數(shù)學(xué)物理方法-球函數(shù).ppt

1,第十章 球函數(shù),軸對稱球函數(shù) 2.連帶勒讓德函數(shù) 3.一般的球函數(shù),球函數(shù),稱為球（諧）函數(shù)，進一步分離變量，得到：,其中： 函數(shù)滿足連帶勒讓德方程：,第九章學(xué)到，勒讓德方程通常有兩個線性獨立的級數(shù)解，通解應(yīng)當(dāng)是這兩個解的線性組合。但是這些解在x=1處發(fā)散！為了得到物理上有意義的有限解，即滿足所謂“自然邊界條件”，從而構(gòu)成本征值問題。我們發(fā)現(xiàn)，對于奇數(shù)和偶數(shù)次冪的級數(shù)解，只有一個能滿足自然邊界條件的解，它要求必須為整數(shù)，從而使無窮級數(shù)截斷為有限階，稱作階勒讓德多項式。,第九章學(xué)到，勒讓德方程通常有兩個線性獨立的級數(shù)解，,通解應(yīng)當(dāng)是這兩個解的線性組合。但是這些解在,x=,1,處,發(fā)散！為了得到物理上有意義的有限解，即滿足所謂,“,自,然邊界條件,”,，從而構(gòu)成本征值問題。我們發(fā)現(xiàn)，對于奇,數(shù)和偶數(shù)次冪的級數(shù)解，只有一個能滿足自然邊界條件的,解，它,要求,必須為整數(shù),，從而使無窮級數(shù)截斷為有限,階，稱作,階,勒讓德多項式,。,4,一. 勒讓德多項式,軸對稱球函數(shù)（m=0）,(1) 一般表達式,級數(shù)表示,約定級數(shù)中最高次冪 的系數(shù)是,反用系數(shù)遞推公式,5,微分表示,展開,再求導(dǎo)L次可得,積分表示,6,常用的勒讓德多項式,7,圖象,8,9,二. 勒讓德多項式的性質(zhì),奇偶性 Pl(-x) = (-1)l Pl(x) 零點定理 L階勒讓德多項式為L次多項式，有L個零點。 正交性 正交性公式 模 完備性 完備性公式 廣義傅立葉系數(shù) 完備性應(yīng)用例題,10,三 完備性應(yīng)用例題,例1：把函數(shù) f(x)=2x3 + 3 x + 4 用勒讓德多項式展開。,11,軸對稱拉普拉斯方程的求解,四 勒讓德多項式的應(yīng)用,12,例 半徑為r0 的半球，球面上溫度分布為保持為 ， 底面絕熱，確定半球內(nèi)空間的穩(wěn)定溫度分布 u 。,13,例4 在本來是勻強的靜電場中放置均勻介質(zhì)球，本來的 電場強度是E0，球的半徑是，介電常數(shù)是，試求介質(zhì)球內(nèi)外的電場強度,分析：球內(nèi)電勢 球外電勢 銜接條件,14,一. 連帶勒讓德函數(shù),10.2 連帶勒讓德函數(shù),設(shè) 帶入方程整理得:,有限,求對應(yīng)的本征函數(shù):,15,利用萊布尼茨求導(dǎo)規(guī)則把勒讓德方程求導(dǎo)m次:,所以,通常記作:,16,注意: 區(qū)分,17,18,19,二. 連帶勒讓德函數(shù)的性質(zhì) 奇偶性 正交性 正交性公式 模 完備性 完備性公式 廣義傅立葉系數(shù),m相同的連帶勒讓德函數(shù)是完備的,20,10.3 球函數(shù),球函數(shù)方程,一. 球函數(shù),21,任取其一,球函數(shù)方程的解為球函數(shù):,二. 球函數(shù)的性質(zhì),正交性,22,完備性,例1. 用球函數(shù)把下列函數(shù)展開,例2. 用球函數(shù)把 展開,23,三. 拉普拉斯方程的非軸對稱定解問題,拉普拉斯方程在球形區(qū)域的定解問題, 如果是非軸對稱的,問題與 有關(guān), 用一般的球函數(shù),例4. 半徑為的球形區(qū)域內(nèi)部沒有電荷,球面上的電勢 為 為常數(shù),求球形區(qū)域內(nèi)部的電勢分布,解:定解問題為,24,由邊界條件知:解為一般的球函數(shù),由于解在