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亥姆霍茲微分方程——極座標


在二維極座標中,亥姆霍茲微分方程

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

嘗試分離變數法,寫作

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

亥姆霍茲微分方程變為

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

兩邊乘以 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)第二部分的解必須是週期性的,所以微分方程是

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

其解為

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

將方程(5)代回方程(4

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

其解為

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

其中 J_m(x)Y_m(x) 分別是第一類和第二類貝塞爾函式。結合解得到通解

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

另請參閱

亥姆霍茲微分方程——圓柱座標

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參考文獻

Morse, P. M. 和 Feshbach, H. 理論物理方法,第一部分。 紐約:麥格勞-希爾出版社,第 502-504 頁,1953 年。

引用為

Weisstein, Eric W. “亥姆霍茲微分方程——極座標。” 來自 —— 資源。 https://mathworld.tw/HelmholtzDifferentialEquationPolarCoordinates.html

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