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扁长球面坐标


ProlateSpheroidalCoords
ProlateSpheroidalCoords3D

一种曲线坐标系,其中两组坐标曲面通过绕 椭圆柱坐标系 的曲线旋转获得,旋转轴为 x,重新标记为 z。第三组坐标由穿过该轴的平面组成。

x=asinhxisinetacosphi
(1)
y=asinhxisinetasinphi
(2)
z=acoshxicoseta,
(3)

其中 xi in [0,infty), eta in [0,pi], 和 phi in [0,2pi)。请注意,有几种常见的约定;Arfken (1970) 使用 (u,v,phi) 而不是 (xi,eta,phi),Moon 和 Spencer (1988, p. 28) 使用 (eta,theta,psi)

在这个坐标系中,比例因子

h_xi=asqrt(sinh^2xi+sin^2eta)
(4)
h_eta=asqrt(sinh^2xi+sin^2eta)
(5)
h_phi=asinhxisineta.
(6)

拉普拉斯算符

del ^2f=1/(sinetasinhxi(sin^2eta+sinh^2xi)){partial/(partialxi)(sinetasinhxi(partialf)/(partialxi))+partial/(partialeta)(sinetasinhxi(partialf)/(partialeta))+partial/(partialphi)[(cschxisineta+cscetasinhxi)(partialf)/(partialphi)]}.
(7)
=1/(sin^2eta+sinh^2xi)[(csc^2eta+csch^2xi)(partial^2f)/(partialphi^2)+coteta(partialf)/(partialeta)+(partial^2f)/(partialeta^2)+cothxi(partialf)/(partialxi)+(partial^2f)/(partialxi^2)]
(8)

另一种用于“双中心”问题的形式定义为

xi_1=coshxi
(9)
xi_2=coseta
(10)
xi_3=phi,
(11)

其中 xi_1 in [1,infty], xi_2 in [-1,1], 和 xi_3 in [0,2pi) (Abramowitz 和 Stegun 1972)。在这些坐标中,

z=axi_1xi_2
(12)
x=asqrt((xi_1^2-1)(1-xi_2^2))cosxi_3
(13)
y=asqrt((xi_1^2-1)(1-xi_2^2))sinxi_3.
(14)

根据到两个焦点的距离,

xi_1=(r_1+r_2)/(2a)
(15)
xi_2=(r_1-r_2)/(2a)
(16)
2a=r_(12).
(17)

比例因子

h_(xi_1)=asqrt((xi_1^2-xi_2^2)/(xi_1^2-1))
(18)
h_(xi_2)=asqrt((xi_1^2-xi_2^2)/(1-xi_2^2))
(19)
h_(xi_3)=asqrt((xi_1^2-1)(1-xi_2^2)),
(20)

拉普拉斯算符为

 del ^2f=1/(a^2){1/(xi_1^2-xi_2^2)partial/(partialxi_1)[(xi_1^2-1)(partialf)/(partialxi_1)]+1/(xi_1^2-xi_2^2)partial/(partialxi_2)[(1-xi_2^2)(partialf)/(partialxi_2)]+1/((xi_1^2-1)(1-xi_2^2))(partial^2f)/(partialxi_3^2)}.
(21)

亥姆霍兹微分方程在扁长球面坐标系中是可分离的。


另请参阅

亥姆霍兹微分方程--扁长球面坐标, 纬度, 经度, 扁球面坐标, 球面坐标

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参考文献

Abramowitz, M. 和 Stegun, I. A. (Eds.). "扁长球面坐标的定义。" §21.2 in Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs, and Mathematical Tables, 9th printing. 纽约: Dover, p. 752, 1972年。Arfken, G. "扁长球面坐标 (u, v, phi)." §2.10 in Mathematical Methods for Physicists, 2nd ed. 奥兰多, FL: Academic Press, pp. 103-107, 1970年。Byerly, W. E. 傅里叶级数、球面、柱面和椭球面调和函数的初等论著,以及在数学物理问题中的应用。 纽约: Dover, pp. 243-244, 1959年。Moon, P. 和 Spencer, D. E. "扁长球面坐标 (eta,theta,psi)." 表 1.06 in Field Theory Handbook, Including Coordinate Systems, Differential Equations, and Their Solutions, 2nd ed. 纽约: Springer-Verlag, pp. 28-30, 1988年。Morse, P. M. 和 Feshbach, H. 理论物理方法,第一部分。 纽约: McGraw-Hill, p. 661, 1953年。Wrinch, D. M. "倒扁长球体。" Philos. Mag. 280, 1061-1070, 1932年。

在 Wolfram|Alpha 中被引用

扁长球面坐标

请引用为

Weisstein, Eric W. "扁长球面坐标。" 来自 MathWorld--Wolfram Web 资源。 https://mathworld.net.cn/ProlateSpheroidalCoordinates.html

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