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拉普拉斯方程 -- 環面座標


環面座標 中,拉普拉斯方程 變為

 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)

嘗試 分離變數,代入試解

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

然後將結果除以 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)

函式 Phi(phi) 然後分離得到

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

給出解

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

Psi(psi) 代回併除以 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)

函式 V(v) 然後分離得到

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

給出解

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

V(v) 代回並乘以 V(v) 得到

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

也可以寫成

 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 是部分可分離的,但 亥姆霍茲微分方程 不是。

... 的微分方程的解被稱為 環面函式


另請參閱

拉普拉斯方程, 拉普拉斯運算元, 環面座標, 環面函式

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參考文獻

Arfken, G. "環面座標 (xi,eta,phi)." §2.13 in 物理學家數學方法,第二版 奧蘭多,佛羅里達州:Academic Press, pp. 112-115, 1970。Byerly, W. E. 傅立葉級數、球諧函式、柱諧函式和橢球諧函式的基礎教程,以及在數學物理問題中的應用 紐約:Dover, pp. 264-266, 1959。Morse, P. M. 和 Feshbach, H. 理論物理方法,第一部分 紐約:McGraw-Hill, p. 666, 1953。

引用為

韋斯坦因,埃裡克·W. “拉普拉斯方程 -- 環面座標。” 來自 —— 資源。 https://mathworld.tw/LaplacesEquationToroidalCoordinates.html

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