]f=0.
(1)

尝试 分离变量,代入试解

 f(u,v,phi)=sqrt(coshu-cosv)U(u)V(v)Psi(psi),
(2)

然后将结果除以 csch^2u(coshu-cosv)^(5/2) U(u)V(v)Phi(phi) 得到

 1/4sinh^2u+coshusinhu(U^'(u))/(U(u))+sinh^2u(U^('')(u))/(U(u)) 
 +sinh^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(mpsi)=sum_(k=1)^infty[A_ksin(mpsi)+B_kcos(mpsi)].
(5)

Psi(psi) 代回并除以 sinh^2u 得到

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

也可以写成

 1/(sinhu)d/(du)(sinhu(dU)/(du))-[(m^2)/(sinh^2u)+(n^2-1/4)]U=0
(10)

(Arfken 1970, pp. 114-115)。拉普拉斯方程 是部分可分离的,但 亥姆霍兹微分方程 不是。

... 的微分方程的解被称为 环面函数


另请参阅

拉普拉斯方程, 拉普拉斯算子, 环面坐标, 环面函数

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参考文献

Arfken, G. "环面坐标 (xi,eta,phi)." §2.13 in 物理学家数学方法,第二版 奥兰多,佛罗里达州:Academic Press, pp. 112-115, 1970。Byerly, W. E. 傅里叶级数、球谐函数、柱谐函数和椭球谐函数的基础教程,以及在数学物理问题中的应用 纽约:Dover, pp. 264-266, 1959。Morse, P. M. 和 Feshbach, H. 理论物理方法,第一部分 纽约:McGraw-Hill, p. 666, 1953。

引用为

韦斯坦因,埃里克·W. “拉普拉斯方程 -- 环面坐标。” 来自 MathWorld——Wolfram Web 资源。 https://mathworld.net.cn/LaplacesEquationToroidalCoordinates.html

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