Решение уравнения Лапласа в сферических координатах. Уравнение Лежандра.
Уравнение Лапласа в координатах записывается так:
. (1)
Следуя методу Фурье, ищем решение этого уравнения в виде произведения:
. (2)
Подставляя (2) в (1), получаем:
.
Умножим это равенство на , приводим его к виду:
. (3)
Приравнивая обе части равенства (3) постоянной l, приходим к двум уравнениям:
, (4)
. (5)
Как видим, уравнение (5) есть уравнение в частных производных. Поэтому вновь применим метод Фурье.
Представим в виде произведения:
(6)
и подставим это выражение в (5). Тогда
.
Умножим последнее равенство на и разделив переменные, приходим к равенству:
.
Приравнивая обе части постоянной , получаем два обыкновенных дифференциальных уравнения:
, (7)
. (8)
Решение уравнения (7) нам удобнее представить в показательной форме:
. (9)
Так как обычно функция удовлетворяет условию цикличности
,
то можно сделать вывод, что значение v не может быть произвольным, а обязательно является целочисленным . Следовательно, функция принимает форму:
, (10)
а уравнение (8) соответственно запишется так:
. (11)
Уравнение (11) называют обобщенным уравнением Лежандра. Если ввести новую независимую переменную (при этом ) и обозначить , то обобщенное уравнение Лежандра принимает обычный вид:
. (12)
При это уравнение имеет более простую форму уравнения Лежандра:
. (13)
Таким образом, задача свелась к нахождению решений уравнения Лежандра (11) и уравнения Эйлера (4). Обозначая их интегралы соответственно через и , представим искомую функцию в форме следующего произведения:
. (14)
Решение уравнения Лежандра. Только при выполнении равенства можно получит конечные решения уравнения Лежандра. Таким образом, удовлетворяющее условию уравнение Лежандра
имеет ограниченное решение, которое представляет собой многочлен l-й степени. Ограниченные решения уравнения Лежандра могут существовать, только если . При этом оказывается, что они являются полиномами Лежандра.
l=0, | ||
l=1, | ||
l=2, | ||
l=3, | ||
… | … | … |
l | (формула Родрига) |
Конечными решениями обобщенного уравнения Лежандра (12) являются так называемые присоединенные полиномы Лежандра , определяемые следующей формулой Родриго:
.
При имеет место тождество . Поэтому каждому значению l соответствует l+1 присоединенных полиномов Лежандра
,
где . Графики нескольких полиномов Лежандра изображены на рисунке 9.
P2
P3
-1 1 x
P1
-1
Рис. 9
Вернемся к исходной задаче. Поскольку уравнение (12) получилось из (11) заменой независимой переменной , то решение уравнения (11) имеет вид
.
Осталось найти решение уравнения Эйлера (4). Так как нас интересует только конечные решения для всех внутренних точек шара ( в том числе и центра, где ), то .
Следовательно, решение уравнения (1) имеет вид:
,
коэффициенты подбираются из граничных условий.