求解
求解
Legendre 方程是 Sturm-Liouville 问题的特例:本征函数带权正交
证明正交性
最后等号利用被积函数是个全导数 (),积分为零
证明
证明
证明
得到
把 -阶导数
不断重复上述分部积分操作,把 -阶求导全部转移到 身上
证明
这个结果可以通过数学归纳法得到
证明
统一内积表达式
其中展开系数为
展开系数
展开系数

无穷多个 ,打包成一个方便携带、书写的对象
是 的 幂级数
如果不能知道 的“简化表达式”,那么它就没什么用处了
策略
是 Laplace 方程的解 是某种静电势分布
找到对应的静电系统 得到简化的静电势表达式
对比球体内部 () Laplace 方程的
球体内部解要求球心处解满足自然边界条件,因此
对应
考虑 处单位点电荷在单位球体 处形成的静电势 (轴对称)

单位点电荷在北极
作为 Laplace 方程解,该电势分布必然可以写成广义傅里叶级数,
可以硬算,也可以投机取巧:检查特殊值
与轴对称 Laplace 方程在球坐标系下球体内的一般解比较
当 ,生成泛函也可以展开
做个变量替换即可,
证明
取 ,
这是所有 共同满足的关系
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) 及其导数之间的关系
第一递推关系:来自对 求导
第二递推关系:来自对 求导
第三递推关系:来自对 混合求导
对比 的系数,得到
可以约定
第一递推关系:对 求导
第二递推关系:对 求导
第三递推关系:对 混合求导,结合第一递推
上式对任意小体积成立,因此必然有

问题:考虑半径 的薄球壳,球体内外均没有电荷分布,球体表面 上的电势已知 (与 无关)
即原点与无穷远点均属于求解区域
球内,球外没有电荷分布:球内球外 Laplace 方程

调整 ,重新归一化,
球内、球外上式都适用
球内外的 系数独立求解,但应在 处使得解连续,都等于
得到
注意
问题:均匀电场 中放入半径为 、带电量为 的金属导体球,求球体外的电势分布与电场分布。
方程、边界条件均与 无关:轴对称问题
静电平衡:金属导体球内部没有电场,球体等势、球表面等势
高斯定理:球体外闭合曲面积分得到总电荷

加球前的电势分布,电势零点
公共势能零点: 平面的无穷远处;
球外轴对称拉普拉斯问题一般解
求解区域包含无穷远,该区域内无电荷分布
无穷远处边界条件,
项不贡献,因为
电势为
依然未定
球面电势边界条件
比较得到
等式右边
总电荷条件
求导后,第一项 ,第二项 ,第三项 ,组合起来
总电荷条件
但是,在积分后,只有 项存活,
求解得到
就是没有均匀电场时,带电金属导体球面的电势、结合势
最终电势为
多极展开:外电场势,电势的单极矩,电势的偶极矩
电场

电势零点方程
不是一个简单的等势面,而是

的时候势能零点分布
势能零点, 从 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
与球面等势的点, 从 变到正值,再变到负值
表面电荷密度分布
时,电荷密度最正 (positive)
但不一定有正电荷分布,得看 的符号及大小
时,电荷密度最负 (negative)
但不一定有负电荷分布,得看 的符号及大小
当 ,正负表面电荷以赤道为界,各占半壁江山
球坐标下拉普拉斯方程的 -方向方程
为了与勒让德多项式 区分,
与 没有本质区别
作为 Sturm-Liouville 型方程,本征值是 ,
定理:连带勒让德方程
证明有点复杂
证明连带勒让德方程的解与勒让德多项式的关系
下面建立 与 的关系,由此得到 与 的关系
证明连带勒让德方程的解与勒让德多项式的关系
证明连带勒让德方程的解与勒让德多项式的关系
证明连带勒让德方程的解与勒让德多项式的关系
证明连带勒让德方程的解与勒让德多项式的关系
其中用到
证明连带勒让德方程的解与勒让德多项式的关系
证明连带勒让德方程的解与勒让德多项式的关系
证明连带勒让德方程的解与勒让德多项式的关系
最多承载 阶导数, 最多承载 1 阶导数
证明连带勒让德方程的解与勒让德多项式的关系
证明连带勒让德方程的解与勒让德多项式的关系

连带勒让德函数的自然边界条件
连带勒让德函数的自然边界条件
对所有 ,
当 ,
一般而言,连带 Legendre 函数
与 线性独立的另一个方程的解为 ,
括号与没有括号
小心区分两个符号
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,
微分表达式中 原则上可以是负数,只要保证 即可
正交性来自 Sturm-Liouville 本征问题的一般性质: 是本征值,
权函数 ,
证明类似 的定理,反复使用分部积分。
从上述结果导出
自然边界条件 ( 单值性要求):
满足这些条件的 的函数形成

的进一步分离变量获得
回顾
与 成正比, 与
例子

正交归一定理,对于 , ,
积分微元 为单位球面 的体积元 (volume form)/面积元
给定 ,球谐函数 形成 群的 维线性表示, 为表示的
Laplace 方程的一般解 (非轴对称)
其中用到径向方程的解 与 ,系数 由边界条件确定
如果问题确实具有轴对称,则上述
对于 Legendre 方程,权函数 ρ(x)=1