球函数

\gdef\red#1{{\color{cb8680}{#1}}} \gdef\green#1{{\color{4f8d63}{#1}}} \gdef\gray#1{{\color{gray}{#1}}} \gdef\purple#1{{\color{B189C6}{#1}}} \gdef\orange#1{{\color{dfa04b}{#1}}} \gdef\white#1{{\color{white}{#1}}}

纲要

  • 轴对称球函数
  • Legendre 多项式的性质
  • Legendre 多项式的物理应用
  • 一般球函数与连带勒让德函数
  • 球谐函数
球函数

分离变量

球函数

三维球坐标下 2u=0\nabla^2 u = 0 的分离变量

  • 球坐标下的拉普拉斯方程变量分离得到

    u(r)=R(r)Y(θ,φ)=R(r)H(θ)Φ(φ)u(\mathbf{r}) = R(r) Y(\theta, \varphi) = R(r) H(\theta) \Phi(\varphi)

  • uu单值性 \Rightarrow Φ(φ)\Phi(\varphi)周期性

    Φ(φ+2π)=Φ(φ)Φ(φ)=eimφ,mZ\Phi(\varphi + 2\pi) = \Phi(\varphi) \quad \Rightarrow\quad \Phi(\varphi) = e^{im \varphi}, m \in \mathbb{Z}

  • 径向方程

    r2R+2rRλR=0r^2 R'' + 2r R' - \lambda R = 0

球函数
球函数

三维球坐标下 2u=0\nabla^2 u = 0 的分离变量

  • H(θ)H(\theta) 重命名为 P(x=cosθ)P(x = \cos \theta),满足

    ddx[(1x2)dPdx]+(λm21x2)P=0\frac{d}{dx}\bigg[(1 - x^2)\frac{dP}{dx}\bigg] + \bigg(\lambda - \frac{m^2}{1 - x^2}\bigg)P = 0

    mm 值来自 Φ(φ)\Phi(\varphi) 的指数

    x=±1x = \pm 1 对应 θ=0,π\theta = 0, \pi,即南北极位置

球函数

三维球坐标下 2u=0\nabla^2 u = 0 的分离变量

  • Y(θ,φ)=H(θ)Φ(φ)Y(\theta, \varphi) = H(\theta) \Phi(\varphi) 应当形成球面上的单值函数

    • m0m \ne 0H(θ=0,π)=0H(\theta = 0, \pi) = 0 才能保证在南北极的函数值不随 φ\varphi 变化
    • m=0m = 0H(θ=0,π)H(\theta = 0, \pi) 只要有限即可
  • 迫使 PP 满足如下自然边界条件

    {P(±1)=0m0P(±1)<m=0\left\{\begin{array}{cc} P(\pm 1) = 0 & m \ne 0\\ P(\pm 1) < \infty & m = 0 \end{array}\right.

球函数
轴对称问题的一般解

轴对称问题的一般解

球函数
轴对称问题的一般解

轴对称问题的一般解

  • 轴对称问题:有一些特殊问题具有轴对称性,解与 φ\varphi 无关

  • 要求 m=0m = 0,勒让德方程 + 自然边界条件

    ddx[(1x2)dPdx]+λP=0,P(±1)<\frac{d}{dx}\bigg[(1 - x^2) \frac{dP}{dx}\bigg] + \lambda P = 0, \qquad |P(\pm 1)| < \infty

    拆解导数,除以 1x21 - x^2 得到二阶常微分方程标准形式

    d2Pdx22x(1x2)dPdx+λ(1x2)P=0 \frac{d^2P}{dx^2} - \frac{2x}{(1-x^2)} \frac{dP}{dx} + \frac{\lambda}{(1-x^2)} P = 0

球函数
轴对称问题的一般解

轴对称问题的一般解

  • x=0x = 0常点x=±1x = \pm 1正则奇点
  • 为什么 x=±1x = \pm 1 是正则奇点?
球函数
轴对称问题的一般解

轴对称问题的一般解

  • 原点 (常点) 为中心求级数解

  • 两个线性独立解 y0(x),y1(x)y_0(x), y_1(x):当 λ\lambdageneric 值,两个解 不满足自然边界条件

    对数发散

    两个级数解的渐近形式为

    y(x)y0m+12mx2m+y1m+12m+1x2m+1y(x) \sim y_0 \sum_{m}^{+\infty} \frac{1}{2m}x^{2m} + y_1 \sum_{m}^{+\infty} \frac{1}{2m+1}x^{2m+1}

    两个级数在 x=±1x = \pm1呈现 ln(1x)\ln(1\mp x)对数发散

球函数
轴对称问题的一般解

轴对称问题的一般解

  • 对数发散和 Fuch's 定理的对数解有什么关系?
    Fuch's 定理预言在正则奇点处会有对数解,在奇点处就有发散
  • Fuch's 定理预言几个对数解? 最多一个
  • 这里获得几个对数发散解?
    可以线性组合出 ln(1+x)\ln(1 + x)ln(1x)\ln(1-x)
  • 是否有矛盾?
    没有矛盾;两个对数发散只在一侧显现

球函数
轴对称问题的一般解

轴对称问题的一般解

  • 自然边界条件 要求本征值

    λ=2m(2m+1),(2m+1)(2m+2)\lambda = 2m (2m + 1), \qquad (2m + 1)(2m + 2)

    λ=(+1)\lambda = \ell(\ell + 1)=0,1,2,3,\ell = 0, 1, 2, 3, \cdots

  • 本征函数为 \ell-阶 Legendre 函数 P(x)=P(cosθ)P_\ell(x) = P_\ell(\cos \theta)

    Q(x)Q_\ell(x) 仍是无穷级数,在 x=1x = \mp 1 处有 对数发散 被排除

球函数
轴对称问题的一般解

轴对称问题的一般解

  • 径向方向的方程

     r2R(r)+2rR(r)(+1)R(r)=0 R(r)=r,or,1r+1\begin{align*} & \ r^2 R''(r) + 2r R'(r) - \ell (\ell + 1) R(r) = 0 \\ \Rightarrow & \ R(r) = r^\ell, \quad \text{or}, \quad \frac{1}{r^{\ell + 1}} \end{align*}

    称为欧拉方程

球函数
轴对称问题的一般解

轴对称问题的一般解

  • 一般解

    u(r,θ,φ)==0+(Ar+Br+1)P(cosθ)u(r, \theta, \varphi) = \sum_{\ell = 0}^{+\infty} \bigg( A_\ell r^\ell + \frac{B_\ell}{r^{\ell + 1}} \bigg) P_\ell(\cos\theta)

  • φ\varphi 无关:反映轴对称
  • A,BA_\ell, B_\ell 需要边界条件确定:u(r,θ,φ)u(r, \theta, \varphi) 应在求解区域内连续有限
球函数
轴对称问题的一般解

轴对称问题的一般解

  • 如果求解区域包含原点 r=0r = 0r(+1)r^{-(\ell + 1)} 项发散,需要 排除 (所有 B=0B_\ell = 0)
  • 如果求解区域延伸到无穷远点 r=r = \inftyr>0r^{\ell > 0} 项发散,需要 排除 (所有 A>0=0A_{\ell > 0} = 0)

  • 只有 A0A_0 项在全空间有限

    Liouville 定理:有界调和函数只能是常数

球函数
Legendre 多项式的性质

Legendre 多项式的性质

球函数
Legendre 多项式的性质

Legendre 多项式

  • Legendre 多项式 P(x)P_\ell(x)N\ell \in \mathbb{N} 是一个 \ell-次多项式

    P(x)=k=0/2(1)k(22k)!2k!(k)!(2k)!x2kP_\ell(x) = \sum_{k = 0}^{\lfloor \ell/2 \rfloor} (-1)^k \frac{(2\ell - 2k)!}{2^\ell k!(\ell - k)! (\ell - 2k)!}x^{\ell - 2k}

    最高最低幂次

    k=0k = 0 对应最高幂次 xx^\ellk=/2k = \lfloor \ell/2 \rfloor 对应最低幂次 x0 or 1x^{0~ \text{or} ~ 1}

球函数
Legendre 多项式的性质

Legendre 多项式的性质

  • 奇偶性

    P(x)=(1)P(x)P_\ell(-x) = (-1)^\ell P_\ell(x)

    因为 xx^\ell 因子,(x)2k=(1)2kx2k=(1)x2k(-x)^{\ell - 2k} = (-1)^{\ell - 2k} x^{\ell - 2k} = (-1)^\ell x^{\ell - 2k}

球函数
Legendre 多项式的性质

Legendre 多项式的性质

  • \ell-次复多项式有多少个复根/零点 (重根按重数计算)
  • P(x)P_\ell(x) 原则上有多少个复根?
  • 这个根应该分布在哪里? 原则上不知道
球函数
Legendre 多项式的性质

Legendre 多项式的性质

  • P(x)P_\ell(x)(1,1)(-1, 1)\ell 个一阶零点

    作为一个 nn 次多项式,有 nn 个零点是显然的。

    此定理的关键是它们 没有 重根

    全部分布(1,1)(-1, 1) 之间

球函数
Legendre 多项式的性质

Legendre 多项式的性质

球函数
Legendre 多项式的性质

微分表达式

Olinde Rodrigues

  • Rodrigues 定理:Legendre 多项式可以用如下微分表达式定义

    P(x)=12!ddx(x21)P_\ell(x) = \frac{1}{2^\ell \ell!} \frac{d^\ell}{dx^\ell}(\orange{x^2 - 1})^\ell

     ~

     ~

球函数
Legendre 多项式的性质

微分表达式

证明微分表达式

  • 利用二项式定理

    (x21)=k=0(1)kCkx22k(\orange{x^2 - 1})^\ell =\sum_{k = 0}^{\ell} (-1)^k C_\ell^k x^{2\ell - 2k}

  • 对上式求 \ell 次导数,

    ddx(x21)=k=0(1)kCkddxx22k\purple{\frac{d^\ell}{dx^\ell}}(x^2 - 1)^\ell = \sum_{k = 0}^{\ell} (-1)^k C_\ell^k \purple{\frac{d^\ell}{dx^\ell}}x^{2\ell - 2k}

球函数
Legendre 多项式的性质

微分表达式

证明微分表达式

  • 利用求导公式

    ddxxn={n(n1)...(n+1)xn=n!(n)!xn,n0,>n \frac{d^\ell}{dx^\ell} x^\red{n} = \left\{ \begin{array}{cc} n(n-1) ... (n - \ell + 1)x^{n-\ell} = \frac{\green{n}!}{(\purple{n - \ell})!} x^{\purple{n - \ell}}, & \ell \le n\\ 0, & \ell > n \end{array} \right.

  • 得到

    ddxx22k={(22k)!(22k)!x22k,22k0,>22k\frac{d^\ell}{dx^\ell} x^{2\ell - 2k} = \left\{ \begin{array}{cc} \frac{(\green{2\ell - 2k})!}{(\purple{2\ell - 2k - \ell})!} x^{2\ell - 2k - \ell}, & \ell \le 2\ell - 2k\\ 0, & \ell > 2\ell - 2k \end{array}\right.

球函数
Legendre 多项式的性质

微分表达式

证明微分表达式

  • 得到

    ddx(x21)=k=0(1)kCkddxx22k=k=0/2(1)kCk(22k)!(22k)!x22k\frac{d^\ell}{dx^\ell}(x^2 - 1) = \sum_{k = 0}^{\ell} (-1)^k C_\ell^k \frac{d^\ell}{dx^\ell}x^{\green{2\ell - 2k}} = \sum_{k = 0}^{\red{\boldsymbol{\lfloor \ell/2 \rfloor}}} (-1)^k C_\ell^k \frac{(\green{2\ell - 2k})!}{(\purple{2\ell - 2k - \ell})!} x^{\purple{2\ell - 2k - \ell}}

  • 其中非零项来自

    22kk2k=0,1,,/2\ell \le 2\ell - 2k \quad \Rightarrow \quad k \le \frac{\ell}{2} \quad \Rightarrow \quad k = 0, 1, \dots, \red{\boldsymbol{\lfloor \ell/2 \rfloor}}

球函数
Legendre 多项式的性质

微分表达式

证明微分表达式

  • 代入组合数 Ck\orange{C_\ell^k} 定义,

    ddx(x21)=k=0/2(1)k!k!(k)!(22k)!(22k)!x22k\frac{d^\ell}{dx^\ell}(x^2 - 1)^\ell = \sum_{k = 0}^{\lfloor \ell/2 \rfloor} (-1)^k \orange{\frac{\ell!}{k! (\ell - k)!}} \frac{(2\ell - 2k)!}{(\green{2\ell - 2k - \ell})!}x^{2\ell - 2k - \ell}

  • 重新归一化

    12!ddx(x21)=k=0/2(1)k(22k)!2k!(k)!(2k)!x2k=P(x)\red{\frac{1}{2^\ell \ell!}} \frac{d^\ell}{dx^\ell}(x^2 - 1)^\ell = \sum_{k = 0}^{\lfloor \ell/2 \rfloor} (-1)^k \frac{(2\ell - 2k)!}{\red{2^\ell} k! (\ell - k)! (\green{\ell - 2k})!}x^{\ell - 2k} = P_\ell(x)

球函数
Legendre 多项式的性质

Legendre 多项式的性质

  • 原点值 (结合奇偶性)

    P odd(0)=0,P even(0)=(1)/2!2[(/2)!]2P_{\ell ~ \text{odd}}(0) = 0, \qquad P_{\ell ~ \text{even}}(0) = (-1)^{\ell/2} \frac{\ell!}{2^\ell [(\ell/2)!]^2}

    • \ell 是奇数,P(x)P_\ell(x)奇函数:原点值只能为零

    • \ell 是偶数,P(0)P_\ell(0) 等于最低幂次项,即级数表达式中 k=/2k = \ell/2 项系数,

      (1)k(22k)!2k!(k)!(2k)!=(1)/2(2)!2(/2)!(/2)!0!=(1)/2!2[ (/2)! ]2 \frac{(-1)^k (2\ell - 2k)!}{2^\ell \purple{k!} \orange{(\ell - k)!} \red{(\ell - 2k)!}}= \frac{(-1)^{\ell/2}(2\ell - \ell)!}{2^\ell \purple{(\ell/2)!}\orange{(\ell - \ell/2)!}\red{0!}} = (-1)^{\ell/2} \frac{\ell!}{2^\ell [ \ (\ell/2)! \ ]^2}

球函数
Legendre 多项式的性质

Legendre 多项式的性质

  • 原点值 (结合奇偶性)

    P even(0)=(1)/2!2[(/2)!]2P_{\ell ~ \text{even}}(0) = (-1)^{\ell/2} \frac{\ell!}{2^\ell [(\ell/2)!]^2}

    P=2n(0)=(1)n(2n)!22n(n!)2\Rightarrow P_{\ell = 2n}(0) = (-1)^n \frac{(2n)!}{2^{2n} (n!)^2}

球函数
Legendre 多项式的性质

微分表达式

  • 定理P(1)=1P_\ell(1) = 1P(1)=(1)P_{\ell}(-1) = (-1)^\ell

    求解 P(1)P_\ell(1)

    根据微分表达式,

    P(1)=12!ddxx=1(x21)P_\ell(1) = \frac{1}{2^\ell \ell!} \frac{d^\ell}{dx^\ell} \bigg|_{x = 1}(\orange{x^2 - 1})^\ell

球函数
Legendre 多项式的性质

微分表达式

求解 P(1)P_\ell(1)

  • 利用平方差公式 x21=(x1)(x+1)x^2 - 1 = \purple{(x - 1)}\orange{(x + 1)},以及莱布尼兹公式

    ddx[x21]=k=0Ck[dkdxk(x1)][dkdxk(x+1)]\frac{d^\ell}{dx^\ell}[x^2 - 1]^\ell = \sum_{k = 0}^{\ell} C_{\ell}^k \left[{\frac{d^k}{dx^k}\purple{(x - 1)}^\ell}\right] \left[{\frac{d^{\ell - k}}{dx^{\ell - k}}\orange{(x + 1)}^\ell}\right]

    • k<k < \ell,对 (x1)(x - 1)^\ellkk-阶导数会 残留 (x1)\purple{(x - 1)},最后令 x=1x = 1 时就等于
球函数
Legendre 多项式的性质

微分表达式

求解 P(1)P_\ell(1)

  • 非零项只有 k=k = \ell

    P(1)=12!C×[ddx(x1)]×(x+1)x=1P_\ell(1) = \frac{1}{\red{2^\ell} \orange{\ell!}} C_\ell^\ell \times \orange{\left[{\frac{d^\ell}{dx^\ell}(x - 1)^\ell}\right]} \times \red{(x + 1)^\ell} \bigg|_{x = 1}

  • 利用 ddx(x1)=ddx(x+)=!\orange{\frac{d^\ell}{dx^\ell}(x - 1)^\ell} = \frac{d^\ell}{dx^\ell}(x^\ell + \cdots) = \ell!

    P(1)=12!×!×(1+1)=1P_\ell(1) = \frac{1}{\red{2^\ell} \orange{\ell!}} \times \orange{\ell!} \times\red{(1 + 1)^\ell} = 1

  • P(1)P(-1) 的值根据奇偶性是显然的
球函数
Legendre 多项式的性质

Legendre 多项式的正交性

  • Legendre 方程是 Sturm-Liouville 问题的特例:本征函数带权正交

    对于 Legendre 方程,权函数 ρ(x)=1\rho(x) = 1

  • 内积 (f,g)(f,g) 定义为

    (f,g)1+1f(x)g(x)dx\green{(f, g) \coloneqq \int_{-1}^{+1}f(x)g(x) dx}

球函数
Legendre 多项式的性质

Legendre 多项式的正交性

  • 定理:Legendre 多项式关于上述内积是正交的,

    (P,P)=0,(P_\ell, P_{\ell'}) = 0, \qquad \ell \ne \ell'

证明正交性

  • 利用分部积分k<k < \ell

     xkddx[(x21)]dx(橙色部分是P 的主要成分)= xkd1dx1(x21)11kxk1d1dx1(x21)dx\begin{align*} & \ \int x^k \orange{\frac{d^\ell}{dx^\ell}\Big[{(x^2 - 1)^\ell}\Big]} dx \qquad \orange{(\text{橙色部分是} P_\ell ~ \text{的主要成分})}\\ = & \ \bcancel{x^k \frac{d^{\ell - 1}}{dx^{\ell - 1}}(x^2 - 1)^\ell\bigg|_{-1}^1 } \red{- k} \int x^{k - 1}\frac{d^{\ell - 1}}{dx^{\ell - 1}}(x^2 - 1)^\ell dx \end{align*}

球函数
Legendre 多项式的性质

Legendre 多项式的正交性

  • 分部积分可以同时把 k,k, \ell 下降 11
  • 乘以 (2!)1\purple{(2^\ell\ell!)^{-1}},反复利用 kk-次 分部积分 (k<k < \ell)

    1+1xkP(x)=(1)kk!2!11x0dkdk(x21)dx=0\int_{-1}^{+1} x^k P_\ell(x) = \frac{(-1)^kk!}{\purple{2^\ell \ell!}} \int_{-1}^1 x^\red{0} \frac{d^{\ell \red{- k}}}{d^{\ell - k}}(x^2 - 1)^\ell dx = 0

    最后等号利用被积函数是个全导数 (>k\ell > k),积分为
  • 对于 (P,P)(P_{\ell}, P_{\ell'})不妨设 <\ell' < \ell,则由于 PP_{\ell'} 是一组 单项式 xk<x^{k < \ell} 的和,因此 (P,P)=0(P_\ell, P_{\ell'}) = 0
球函数
Legendre 多项式的性质

Legendre 多项式的模

  • 定义:Legendre 多项式的 模 (norm)P(P,P)1/2\left\Vert P_\ell \right\Vert \coloneqq (P_\ell, P_\ell)^{1/2}
  • 定理💡proof

    P2=22+1,P=22+1\lVert P_\ell \rVert^2 = \frac{2}{2\ell + 1}, \qquad \lVert P_\ell \rVert = \sqrt{\frac{2}{2\ell + 1}}

球函数
Legendre 多项式的性质

Legendre 多项式的模

证明

  • 利用微分表达式,利用分部积分建立递推 (假设 >0\ell > 0)
  • =0\ell = 0 可以直接算出来
  • 对于 1\ell \ge 1

    P2= 12!1+1P(x)ddx(x21)dx= 12!1+1P(x)ddxd(1)dx(1)(x21)dx\begin{align*} \lVert P_\ell \rVert^2 = & \ \frac{1}{2^\ell \ell!} \int_{-1}^{+1} P_\ell(x) \red{\frac{d^\ell}{dx^\ell}} \orange{(x^2 - 1)^\ell} dx\\ = & \ \frac{1}{2^\ell \ell!} \int_{-1}^{+1} P_\ell(x) \red{\frac{d}{dx} \frac{d^{(\ell - 1)}}{dx^{(\ell - 1)}}} \orange{(x^2 - 1)^\ell} dx \end{align*}

球函数
Legendre 多项式的性质

Legendre 多项式的模

证明

  • 分部积分,得到

    P2=边界+12!1+1P(1)(x)d(1)dx(1)(x21)dx\lVert P_\ell \rVert^2 = \green{\text{边界}} + \frac{1}{2^\ell \ell!} \int_{-1}^{+1} P_\ell^{(1)}(x) \frac{d^{(\ell - 1)}}{dx^{(\ell - 1)}} (x^2 - 1)^\ell dx

  • 其中 边界项

    边界= P(x)[d(1)dx(1)(x21)]1+1=0\green{边界 = } ~ P_\ell(x)\left[{\frac{d^{(\ell - 1)}}{dx^{(\ell - 1)}}(x^2 - 1)^\ell}\right] \Bigg|_{-1}^{+1} \red{= 0}

球函数
Legendre 多项式的性质

Legendre 多项式的模

证明

  • 得到

    P2=12!1+1P(1)(x)d(1)dx(1)(x21)dx\lVert P_\ell \rVert^2 = \frac{1}{2^\ell \ell!} \int_{-1}^{+1} P_\ell^{(1)}(x) \frac{d^{(\ell - 1)}}{dx^{(\ell - 1)}} (x^2 - 1)^\ell dx

    \ell-阶导数 降阶 一次,转移到了 P(x)P_\ell(x) 身上

  • 不断重复上述分部积分操作,把 \ell-阶求导全部转移到 PP_\ell 身上

    P2=12!1+1P()(x)(1x2)dx \lVert P_\ell \rVert^2 = \frac{1}{2^\ell \ell!} \int_{-1}^{+1} \purple{P_\ell^{(\ell)}(x)} (1 - x^2)^\ell dx

球函数
Legendre 多项式的性质

Legendre 多项式的模

证明

  • 其中 P()(x)\purple{P_\ell^{(\ell)}(x)}常数

    P()(x)=ddxP(x)=12!ddxddx(x21)=12!d2dx2x2=(2)!2!\purple{P_\ell^{(\ell)}(x)} = \frac{d^\ell}{dx^\ell}P_\ell(x) = \frac{1}{2^\ell \ell!} \frac{d^\ell}{dx^\ell} \frac{d^\ell}{dx^\ell}(x^2 - 1)^\ell = \frac{1}{\purple{2^\ell \ell!}} \orange{\frac{d^{2\ell}}{dx^{2\ell}}x^{2\ell}} = \frac{\orange{(2\ell)!}}{\purple{2^\ell \ell!}}

  • 另外

    1+1(1x2)dx=22+1(!)2(2+1)!\int_{-1}^{+1} (1 - x^2)^\ell dx = \frac{2^{2\ell + 1}(\ell!)^2}{(2\ell + 1)!}

    这个结果可以通过数学归纳法得到
球函数
Legendre 多项式的性质

Legendre 多项式的模

证明

  • 收集所有因子,

    P2=12!原生×(2)!2!P()(x)×22+1(!)2(2+1)!=22+1\lVert P_\ell \rVert^2 = \underbrace{\frac{1}{\orange{2^\ell} \red{\ell!}}}_\text{原生} \times \underbrace{\frac{(2\ell)!}{\orange{2^\ell} \red{\ell!}}}_{P_\ell^{(\ell)}(x)} \times \frac{2^{\orange{2\ell} + 1}\red{(\ell!)^2}}{(2\ell + 1)!}= \frac{2}{2\ell + 1}

球函数
Legendre 多项式的性质

Legendre 多项式的内积

统一内积表达式

(P,P)=22+1δ,(P_\ell, P_{\ell'}) = \frac{2}{2\ell + 1}\delta_{\ell, \ell'}

球函数
Legendre 多项式的性质

广义傅里叶级数

  • Legendre 多项式及其所满足的方程式 Sturm-Liouville 本征问题的特例
  • PP_\ell[1,1][-1, 1] 上形成完备基底
  • 任意 [1,1][-1, 1] 上的「性质良好」函数可以用 PP_\ell 展开

    f(x)==0+fP(x)f(x) = \sum_{\ell = 0}^{+\infty} f_\ell P_\ell(x)

    其中展开系数为

    f=2+121+1f(x)P(x)dxf_\ell = \frac{2\ell + 1}{2} \int_{-1}^{+1}f(x)P_\ell(x)dx

球函数
Legendre 多项式的性质

广义傅里叶级数

展开系数

  • 由展开

    f(x)==0+fP(x)f(x) = \sum_{{\ell'} = 0}^{+\infty} f_{\ell'} P_{\ell'}(x)

  • 两边同乘 P(x)P_\ell(x), 并在 [1,1][-1, 1] 上积分

    1+1f(x)P(x)dx=1+1=0+fP(x)P(x)dx\int_{-1}^{+1} f(x)P_\ell(x)dx = \int_{-1}^{+1} \sum_{{\ell'} = 0}^{+\infty} f_{\ell'} P_{\ell'}(x)P_\ell(x)dx

球函数
Legendre 多项式的性质

广义傅里叶级数

展开系数

  • 交换积分与求和顺序

    1+1f(x)P(x)dx= =0+f1+1P(x)P(x)dx= =0+f22+1δ,=22+1f\begin{align*} \int_{-1}^{+1} f(x)P_\ell(x)dx = & \ \sum_{{\ell'} = 0}^{+\infty} f_{\ell'} \orange{\int_{-1}^{+1} P_{\ell'}(x)P_\ell(x)dx} \\ = & \ \sum_{{\ell'} = 0}^{+\infty} f_{\ell'} \orange{\frac{2}{2\ell' + 1}\delta_{\ell, \ell'}} = \frac{2}{2\ell + 1} f_\ell \end{align*}

球函数
Legendre 多项式的性质

广义傅里叶级数

  • 例子:xnx^nPP_\ell 展开

    x0=P0(x),x1=P1(x)x^0 = P_0(x), \qquad x^1 = P_1(x)

    x2=23P2(x)+13P0(x)x^2 = \frac{2}{3}P_2(x) + \frac{1}{3}P_0(x)

    x3=25P3(x)+35P1(x)x^3 = \frac{2}{5}P_3(x) + \frac{3}{5}P_1(x)

    x4=835P3(x)+47P2(x)+15P0(x)x^4 = \frac{8}{35}P_3(x) + \frac{4}{7} P_2(x) + \frac{1}{5}P_0(x)

球函数
Legendre 多项式的性质

母函数/生成函数

  • 无穷多个 PP_\ell打包成一个方便携带、书写的对象

    U(r,x)=0+rP(x),r<1U(r, x) \coloneqq \sum_{\ell = 0}^{+\infty} r^\ell P_\ell(x), \quad r < 1

  • 约定:上述形态的函数成为 P(x)P_\ell(x)生成函数 (generating function)母函数

    U(r,x)U(r, x)rr幂级数

球函数
Legendre 多项式的性质

母函数/生成函数

  • 从生成函数出发,可以获得 P(x)P_\ell(x)

    1!dU(r,x)drr=0=P(x),0dz2πizzU(z,x)=P(x)\frac{1}{\ell!}\frac{d^\ell U(r, x)}{dr^\ell} \bigg|_{r = 0} = P_\ell(x), \qquad \oint_0 \frac{dz}{2\pi i \red{z}} z^{-\ell} U(z, x) = P_\ell(x)

球函数
Legendre 多项式的性质

母函数/生成函数

  • 对于任意的数学对象组成的序列 ana_n,可以定义其 生成函数形式上的双边幂级数

    f(z)nanzn f(z) \coloneqq \sum_{n}a_n z^n

  • 显然

    an=dz2πizznf(z) a_n = \oint \frac{dz}{2\pi i z} z^{-n} f(z)

  • 在一些特殊的领域中,生成函数有时也称为 配分函数 (partition function)指标 (index)椭圆亏格 (elliptic genus)
球函数
Legendre 多项式的性质

母函数/生成函数

  • 生成函数 U(r,x)U(r, x) 到底等于什么?

    如果不能知道 U(r,x)U(r,x) 的“简化表达式”,那么它就没什么用处了

  • 策略

    U(r,x)U(r,x) 是 Laplace 方程的解 \to U(r,x)U(r, x) 是某种静电势分布

    \to 找到对应的静电系统 \to 得到简化的静电势表达式

球函数
Legendre 多项式的性质

母函数/生成函数

  • 对比球体内部 (r<1r < 1) Laplace 方程的 轴对称一般解

    U(r,x)=0+rP(x)u(r,x=cosθ)==0+ArP(x) U(r, x) \coloneqq \sum_{\ell = 0}^{+\infty} r^\ell P_\ell(x) \leftrightarrow \green{u(r, x = \cos \theta)} = \sum_{\ell = 0}^{+\infty} A_\ell r^\ell P_\ell(x)

    球体内部解要求球心处解满足自然边界条件,因此 B=0B_\ell = 0

  • U(r,x)U(r, x) 对应 A=1A_\ell = 1

  • U(r,x)U(r, x) 其实是 Laplace 方程的自然边界条件下某个轴对称
球函数
Legendre 多项式的性质

母函数/生成函数

  • Laplace 方程的物理意义:静电场的 无源 区域解
  • U(r,x)U(r,x) 对应什么静电系统?
球函数
Legendre 多项式的性质

母函数/生成函数

  • 考虑 (0,0,1)(0,0,1)单位点电荷在单位球体 (x,y,z)(x, y, z) 处形成的静电势 (轴对称)

    u0(r,x=cosθ)=112rcosθ+r2u_0(r, x = \cos\theta) = \frac{1}{\sqrt{1 - 2r \cos \theta + r^2}}

    • u0(r=0,θ)u_0(r = 0, \theta) 有限,且在无穷远处为势能零点u0(r+,θ)=0u_0(r \to +\infty, \theta) = 0
    • 根号中的表达式是 (0,0,1)(0,0,1)(x,y,z)(x, y, z) 的距离

      x2+y2+(z1)2=r2sin2θ+(rcosθ1)2=r22rcosθ+1\sqrt{x^2 + y^2 + (z - 1)^2} = \sqrt{r^2 \sin^2 \theta + (r \cos \theta - 1)^2} = \sqrt{r^2 - 2r \cos \theta + 1}

球函数
Legendre 多项式的性质

母函数/生成函数

单位点电荷在北极

球函数
Legendre 多项式的性质

母函数/生成函数

  • 作为 Laplace 方程解,该电势分布必然可以写成广义傅里叶级数,

    u0(r,x)==0+ArP(x)u_0(r, x) = \sum_{\ell = 0}^{+\infty} \red{A_\ell} r^\ell P_\ell(x)

  • 系数 A=?A_\ell =?

    可以硬算,也可以投机取巧:检查特殊值

球函数
Legendre 多项式的性质

母函数/生成函数

  • u0(r,x=cosθ=1)u_0(r, \purple{x = \cos\theta = 1}):分母完全平方 12rx+r2=12r+r2=(1r)21 - 2rx + r^2 = 1 - 2r + r^2 = \orange{(1 - r)^2}

    u0(r,x=1)=112rx+r2=11r==0+r×1==0+rP(x=1)u_0(r, \purple{x = 1}) = \frac{1}{\orange{\sqrt{1 - 2rx + r^2}}} = \frac{1}{\orange{1 - r}} = \sum_{\ell = 0}^{+\infty} r^\ell \purple{\times 1} = \sum_{\ell = 0}^{+\infty} r^\ell P_\ell(\purple{x = 1})

球函数
Legendre 多项式的性质

母函数/生成函数

  • 与轴对称 Laplace 方程在球坐标系下球体内一般解比较

    u0(r,x=1)= u(r,x=1)=0+rP(x=1)= =0+ArP(x=1)\begin{align*} u_0(r, x = 1) = & \ u(r, x = 1)\\ \sum_{\ell = 0}^{+\infty} r^\ell P_\ell(x = 1) = & \ \sum_{\ell = 0}^{+\infty} \red{A_\ell} r^\ell P_\ell(x = 1) \end{align*}

    A=1\Rightarrow \quad \red{A_\ell} = 1

    • 为什么一定要 A=1A_\ell = 1
      左右两边同为 rr 的幂级数,对应系数应该相等
球函数
Legendre 多项式的性质

母函数/生成函数

  • 于是对任意 x[1,1]x\in [-1,1]

    u0(r,x)=112rx+r2==0+rP(x)u(r,x)A=1=U(r,x)u_0(r, x) = \frac{1}{\sqrt{1 - 2rx + r^2}} = \underbrace{\sum_{\ell = 0}^{+\infty} r^\ell P_\ell(x)}_{u(r,x)|_{A_\ell = 1}} = U(r, x)

球函数
Legendre 多项式的性质

母函数/生成函数

  • r>1r > 1,生成泛函也可以展开

    112rx+r2==0+1r+1P(x)\frac{1}{\sqrt{1 - 2r x + r^2}} = \sum_{\ell = 0}^{+\infty} \frac{1}{r^{\ell + 1}} P_\ell(x)

    做个变量替换即可,r~=1/r\tilde r = 1/r

球函数
Legendre 多项式的性质

母函数/生成函数

证明

  • 定义 r~=1r\tilde r = \frac{1}{r},则 r~<1\tilde r < 1

    112rx+r2=r~12r~x+r~2\frac{1}{\sqrt{1 - 2r x + r^2}} = \frac{\tilde r}{\sqrt{1 - 2\tilde r x + \tilde r^2}}

  • 展开为 r~\tilde r 的幂级数,

    r~12r~x+r~2=r~=0+r~P(x)==0+1r+1P(x)\frac{\red{\tilde r}}{\sqrt{1 - 2\tilde r x + \tilde r^2}} = \red{\tilde r}\sum_{\ell = 0}^{+\infty} \tilde r^{\ell} P_\ell(x) = \sum_{\ell = 0}^{+\infty} \frac{1}{r^{\ell + 1}} P_\ell(x)

球函数
Legendre 多项式的性质

母函数/生成函数的推论

  • 利用母函数可以获得 Legendre 函数的许多性质
    不同的 PP_\ell 及导数 PP'_\ell 之间满足许多有趣的关系
球函数
Legendre 多项式的性质

PP_\ell 的和

  • r=±1\orange{r = \pm1}12rx+r2=22x=2(1x)1 - 2r x + r^2 = 2 \mp 2x = 2(1 \mp x)

    12(1x)==0+P(x),12(1+x)==0+(1)P(x)\frac{1}{\sqrt{2(1 - x)}} = \sum_{\ell = 0}^{+\infty} P_\ell(x) , \quad \frac{1}{\sqrt{2(1 + x)}} = \sum_{\ell = 0}^{+\infty} (-1)^\ell P_\ell(x)

    这是所有 PP_\ell 共同满足的关系

球函数
Legendre 多项式的性质

递推关系

  • 利用母函数,可以导出 Legendre 多项式的递推关系 (recurrence relation)

    若干 (不是全部) PP_\ell 及其导数之间的关系

  • 第一递推关系:来自对 rr 求导

  • 第二递推关系:来自对 xx 求导

  • 第三递推关系:来自对 r,xr, x 混合求导

球函数
Legendre 多项式的性质

递推关系 (rr 导数)

  • 母函数关系两边对 rr 求导

    ddrU(r,x)=xr(12rx+r2)32=(xr)(12rx+r2)U(r,x)\frac{d}{dr}U(r,x) = \frac{x - r}{(1 - 2rx + r^2)^{\frac{3}{2}}} = \frac{(x - r)}{(1 - 2rx + r^2)}U(r,x)

  • 两边同乘 (12rx+r2)(1 - 2rx + r^2)

    (12rx+r2)ddrU(r,x)=(xr)U(r,x)(1 - 2rx + r^2) \orange{\frac{d}{dr}U(r,x)} = (x - r) \purple{U(r,x)}

  • 两边的 U(r,x)U(r, x)P(x)P_\ell(x) 展开,

    (12rx+r2)=0+r1P(x)=(xr)=0+rP(x)(1 - 2rx + r^2) \orange{\sum_{\ell = 0}^{+\infty}\ell r^{\ell - 1} P_{\ell}(x)} = (x - r) \purple{\sum_{\ell = 0}^{+\infty} r^\ell P_\ell(x)}

球函数
Legendre 多项式的性质

递推关系 (rr 导数)

  • 左边

     (12rx+r2)=0+r1P(x)= =0+r1P(x)2x=0+rP(x)+=0+r+1P(x)= =1+(+1)rP+1(x)2x=0+rP(x)+=1+(1)rP1(x)\begin{align*} & \ (1 - 2rx + r^2)\sum_{\ell = 0}^{+\infty}\ell r^{\ell - 1} P_\ell(x)\\ = & \ \sum_{\ell = 0}^{+\infty} \ell r^{\ell - 1} P_\ell(x) - 2x \sum_{\ell = 0}^{+\infty} \ell r^{\ell} P_\ell(x) + \sum_{\ell = 0}^{+\infty} \ell r^{\ell + 1} P_\ell(x) \\ = & \ \sum_{\ell = -1}^{+\infty} (\ell + 1) r^\ell P_{\ell + 1}(x) - 2x \sum_{\ell = 0}^{+\infty} \ell r^{\ell} P_{\ell}(x) + \sum_{\ell = 1}^{+\infty} (\ell - 1) r^{\ell} P_{\ell - 1}(x) \end{align*}

球函数
Legendre 多项式的性质

递推关系 (rr 导数)

  • 右边

     (xr)=0+rP(x)= x=0+rP(x)=0+r+1P(x)==0+rxP(x)=1+rP1(x)\begin{align*} & \ (x - r) \sum_{\ell = 0}^{+\infty} r^\ell P_\ell(x)\\ = & \ x \sum_{\ell = 0}^{+\infty} r^\ell P_\ell(x) - \sum_{\ell = 0}^{+\infty} r^{\ell + 1} P_\ell(x) = \sum_{\ell = 0}^{+\infty} r^\ell \purple{x P_\ell(x)} - \sum_{\red{\boldsymbol{\ell = 1}}}^{+\infty} r^{\ell} \orange{P_{\ell - 1}(x)} \end{align*}

球函数
Legendre 多项式的性质

递推关系 (rr 导数)

  • 对比 rr^\ell 的系数,得到 第一递推关系

    (+1)P+1(x)2xP(x)+(1)P1(x)= xP(x)P1(x)(2+1) xP(x)= (+1)P+1(x)+P1(x)\begin{align*} (\ell + 1)P_{\ell + 1}(x) - 2x \ell P_\ell(x) + (\ell - 1) P_{\ell - 1}(x) = & \ \purple{x P_\ell(x)} - \orange{P_{\ell - 1}(x)} \\ \Rightarrow \qquad\qquad (2\ell + 1) \ x P_\ell(x) = & \ (\ell + 1)P_{\ell + 1}(x) + \ell P_{\ell - 1}(x) \end{align*}

    可以约定 P1(x)=0P_{-1}(x) = 0

球函数
Legendre 多项式的性质

递推关系 (xx 导数)

  • 母函数关系两边对 xx 求导

    (12rx+r2)ddxU(r,x)=rU(r,x)(1 - 2rx + r^2) \frac{d}{dx}U(r,x) = r U(r,x)

  • 两边代入 U(r,x)U(r, x) 展开,

    (12rx+r2)=0+rP(x)=r=0+rP(x)(1 - 2rx + r^2)\sum_{\ell = 0}^{+\infty} r^\ell P'_\ell(x) = r \sum_{\ell = 0}^{+\infty} r^\ell P_\ell(x)

球函数
Legendre 多项式的性质

递推关系 (xx 导数)

  • 化简

    (12rx+r2)=0+rP(x)= r=0+rP(x)=0+r+1[P+1(x)2xP(x)+P1(x)]= =0+r+1P(x)\begin{align*} (1 - 2rx + r^2)\sum_{\ell = 0}^{+\infty} r^\ell P'_\ell(x) = & \ r \sum_{\ell = 0}^{+\infty} r^\ell P_\ell(x)\\ \sum_{\ell = 0}^{+\infty}\purple{r^{\ell + 1}}[ P'_{\ell + 1}(x) - 2xP'_\ell(x) + P'_{\ell - 1}(x)] = & \ \sum_{\ell = 0}^{+\infty} \purple{r^{\ell + 1}} P_\ell(x) \end{align*}

  • 对比 r+1r^{\ell+1} 的系数,得到 第二递推关系

    P+1(x)2xP(x)+P1(x)=P(x)P'_{\ell + 1}(x) - 2x P'_\ell(x) + P'_{\ell - 1}(x) = P_\ell(x)

球函数
Legendre 多项式的性质

递推关系

  • 对第一递推关系xx 导数

     (2+1) xP(x)=(+1)P+1(x)+P1(x)(ddx) (2+1)P(x)+(2+1)xP(x)=(+1)P+1(x)+P1(x)(×2) 2(2+1)P(x)=2(+1)P+1(x)+2P1(x)2(2+1)xP(x)\begin{align*} & \ (2\ell + 1) \ x P_\ell(x) = (\ell + 1)P_{\ell + 1}(x) + \ell P_{\ell - 1}(x)\\ \\ \gray{(\frac{d}{dx})}\Rightarrow & \ (2\ell + 1) P_\ell(x) + (2\ell + 1) x P'_\ell(x) = (\ell + 1)P'_{\ell + 1}(x) + \ell P'_{\ell - 1}(x)\\ \\ \gray{(\times 2)}\Rightarrow & \ 2(2\ell + 1) P_\ell(x) = 2(\ell + 1)P'_{\ell + 1}(x) + 2\ell P'_{\ell - 1}(x) - \red{2(2\ell + 1) x P'_\ell(x)} \end{align*}

  • 第二递推关系乘以 (2+1)(2\ell + 1)

    (2+1)P(x)=(2+1)P+1(x)2(2+1)xP(x)+(2+1)P1(x)(2\ell + 1)P_\ell(x) = (2\ell + 1)P'_{\ell + 1}(x) - \red{2(2\ell + 1)x P'_\ell(x) }+ (2\ell + 1)P'_{\ell - 1}(x)

球函数
Legendre 多项式的性质

递推关系

  • 两式作差,抵消 P(x)P'_\ell(x) 项,

    (2+1)P(x)=[2(+1)(2+1)]P+1(x)+[2(2+1)]P1(x)(2\ell + 1) P_\ell(x) = [2(\ell + 1) - (2\ell + 1)]P'_{\ell + 1}(x) + [2\ell - (2\ell + 1)]P'_{\ell - 1}(x)

  • 化简,得到第三递推关系

    (2+1)P(x)=P+1(x)P1(x)(2\ell + 1)P_\ell(x) = P'_{\ell + 1}(x) - P'_{\ell - 1}(x)

球函数
Legendre 多项式的性质

递推关系

  • 第一递推关系:对 rr 求导

  • 第二递推关系:对 xx 求导

  • 第三递推关系:对 r,xr, x 混合求导,结合第一递推

球函数
Legendre 多项式的性质

递推关系

球函数
Legendre 多项式的物理应用

Legendre 多项式的物理应用

球函数
Legendre 多项式的物理应用

电势、电场与偏微分方程

  • 空间电势分布为 u(r)=u(x,y,z)u(\mathbf{r}) = u(x, y, z)
  • 电场与电势的关系

    E=u\mathbf{E} = - \nabla u

球函数
Legendre 多项式的物理应用

电势、电场与偏微分方程

  • 电场与电荷密度的关系

    VEdS= Qϵ0(高斯定理)VEdV= Vρϵ0dV\begin{align*} \oint_{\partial V} \mathbf{E} \cdot d\mathbf{S} = & \ \frac{\orange{Q}}{\epsilon_0}\\ \gray{(高斯定理)}\Rightarrow \int_V \nabla \cdot \mathbf{E} dV = & \ \orange{\int_V} \frac{\orange{\rho}}{\epsilon_0} \orange{dV} \end{align*}

    上式对任意小体积成立,因此必然有

    E=ρϵ0\nabla \cdot \mathbf{E} = \frac{\rho}{\epsilon_0}

球函数
Legendre 多项式的物理应用

电势、电场与偏微分方程

  • 电势与电荷关系:泊松方程

    2u=u=E=ρϵ0\purple{\nabla^2 u} = \nabla \cdot \nabla u = - \nabla \cdot \mathbf{E} = \purple{- \frac{\rho}{\epsilon_0}}

  • 在没有电荷密度的位置:uu 满足 Laplace 方程,

    2u=0\nabla^2 u = 0

球函数
Legendre 多项式的物理应用

电势边界问题

球函数
Legendre 多项式的物理应用

电势边界问题

  • 问题:考虑半径 aa 的薄球壳,球体内外均没有电荷分布,球体表面 r=ar = a 上的电势已知 (与 φ\varphi 无关)

    u(a,θ,φ)=f(θ),u(r+,θ,φ)=0u(a, \theta, \varphi) = f(\theta), \qquad u(r\to +\infty, \theta, \varphi) = 0

    求「体内与球外」电势分布

    即原点与无穷远点均属于求解区域

球函数
Legendre 多项式的物理应用

电势边界问题

  • 球内,球外没有电荷分布:球内球外 Laplace 方程

    2u=0\nabla^2 u = 0

    能否直接说明 uu 是常数? 球面 r=ar = a 有电荷分布,破坏 Laplace 方程

球函数
Legendre 多项式的物理应用

电势边界问题

球函数
Legendre 多项式的物理应用

电势边界问题

  • 由于表面电势与 φ\varphi 无关:轴对称问题
  • 球坐标系下轴对称拉普拉斯方程解的一般形式为

    u(r,θ,φ)==0+(Ar+Br+1)P(cosθ)u(r, \theta, \varphi) = \sum_{\ell = 0}^{+\infty} (A_\ell r^\ell + \frac{B_\ell}{r^{\ell + 1}}) P_\ell(\cos \theta)

球函数
Legendre 多项式的物理应用

电势边界问题

  • 调整 A,BA_\ell, B_\ell重新归一化

    u(r,θ,φ)==0+(A(ra)+B(ar)+1)P(cosθ)u(r, \theta, \varphi) = \sum_{\ell = 0}^{+\infty} \left({A_\ell \left({\frac{r}{a}}\right)^\ell + B_\ell \left({\frac{a}{r}}\right)^{\ell + 1}}\right) P_\ell(\cos \theta)

    球内、球外上式都适用

    球内外的 A,BA, B 系数独立求解,但应在 r=ar = a 处使得解连续,都等于 f(θ)f(\theta)

球函数
Legendre 多项式的物理应用

电势边界问题:球内电势分布

  • 考虑球内电势。球心无电荷,球心电势有限B=0B_\ell = 0
  • 球面上的电势已知,u(a,θ)=f(θ)u(a, \theta) = f(\theta)

    u(a,θ)==0+AaaP(cosθ)==0+AP(cosθ)=f(θ)g(x=cosθ)u(a, \theta) = \sum_{\ell = 0}^{+\infty} A_\ell \frac{a^\ell}{a^\ell} P_\ell(\cos\theta) = \sum_{\ell = 0}^{+\infty} A_\ell P_\ell(\cos \theta) = \green{f(\theta) \coloneqq g(x = \cos \theta)}

球函数
Legendre 多项式的物理应用

电势边界问题:球内电势分布

  • 得到

    A=2+121+1g(x)P(x)dx=2+120πf(θ)P(cosθ)sinθdθA_\ell = \frac{2\ell + 1}{2} \int_{-1}^{+1} g(x) P_\ell(x) dx = \frac{2\ell + 1}{2} \int_{0}^{\pi} f(\theta) P_\ell(\cos \theta) \sin \theta d\theta

    注意 积分上下限θ=0,πcosθ=1,1\theta = 0, \pi \rightarrow \cos \theta = 1, -1, dcosθ=sinθdθd\cos \theta = \red{\boldsymbol{-}}\sin \theta d\theta

     1+1g(x)P(x)dx=π0f(θ)P(cosθ)dcosθ= π0f(θ)P(cosθ)(sinθ)dθ=0πf(θ)P(cosθ)sinθdθ\begin{align*} & \ \int_{-1}^{+1} g(x) P_\ell(x) dx = \int_{\pi}^{0} f(\theta) P_\ell(\cos \theta) d\cos\theta \\ = & \ \int_{\pi}^{0} f(\theta) P_\ell(\cos \theta) (-\sin\theta) d\theta = \int_{0}^{\pi} f(\theta) P_\ell(\cos \theta) \sin \theta d\theta \end{align*}

球函数
Legendre 多项式的物理应用

电势边界问题:球外电势分布

  • 考虑球外电势。无穷远处电势为A>0=0A_{\ell > 0} = 0A0=0A_0 = 0
  • 球面上的电势已知,

    u(r=a,θ)==0+BP(cosθ)=f(θ)=g(x=cosθ)u(r = a, \theta) = \sum_{\ell = 0}^{+\infty} B_\ell P_\ell(\cos \theta) = f(\theta) = g(x = \cos \theta)

  • 同样有

    B=2+121+1g(x)P(x)=2+120πf(θ)P(cosθ)sinθdθB_\ell = \frac{2\ell + 1}{2} \int_{-1}^{+1} g(x) P_\ell(x) = \frac{2\ell + 1}{2} \int_{0}^{\pi} f(\theta) P_\ell(\cos \theta) \sin \theta d\theta

球函数
Legendre 多项式的物理应用

均匀电场中的带点导体球

  • 问题:均匀电场 E0=E0ez\mathbf{E}_0 = E_0 \mathbf{e}_z 中放入半径为 aa、带电量为 QQ 的金属导体球,求球体外的电势分布与电场分布。

     2u=0,r>a u(r=a,θ)=const r=a+urdS=Qϵ0, u(r+,θ,φ)=E0rcosθ\begin{align*} & \ \nabla^2 u = 0, \qquad r > a \\ & \ u(r = a, \theta) = \text{const}\\ & \ - \oint_{r = a+} \frac{\partial u}{\partial r} dS = \frac{Q}{\epsilon_0}, \\ & \ u(r \to +\infty, \theta, \varphi) = - E_0 r \cos \theta \end{align*}

    方程、边界条件均与 φ\varphi 无关:轴对称问题

球函数
Legendre 多项式的物理应用

均匀电场中的带点导体球

  • 没有电荷分布: 2u=0\nabla^2u=0r>ar > a
  • 静电平衡:金属导体球内部没有电场,球体等势、球表面等势

    u(r=a,θ)=constu0 u(r = a, \theta) = \green{\text{const} \coloneqq u_0}

  • 高斯定理:球体外闭合曲面积分得到总电荷

    r=a+udrdS=Qϵ0 - \int_{r = a+} \frac{\partial u}{d r} dS = \frac{Q}{\epsilon_0}

球函数
Legendre 多项式的物理应用

均匀电场中的带点导体球

  • 无穷远的均匀电场产生电势

    u(r+,θ,φ)=E0rcosθ,ra u(r \to +\infty, \theta, \varphi) = - E_0 r \cos \theta, \qquad r \gg a

  • 为什么无穷远处的电势选为 E0rcosθ-E_0 r \cos\theta?
  • 加球之前道理很简单
球函数
Legendre 多项式的物理应用

均匀电场中的带点导体球

加球前的电势分布,电势零点 xyxy 面的无穷远处

球函数
Legendre 多项式的物理应用

均匀电场中的带点导体球

  • 为什么加了导体球之后,无穷远处的电势依然选为 E0rcosθ-E_0 r \cos\theta?

    • 添加了导体球后,电势分布重塑
    • 两个思路:电场角度,电势角度
    • 首先是电场角度
    • 导体球在远处产生的电场很:无穷远处电场 E(r+)E0\mathbf{E}(r \to +\infty) \simeq \mathbf{E}_0
    • 不管有没有导体球:E=u\mathbf{E} = - \nabla u
球函数
Legendre 多项式的物理应用

均匀电场中的带点导体球

  • 无穷远处 u(r+)=E0- \nabla u(r \to +\infty) = \mathbf{E}_0,解为

    u(r)=E0rcosθ+const,r+u(\mathbf{r}) = - E_0 r \cos \theta + \text{const}, \qquad r \to +\infty

  • 选择 xyxy 平面的无穷远处保持为电势零点const=0\text{const} = 0

    u(r)=E0rcosθ,r+ u(\mathbf{r}) = - E_0 r \cos \theta, \qquad r \to +\infty

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均匀电场中的带点导体球

  • 电势角度
  • 电势可以叠加:均匀电场 u(r,θ)=E0u(r, \theta) = \mathbf{E}_0 产生的电势 ++ 导体球产生的电势
  • r+r \to +\infty:导体球的形状大小 不再重要,粗略看成点电荷

    u(r,θ)E0rcosθ+Q4πϵ0rE0rcosθ,r+u(r, \theta) \simeq - E_0 r \cos \theta + \frac{Q}{4\pi \epsilon_0 r} \simeq - E_0 r \cos\theta , \qquad r \to +\infty

    公共势能零点xyxy 平面的无穷远处;不能简单地选“无穷远处做势能零点”
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均匀电场中的带点导体球

  • 球外轴对称拉普拉斯问题一般解

    u(r,θ)==0+(Ar+Br+1)P(cosθ)u(r, \theta) = \sum_{\ell = 0}^{+\infty} (A_\ell r^\ell + \frac{B_\ell}{r^{\ell + 1}}) P_\ell(\cos \theta)

    求解区域包含无穷远,该区域内无电荷分布

    能否通过「自然边界条件」、「有限性」直接说明所有 A=0A_\ell = 0不能:均匀电场本身就在无穷远处产生了无穷大的电势

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均匀电场中的带点导体球

  • 无穷远处边界条件,

    u(r+,θ)==0+ArP(cosθ)=E0rcosθu(r \to +\infty, \theta) = \sum_{\ell = 0}^{+\infty} A_\ell r^\ell P_\ell(\cos \theta) = \purple{- E_0 r \cos \theta}

    BB 项不贡献,因为 Br10B_\ell r^{-\ell - 1} \to 0

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均匀电场中的带点导体球

  • 比较得到,利用 P1(cosθ)=cosθP_1(\cos \theta) = \cos \theta

    A1=E0,A1=0A_1 = -E_0, \qquad A_{\ell \ne 1} = 0

  • 电势为

    u(r,θ)=E0rcosθ+=0+Br+1P(cosθ)u(r, \theta) = - E_0 r \cos \theta + \sum_{\ell = 0}^{+\infty} \frac{B_\ell}{r^{\ell + 1}}P_\ell(\cos \theta)

    BB_\ell 依然未定

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均匀电场中的带点导体球

  • 球面电势边界条件

    u(r=a,θ)=E0acosθ+=0+Ba+1P(cosθ)=constu0(待定) u(r = a, \theta) = - E_0 a \cos \theta + \sum_{\ell = 0}^{+\infty} \frac{B_\ell}{a^{\ell + 1}}P_\ell(\cos \theta) = \green{\text{const} \coloneqq u_0} (\gray{\text{待定}})

  • 比较得到

    B0=u0a,B1=E0a2,B>1=0 B_0 = \green{u_0a}, \qquad \red{B_1 = E_0 a^2}, \qquad B_{\ell > 1} = 0

    等式右边 u0u_0 θ\theta 无关,左边的 E0rcosθ-E_0 r \cos \theta 必须找 B1B_1 项寻求 抵消

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均匀电场中的带点导体球

  • 得到

    u(r,θ)= A1rP1(cosθ)+B0rP0(cosθ)+B1r2P1(cosθ)= E0rcosθ+u0ar+E0aa2r2cosθ\begin{align*} u(r, \theta) = & \ A_1 r P_1(\cos\theta) + \frac{B_0}{r}P_0(\cos\theta) + \frac{B_1}{r^2}P_1(\cos\theta)\\ = & \ -E_0 r \cos \theta + \red{u_0} \frac{a}{r} + E_0 a \frac{a^2}{r^2}\cos \theta \end{align*}

  • u0=u_0= ?
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均匀电场中的带点导体球

  • 总电荷条件

    Qϵ0= r=a+urdS= 0πdθ02πdφrr=a(E0rcosθ+u0ar+E0aa2r2cosθ)a2sinθdθdφ\begin{align*} \frac{Q}{\epsilon_0} = & \ - \oint_{r = a+} \frac{\partial u}{\partial r} \purple{dS}\\ = & \ - \int_0^\pi d\theta \int_0^{2\pi}d\varphi \frac{\partial}{\partial r}\bigg|_{r=a} \left({-E_0 r \cos \theta + u_0 \frac{a}{r} + E_0 a \frac{a^2}{r^2}\cos \theta}\right) \purple{a^2\sin \theta d\theta d \varphi}\\ \end{align*}

    求导后,第一项 E0cosθ- E_0 \cos \theta,第二项 u0aa2=u0a- u_0\frac{a}{a^2} = - \frac{u_0}{a},第三项 2E0a3a3cosθ- 2E_0 \frac{a^3}{a^3}\cos \theta,组合起来

    3E0cosθu0a- 3 E_0 \cos \theta - \frac{u_0}{a}

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均匀电场中的带点导体球

  • 总电荷条件

    但是,在积分后,只有 u0u_0 项存活,

    0πdθsinθcosθ=0Qϵ0=u0a4πa2\int_0^\pi d\theta \sin \theta \cos \theta = 0 \quad \Rightarrow \quad \frac{Q}{\epsilon_0} = \frac{u_0}{a} 4\pi a^2

    求解得到

    u0=Q4πϵ0a u_0 = \frac{Q}{4\pi \epsilon_0 a}

    就是没有均匀电场时,带电金属导体球面的电势、结合势

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均匀电场中的带点导体球

  • 最终电势为

    u(r,θ)=E0rcosθ+Q4πϵ0r+E0aa2r2cosθu(r, \theta) = - E_0 r \cos \theta + \frac{Q}{4\pi \epsilon_0 r} + E_0 a \frac{a^2}{r^2}\cos \theta

    多极展开:外电场势,电势的单极矩,电势的偶极矩

  • 电场

    E=u=(E0cosθ+2E0a3r3cosθ+Q4πϵ0r2)er+(E0sinθ+E0a3r3sinθ)eθ\begin{align*} \mathbf{E} = - \nabla u = \left({E_0 \cos\theta + \frac{2E_0a^3}{r^3}\cos\theta + \frac{Q}{4\pi \epsilon_0 r^2}}\right)\mathbf{e}_r\\ + \left({-E_0 \sin\theta + \frac{E_0a^3}{r^3}\sin\theta}\right)\mathbf{e}_\theta \end{align*}

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均匀电场中的带点导体球

  • 两个问题
  • 放入导体球前:整个 xyxy 平面都是势能零点
  • 放入导体球后势能零点分布在哪里?
  • 与导体球等势的点有哪些?
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均匀电场中的带点导体球

  • 最简单的情况:Q=0Q = 0
  • 不作复杂计算,能否通过物理分析找到势能零点分布?
  • 通过对称性猜测电场垂直于 xyxy
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均匀电场中的带点导体球

  • 直接计算
  • 电势零点方程

    u(r,θ)=E0rcosθ+E0aa2r2cosθ= 0E0(r+a3r2)cosθ= 0\begin{align*} u(r, \theta) = - E_0 r \cos \theta + E_0 a \frac{a^2}{r^2}\cos \theta = & \ 0 \\ E_0(- r + \frac{a^3}{r^2})\cos \theta = & \ 0 \end{align*}

    r=a,or,cosθ=0, and ra\Rightarrow \qquad \purple{r = a}, \quad \text{or}, \quad \purple{\cos \theta = 0}, \purple{~ \text{and} ~ r \ge a}

    不是一个简单的等势面,而是 球面xyxy 平面球外部分,有交点

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均匀电场中的带点导体球

Q=0Q = 0 的时候势能零点分布

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均匀电场中的带点导体球

  • 电场垂直于势能面
  • 势能面自交点处,电场应该朝哪个方向? 哪都不朝,电场为零
  • 直接验证: Q=0Q = 0r=ar = aθ=π/2\theta = \pi/2cosθ=0\cos \theta = 0sinθ=1\sin \theta = 1

    E=u= (E0cosθ+2E0a3r3cosθ+Q4πϵ0r2)er +(E0sinθ+E0a3r3sinθ)eθ= (0+0+0)er+(E0+E0)eθ =0\begin{align*} \mathbf{E} = - \nabla u = & \ \left({E_0 \cos\theta + \frac{2E_0a^3}{r^3}\cos\theta + \frac{Q}{4\pi \epsilon_0 r^2}}\right)\mathbf{e}_r \\ & \ + \left({-E_0 \sin\theta + \frac{E_0a^3}{r^3}\sin\theta}\right)\mathbf{e}_\theta\\ = & \ (0 + 0 + 0)\mathbf{e}_r + (- E_0 + E_0) \mathbf{e}_\theta \ \red{= \mathbf{0}} \end{align*}

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均匀电场中的带点导体球

  • Q0Q \ne 0 时候电势零点方程

    u(r,θ)=E0rcosθ+Q4πϵ0r+E0aa2r2cosθ= 0E0r2(1+a3r3)cosθ+Q4πϵ0= 0\begin{align*} u(r, \theta) = - E_0 r \cos \theta + \frac{Q}{4\pi \epsilon_0 r} + E_0 a \frac{a^2}{r^2}\cos \theta = & \ 0 \\ E_0 r^2 (- 1 + \frac{a^3}{r^3})\cos \theta + \frac{Q}{4\pi \epsilon_0} = & \ 0 \end{align*}

  • 解相当复杂
  • rar \gg a

    r(θ)=Q4πE0ϵ0cosθr(\theta) = \sqrt{\frac{Q}{4\pi E_0\epsilon_0 \cos \theta }}

球函数
Legendre 多项式的物理应用

均匀电场中的带点导体球

势能零点,QQ00 变成正值,然后变成负值;面上方势能为负数,面下方势能为正数;注意等势面 拓扑变化

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均匀电场中的带点导体球

  • Q0Q \ne 0 时候:球面势能非零
  • 空间哪些点与球面等势?

    u(r,θ)=E0rcosθ+Q4πϵ0r+E0a3r2cosθ= Q4πϵ0aE0r(a3r31)cosθ= Q4πϵ0(1a1r)\begin{align*} u(r, \theta) = - E_0 r \cos \theta + \frac{Q}{4\pi \epsilon_0 r} + E_0 \frac{a^3}{r^2}\cos \theta = & \ \frac{Q}{4\pi \epsilon_0 a}\\ E_0 r( \frac{a^3}{r^3} - 1)\cos \theta = & \ \frac{Q}{4\pi \epsilon_0 }(\frac{1}{a} - \frac{1}{r}) \end{align*}

球函数
Legendre 多项式的物理应用

均匀电场中的带点导体球

与球面等势的点,QQ00 变到正值,再变到负值

球函数
Legendre 多项式的物理应用

均匀电场中的带点导体球

  • 表面电荷密度分布

    ρ(θ,φ)=ϵ0En=ϵ0urr=a=3ϵ0E0cosθ+Q4πa2\rho(\theta, \varphi) = \epsilon_0 \mathbf{E} \cdot \mathbf{n} = - \epsilon_0 \frac{\partial u}{\partial r}\bigg|_{r = a} = 3 \epsilon_0E_0 \cos \theta + \frac{Q}{4\pi a^2}

  • θ=0\theta = 0 时,电荷密度最正 (positive)

    但不一定有正电荷分布,得看 QQ 的符号及大小

  • θ=π\theta = \pi 时,电荷密度最负 (negative)

    但不一定有负电荷分布,得看 QQ 的符号及大小

  • Q=0Q = 0,正负表面电荷以赤道为界,各占半壁江山

球函数
Legendre 多项式的物理应用

一般球函数与连带勒让德函数

球函数
一般球函数与连带勒让德函数

连带 Legendre 函数

  • 球坐标下拉普拉斯方程的 θ\theta-方向方程

    ddx[(1x2)dPdx]+(λm21x2)P=0\frac{d}{dx}\bigg[(1 - x^2)\frac{d\mathscr{P}}{dx}\bigg] + \bigg(\lambda - \frac{m^2}{1 - x^2}\bigg)\mathscr{P} = 0

    为了与勒让德多项式 P(x)P_\ell(x) 区分,P\mathscr{P} 表示

球函数
一般球函数与连带勒让德函数

连带 Legendre 函数

  • 自然边界条件:

    {P(±1)=0 ,m0P(±1)< ,m=0 (Legendre)\left\{\begin{array}{ll} \mathscr{P}(\pm 1) = 0 \ , & m \ne 0\\ \vert\mathscr{P}(\pm 1)\vert < \infty \ , & m = 0 ~ (\text{Legendre}) \end{array} \right.

  • 一般情况 无轴对称性m=0m = 0m0m \ne 0 均要考虑
球函数
一般球函数与连带勒让德函数

连带 Legendre 函数

  • 连带 (伴随, associated) 勒让德方程 标准形式

    d2Pdx22x1x2dPdx+11x2(λm21x2)P=0,m>0\frac{d^2\mathscr{P}}{dx^2} - \frac{2x}{1-x^2} \frac{d\mathscr{P}}{dx} + \frac{1}{1-x^2}\left({\lambda - \frac{m^2}{1 - x^2}}\right)\mathscr{P} = 0, \qquad m > 0

    m<0m < 0m>0m > 0 没有本质区别

    作为 Sturm-Liouville 型方程,本征值是 λ\lambda不是 mmmm 的值由 φ\varphi 方向方程确定;暂时还不知道 λ=\lambda = 什么 才能满足自然边界条件

球函数
一般球函数与连带勒让德函数

连带 Legendre 函数

  • 定理连带勒让德方程 的解 P\mathscr{P} 勒让德方程的解 PP简单关系:前者差不多是后者的 mm 阶导数

    P(x)(1x2)m2P(m)(x)\mathscr{P}(x) \sim \green{(1 - x^2)^{\frac{m}{2}}} P^{(m)}(x)

    证明有点复杂

球函数
一般球函数与连带勒让德函数

连带 Legendre 函数

证明连带勒让德方程的解与勒让德多项式的关系

  • P(x)\mathscr{P}(x) 满足连带勒让德方程
  • 定义 新符号 p(x)p(x)

    p(x)(1x2)m/2P(x),P(x)=(1x2)m2p(x)\green{p(x) \coloneqq (1 - x^2)^{ - m/2}\mathscr{P}(x)}, \qquad\mathscr{P}(x) = \purple{(1 - x^2)^{\frac{m}{2}}p(x)}

    下面建立 ppP(m)P^{(m)} 的关系,由此得到 P\mathscr{P}P(x)P(x) 的关系
球函数
一般球函数与连带勒让德函数

连带 Legendre 函数

证明连带勒让德方程的解与勒让德多项式的关系

  • 利用 P\mathscr{P} 所满足的连带勒让德方程,研究 pp 所满足的微分方程。
  • 一阶导数

    dP(x)dx= ddx((1x2)m2p(x))(Leibniz rule)= (1x2)m2p(x)+m2(2x)(1x2)m21p(x)(simplify)= (1x2)m2p(x)mx(1x2)m21p(x)\begin{align*} \frac{d\mathscr{\mathscr{P}}(x)}{dx} = & \ \frac{d}{dx}\left({\purple{(1 - x^2)^{\frac{m}{2}}p(x)}}\right)\\ \gray{\text{(Leibniz rule)}} = & \ (1 - x^2)^{\frac{m}{2}}p'(x) + \frac{m}{2}(-2x) (1 - x^2)^{\frac{m}{2} - 1}p(x) \\ \gray{\text{(simplify)}}= & \ (1 - x^2)^{\frac{m}{2}} p'(x) - mx(1 - x^2)^{\frac{m}{2} - 1}p(x) \end{align*}

球函数
一般球函数与连带勒让德函数

证明连带勒让德方程的解与勒让德多项式的关系

  • P\mathscr{P}' 乘以 1x2\red{1 - x^2}
  • 二阶导数

     ddx((1x2)dPdx)=ddx[(1x2)m2+1p(x)mx(1x2)m2p(x)]= (1x2)m2+1p(x)+(m2+1)(2x)(1x2)m2p(x) mx(1x2)m2p(x)m(1x2)m2p(x) mxm2(2x)(1x2)m21p(x)\begin{align*} & \ \frac{d}{dx}\left({\red{(1 - x^2)}\frac{d\mathscr{P}}{dx}}\right) = \frac{d}{dx} \left[{(1 - x^2)^{\frac{m}{2} \red{\boldsymbol{+ 1}}} p'(x) - mx(1 - x^2)^{\red{\frac{m}{2}}}p(x)}\right]\\ = & \ (1 - x^2)^{\frac{m}{2} + 1} p''(x) + (\frac{m}{2}+1)(-2x) (1 - x^2)^{\frac{m}{2}}p'(x)\\ & \ - mx(1 - x^2)^{\frac{m}{2}}p'(x) - m(1 - x^2)^{\frac{m}{2}}p(x)\\ & \ - m x \frac{m}{2}(-2x) (1 - x^2)^{\frac{m}{2} - 1}p(x) \end{align*}

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一般球函数与连带勒让德函数

连带 Legendre 函数

证明连带勒让德方程的解与勒让德多项式的关系

  • 化简,提取公因式 (1x2)m2(1 - x^2)^{\frac{m}{2}}

     ddx((1x2)dPdx)(merge p)= (1x2)m2(1x2)p2(m+1)x(1x2)m2p(x) m(1x2)m2p(x)+m2x2(1x2)m2p(x)1x2\begin{align*} & \ \frac{d}{dx}\left({\red{(1 - x^2)}\frac{d\mathscr{P}}{dx}}\right)\\ \gray{\text{(merge $p'$)}} = & \ \purple{(1 - x^2)^{\frac{m}{2}}} (1 - x^2) p'' - \orange{2(m + 1) x} \purple{(1 - x^2)^{\frac{m}{2}}}p'(x)\\ & \ - m\purple{(1 - x^2)^{\frac{m}{2}}}p(x) + m^2x^2 \purple{(1 - x^2)^{\frac{m}{2}}}\frac{p(x)}{1 - x^2} \end{align*}

球函数
一般球函数与连带勒让德函数

连带 Legendre 函数

证明连带勒让德方程的解与勒让德多项式的关系

  • 结合上述结果,利用 P\mathscr{P} 满足的连带勒让德方程

    0= ddx[(1x2)dPdx]+(λm21x2)P= (1x2)m/2[(1x2)p2(m+1)xp+(λm(m+1))p]\begin{align*} 0 = & \ \frac{d}{dx} \left[{(1 - x^2)\frac{d\mathscr{P}}{dx}}\right] + \left({\lambda - \frac{m^2}{1 - x^2}}\right)\mathscr{P} \\ = & \ (1 - x^2)^{m/2} \Big[(1 - x^2) p'' - \orange{2(m + 1)x}p' + (\purple{\lambda - m (m+1)})p \Big] \end{align*}

    其中用到

    m+m2x21x2+λm21x2=λm(m+1) - m + \frac{m^2 x^2}{1 - x^2} + \lambda - \frac{m^2}{1 - x^2}= \purple{\lambda - m(m + 1)}

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一般球函数与连带勒让德函数

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证明连带勒让德方程的解与勒让德多项式的关系

  • 从而 p(x)p(x) 满足

    (1x2)d2pdx22(m+1)xdpdx+(λm(m+1))p=0(1 - x^2)\frac{d^2p}{dx^2} - 2(m + 1)x\frac{dp}{dx} + \left({\lambda - m(m + 1)}\right)p = 0

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一般球函数与连带勒让德函数

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证明连带勒让德方程的解与勒让德多项式的关系

  • 另一方面,考虑 m=0m = 0勒让德方程

    ddx[(1x2)dPdx]+λP=0,P(±1)<\purple{\frac{d}{dx}\bigg[(1 - x^2) \frac{dP}{dx}\bigg]} + \lambda P = 0, \qquad |P(\pm 1)| < \infty

  • 两边求 mm 次导,

    0= dmdxmddx[(1x2)dPdx]+λP(m)= dmdxm[(1x2)d2Pdx22xdPdx]+λP(m)\begin{align*} 0 = & \ \frac{d^m}{dx^m}\purple{\frac{d}{dx}\bigg[(1 - x^2)\frac{dP}{dx}\bigg]} + \lambda P^{(m)}\\ = & \ \frac{d^m}{dx^m} \purple{\left[{(1 - x^2) \frac{d^2P}{dx^2} -2x \frac{dP}{dx}}\right]} + \lambda P^{(m)}\\ \end{align*}

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一般球函数与连带勒让德函数

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证明连带勒让德方程的解与勒让德多项式的关系

  • 高阶导数公式,(fg)(m)=k=0mCmkf(k)g(mk)(fg)^{(m)} = \sum_{k = 0}^m C_m^k f^{(k)} g^{(m - k)}

     dmdxm[(1x2)d2Pdx22xdPdx]= k=0mCmkdkdxk(1x2)dmkdxmkd2Pdx2k=0mCmkdkdxk(2x)dmkdxmkdPdx\begin{align*} & \ \frac{d^m}{dx^m} \purple{\left[{(1 - x^2) \frac{d^2P}{dx^2} -2x \frac{dP}{dx}}\right]}\\ = & \ \sum_{k = 0}^{m} C_m^k \frac{d^k}{dx^k}(1 - x^2) \cdot \frac{d^{m - k}}{dx^{m - k}}\frac{d^2P}{dx^2} - \sum_{k = 0}^{m} C_m^k \frac{d^k}{dx^k}(2x) \cdot \frac{d^{m - k}}{dx^{m - k}}\frac{dP}{dx} \end{align*}

    (1x2)(1 - x^2) 最多承载 22 阶导数,2x2x 最多承载 1 阶导数
球函数
一般球函数与连带勒让德函数

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证明连带勒让德方程的解与勒让德多项式的关系

  • mm 阶导数吸收到 PP 上写成 P(m)P^{(m)}

     dmdxm[(1x2)d2Pdx22xdPdx]= (1x2)d2P(m)dx2(2x)Cm1dP(m)dx+Cm2(2)P(m)2xdP(m)dx2Cm1P(m)= (1x2)d2P(m)dx22(m+1)xdP(m)dxm(m+1)P(m)\begin{align*} & \ \frac{d^m}{dx^m}\bigg[(1 - x^2)\frac{d^2P}{dx^2} - 2x \frac{dP}{dx}\bigg]\\ = & \ (1 - x^2) \frac{d^2 P^{(m)}}{dx^2} - \purple{(2x) C_m^1} \frac{dP^{(m)}}{dx} + \red{C_m^2 (-2)} P^{(m)} - \purple{2x \frac{dP^{(m)}}{dx}} - \red{2 C_m^1 } P^{(m)} \\ = & \ (1 - x^2)\frac{d^2P^{(m)}}{dx^2} - \purple{2(m + 1)x} \frac{dP^{(m)}}{dx} - \red{m(m + 1)} P^{(m)} \end{align*}

球函数
一般球函数与连带勒让德函数

连带 Legendre 函数

证明连带勒让德方程的解与勒让德多项式的关系

 ~

  • 因此 P(m)P^{(m)} 满足方程

    (1x2)d2P(m)dx22(m+1)xdP(m)dx+(λm(m+1))P(m)=0(1 - x^2)\frac{d^2 P^{(m)}}{dx^2} - 2(m + 1)x \frac{dP^{(m)}}{dx} + (\lambda - m(m + 1))P^{(m)} = 0

  • 可见 p(x)=(1x2)m2P(x)p(x) = \green{(1-x^2)^{- \frac{m}{2}}\mathscr{P}(x)} 与高阶导数 P(m)\green{P^{(m)}} 满足相同的微分方程

    (1x2)m2P(x)P(m)(x),P(x)(1x2)m2P(m)(x)\green{(1 - x^2)^{-\frac{m}{2}}\mathscr{P}(x) \sim P^{(m)}(x)}, \quad \mathscr{P}(x) \sim \green{(1 - x^2)^{\frac{m}{2}}} P^{(m)}(x)

球函数
一般球函数与连带勒让德函数

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连带勒让德函数的自然边界条件

  • 根据球坐标分离变量:P(x)\mathscr{P}(x) 应当满足自然边界条件

    {P(±1)=0 ,m0P(±1) 有限 ,m=0\left\{\begin{array}{lc} \mathscr{P}(\pm 1) = 0 \ , & m \ne 0\\ \mathscr{P}(\pm 1) ~ \text{有限} \ , & m = 0 \end{array}\right.

  • P(x)P(x) 应当满足什么边界条件,使得 P(x)(1x2)m2P(m)(x)\mathscr{P}(x) \sim (1 - x^2)^{\frac{m}{2}} P^{(m)}(x) 满足自然边界条件?

  • P(x)P(x) 能有什么边界行为?

球函数
一般球函数与连带勒让德函数

连带 Legendre 函数

连带勒让德函数的自然边界条件

  • generic 的 λ\lambda: P(x)P(x)1\mp 1对数型发散P(x)ln(1±x)P(x) \sim \ln(1 \pm x)

    P(m)(x)(1±x)mP(x)(1x2)m2P(m)(x)(1±x)m2\purple{P^{(m)}(x)} \sim \red{(1 \pm x)^{-m}} \quad\Rightarrow \quad \mathscr{P}(x)\sim (1 - x^2)^{\frac{m}{2}}\purple{P^{(m)}(x)} \sim (1 \pm x)^{-\frac{m}{2}}

    对所有 m>0m > 0不满足 自然边界条件
  • 特殊的 λ=(+1)\lambda = \ell(\ell + 1): 勒让德多项式 P(x)=P(x)P(x) = P_\ell(x)P(±1)=(±1)P(\pm 1) = (\pm 1)^\ell

    P(x)(1x2)m2P(m)(x)(1±x)m/2\mathscr{P}(x)\sim (1 - x^2)^{\frac{m}{2}}P_\ell^{(m)}(x) \sim (1 \pm x)^{m/2}

    m0m \ge 0都满足自然边界条件
球函数
一般球函数与连带勒让德函数

连带 Legendre 函数

  • 定义连带 (associated) Legendre「函数」 Pm(x)P_\ell^m(x)

    Pm(x)(1x2)m/2dmP(x)dxm,=0,1,2,,0mP_\ell^m(x) \coloneqq (1 - x^2)^{m/2} \frac{d^m P_\ell(x)}{dx^m}, \qquad \ell = 0, 1,2, \dots, \quad 0 \le m \le \ell

    • 一般而言,连带 Legendre 函数 不是 xx 的多项式,因为有分数 m/2m/2 幂次,因此 不称为连带 Legendre 多项式

    • PmP_\ell^m 线性独立的另一个方程的解为 QmQ_\ell^m不满足自然边界条件,一般不讨论

球函数
一般球函数与连带勒让德函数

连带 Legendre 函数的性质

括号与没有括号

小心区分两个符号

  • Pm(x)P_\ell^m(x)mm 阶连带 Legendre 函数
  • P(m)(x)P_\ell^{(m)}(x):勒让德多项式的 mm 阶导数

Pm(x)=(1x2)m2P(m)(x)P^m_\ell(x) = (1 - x^2)^{\frac{m}{2}}P^{(m)}_\ell(x)

球函数
一般球函数与连带勒让德函数

连带 Legendre 函数的微分表达式

  • 利用 Legendre 多项式的微分表达式 (Rodrigues 公式),得到连带 Legendre 函数的微分表达式

    Pm(x)=12!(1x2)m/2d+mdx+m(x21)P_\ell^m(x) = \frac{1}{2^\ell \ell!}(1 - x^2)^{m/2}\frac{d^{\ell + m}}{dx^{\ell + m}}(x^2 - 1)^\ell

    微分表达式中 mm 原则上可以是负数,只要保证 +m0\ell + m \ge 0 即可

球函数
一般球函数与连带勒让德函数

mm

  • 连带 Legendre 方程的一般形式

    ddx[(1x2)dpdx]+(λm21x2)p=0\frac{d}{dx}\bigg[(1 - x^2)\frac{dp}{dx}\bigg] + \bigg(\lambda - \frac{m^2}{1 - x^2} \bigg)p = 0

  • 方程中 mm 其实可正可负mm 的符号不重要
  • 利用微分表达式,获得 Pm(x)P_\ell^{-|m|}(x)
  • 自然边界 Sturm-Liouville 本征值问题的一般性质:相同本征值的解 只有一个

    Pm(x)=(1)m(m)!(+m)!Pm(x),mZP_\ell^{-|m|}(x) = (-1)^{|m|} \frac{(\ell - |m|)!}{(\ell + |m|)!}P_\ell^{|m|}(x), \quad m \in \mathbb{Z}

球函数
一般球函数与连带勒让德函数

正交归一关系

  • 相同 mm不同 \ell 的连带 Legendre 函数之间正交

    (Pm,Pm)=(+m)!(m)!22+1 δ,,m(P^\green{m}_\ell, P^\green{m}_{\ell'}) = \frac{(\ell + m)!}{(\ell - m)!} \frac{2}{2\ell + 1} \ \delta_{\ell, \ell'}, \qquad |m| \le \ell

    正交性来自 Sturm-Liouville 本征问题的一般性质:λ\lambda本征值mmq(x)q(x) 的一部分
     ~
    权函数 ρ(x)=1\rho(x) = 1,

    (f,g)=1+1f(x)g(x)dx (f, g) = \int_{-1}^{+1} \overline{f(x)} g(x) dx

球函数
一般球函数与连带勒让德函数

正交归一关系

  • 相同 mm不同 \ell 的连带 Legendre 函数之间正交

    (Pm,Pm)=(+m)!(m)!22+1 δ,,m(P^\green{m}_\ell, P^\green{m}_{\ell'}) = \frac{(\ell + m)!}{(\ell - m)!} \frac{2}{2\ell + 1} \ \delta_{\ell, \ell'}, \qquad |m| \le \ell

    证明类似 PP_\ell 的定理,反复使用分部积分。

  • 从上述结果导出 模方 (norm-squared)

    Pm2=(+m)!(m)!22+1\lVert P_\ell^m \rVert^2 = \frac{(\ell + m)!}{(\ell - m)!} \frac{2}{2\ell + 1}

球函数
一般球函数与连带勒让德函数

完备性

  • Sturm-Liouville 本征问题的一般性质:完备性
  • [1,1][-1,1] 上的性质良好函数可以做广义傅里叶展开

    f(x)==m+fPm(x),x[1,1]f(x) = \sum_{\ell = m}^{+\infty} f_\ell P^m_\ell(x), \qquad x \in [-1,1]

    f=1Pm21+1f(x)Pm(x)dx,0mf_\ell = \frac{1}{\lVert P_\ell^m \rVert^2} \int_{-1}^{+1}f(x)P_\ell^m(x)dx , \qquad 0 \le m \le \ell

球函数
一般球函数与连带勒让德函数

球谐函数

  • Laplace 或者 Helmholtz 方程的球坐标(θ,φ)(\theta, \varphi)行为: Y(θ,φ)Y(\theta, \varphi) 负责
  • 球谐函数方程

    1sinθθ(sinθYθ)+1sin2θ2Yφ2+λY=0\frac{1}{\sin \theta} \frac{\partial}{\partial \theta}\bigg( \sin\theta \frac{\partial Y}{\partial \theta} \bigg) + \frac{1}{\sin^2 \theta} \frac{\partial^2 Y}{\partial\varphi^2} + \lambda Y = 0

球函数
一般球函数与连带勒让德函数

球谐函数

  • 自然边界条件 (uu 单值性要求):

    • 良定性Y(θ=0,φ),Y(θ=π,φ)Y(\theta = 0, \varphi), Y(\theta = \pi, \varphi)φ\varphi 无关,具有明确的值,且有限
    • 周期性Y(θ,φ)=Y(θ,φ+2π)Y(\theta, \varphi) = Y(\theta, \varphi + 2\pi) 对所有 θ[0,π]\theta \in [0, \pi] 成立 (其实也是一种良定性)

    满足这些条件的 θ,φ\theta, \varphi 的函数形成 球面上的函数 (function on S2S^2):球面上一个点对应明确的一个有限函数值

球函数
一般球函数与连带勒让德函数

球谐函数

球函数
一般球函数与连带勒让德函数

球谐函数

  • YY 的进一步分离变量获得 Y(θ,φ)=H(θ)Φ(φ)Y(\theta, \varphi) = H(\theta)\Phi(\varphi)

    H(θ)=Pm(x=cosθ),Φ(φ)=eimφ,mZm H(\theta) = P_\ell^m(x = \cos \theta), \qquad \Phi(\varphi) = e^{i m \varphi}, \quad m \in \mathbb{Z}_{|m|\le \ell}

    回顾

    • Φ\Phi 满足的微分方程 \Rightarrow 指数解 eiμφe^{i\mu \varphi};周期性 \Rightarrow μ=m\mu = m 为整数
    • HH 满足连带勒让德方程;良定性 \Rightarrow 自然边界条件 \Rightarrow λ=(+1)\lambda = \ell(\ell + 1) \Rightarrow mm 满足 m|m| \le \ell,选 Pm(x)P_\ell^m(x) 作为解
球函数
一般球函数与连带勒让德函数

球谐函数

  • 定义球谐函数 (Spherical harmonics) (N\ell \in \mathbb{N}, mZmm \in \mathbb{Z}_{|m| \le \ell})

    Ym(θ,φ)=(1)m1PmPm(cosθ)eimφ2π,mY_{\ell m}(\theta, \varphi) = (-1)^m \frac{1}{\lVert P_\ell^m \rVert} P_\ell^m(\cos \theta) \frac{e^{i m \varphi}}{\sqrt{2\pi}} , \qquad - \ell \le m \le \ell

    PmP^{m}_\ellPmP^{-m}_\ell正比Ym(θ,φ)Y_{\ell m}(\theta, \varphi)Y,m(θ,φ)Y_{\ell, -m}(\theta, \varphi) 核心差别 在于指数因子 e±imφe^{\pm i m \varphi}

球函数
一般球函数与连带勒让德函数

球谐函数

例子

Y00(θ,φ)=12π\begin{align*} Y_{00}(\theta, \varphi) = \frac{1}{2\sqrt{\pi}} \end{align*}

Y1,0(θ,φ)=34πcosθ,Y1,±1(θ,φ)=38πsinθe±iφY_{1,0}(\theta, \varphi) = \sqrt{\frac{3}{4\pi}}\cos \theta, \quad Y_{1,\pm 1}(\theta, \varphi) = \mp \sqrt{\frac{3}{8\pi}}\sin \theta e^{\pm i \varphi}

球函数
一般球函数与连带勒让德函数

球谐函数

球函数
一般球函数与连带勒让德函数

球谐函数

  • 正交归一定理,对于 m-\ell \le m \le \ell, m-\ell' \le m' \le \ell',N\ell, \ell' \in \mathbb{N}

    02π0πYm(θ,φ)Ym(θ,φ)sinθdθdφ=δδmm\int_0^{2\pi}\int_0^\pi Y_{\ell m}(\theta, \varphi) \overline{Y_{\ell'm'}(\theta, \varphi)} \sin \theta d\theta d \varphi = \delta_{\ell \ell'}\delta_{m m'}

    积分微元 sinθdθdφ\sin \theta d\theta d\varphi 为单位球面 S2S^2 的体积元 (volume form)/面积元

    02π0πsinθdθdφ=4π \int_0^{2\pi}\int_0^\pi \sin\theta d\theta d\varphi = 4\pi

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一般球函数与连带勒让德函数

球谐函数

  • 完备性定理:对于任何球面上的函数 f(θ,φ)f(\theta, \varphi) 可以展开

    f(θ,φ)=Nm=+fmYm(θ,φ),f(\theta, \varphi) = \sum_{\ell \in \mathbb{N}}\sum_{m = -\ell}^{+\ell} f_{\ell m}Y_{\ell m}(\theta, \varphi),

    fm=02πdφ0πf(θ,φ)Ym(θ,φ)sinθdθf_{\ell m} = \int_0^{2\pi} d\varphi \int_0^\pi f(\theta, \varphi)Y_{\ell m}(\theta, \varphi)\sin \theta d\theta

球函数
一般球函数与连带勒让德函数

球谐函数

给定 N\ell \in \mathbb{N},球谐函数 {Ymm=,+}\{Y_{\ell m} | m = -\ell, \dots +\ell\} 形成 SO(3)SO(3) 群的 2+12\ell + 1线性表示\ell 为表示的 自旋 (spin)

Ym(θ,φ)RYm(θ(θ,φ),φ(θ,φ))=m=+Dmm(R)Ym(θ,φ) Y_{\ell m}(\theta, \varphi) \xrightarrow{R} Y_{\ell m}(\theta'(\theta, \varphi), \varphi'(\theta, \varphi)) = \sum_{m' = -\ell}^{+\ell} D_{mm'}^\ell(R)Y_{\ell m'}(\theta, \varphi)

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一般球函数与连带勒让德函数

球谐函数

  • Laplace 方程的一般解 (非轴对称)

    u(r,θ,φ)==0+m=+(Amr+Bmr+1)Ym(θ,φ)u(r, \theta, \varphi) = \sum_{\ell = 0}^{+\infty}\sum_{m = -\ell}^{+\ell} \bigg(A_{\ell m}r^\ell + \frac{B_{\ell m}}{r^{\ell + 1}}\bigg)Y_{\ell m}(\theta, \varphi)

    其中用到径向方程的解 rr^\ell1/r+11/r^{\ell + 1},系数 A,m,B,mA_{\ell,m}, B_{\ell, m} 由边界条件确定

  • 如果问题确实具有轴对称,则上述 A,m0=B,m0=0A_{\ell, m \ne 0} = B_{\ell, m \ne 0} = 0

    u(r,θ,φ)==0+(A,0r+B,0r+1)P(cosθ),Y,m=0(θ,φ)=P(cosθ)u(r, \theta, \varphi) = \sum_{\ell = 0}^{+\infty}\bigg(A_{\ell,0}r^\ell + \frac{B_{\ell, 0}}{r^{\ell + 1}}\bigg)P_\ell(\cos \theta), \quad Y_{\ell, m = 0}(\theta, \varphi) = P_\ell(\cos \theta)

球函数