Laplace Operator in Spherical Coordinates

在這篇文章中我們主要探討拉普拉斯算子Δ如何用三維球坐標表示。我們考慮三維球坐標(r,θ,φ),其對應於三維歐氏坐標有以下關係
x=rsinφcosθ,y=rsinφsinθ,z=rcosφ

其中
r>0,θ(0,2π),φ(0,π)

在這個球坐標系統之下,拉普拉斯算子的形式可以表示如下
Δu(x,y,z)=2Ur2+2rUr+1r2sin2φ2Uθ2+1r2sinφφ(sinφUφ)
其中函數u(x,y,z)對應於函數U(r,θ,φ)。以下我們提供四種方法來說明其由來。

方法一

首先根據球坐標的定義我們有
{r=x2+y2+z2,rx=xr=sinφcosθ,ry=yr=sinφsinθ,rz=zr=cosφ,


{θ=tan1yx,θx=yx2+y2=rsinφsinθr2sin2φ=sinθrsinφ,θy=xx2+y2=rsinφcosθr2sin2φ=cosθrsinφ,θz=0,
以及
{φ=cos1zr,φx=11(z/r)2zr2rx=zrr2z2rx=rcosφrr2sin2φsinφcosθ=cosφcosθr,φy=rcosφrr2sin2φsinφsinθ=cosφsinθr,φz=11(z/r)2(1rzr2rz)=1r2z2(1cos2φ)=sin2φr2sin2φ=sinφr.
於是我們得到了以下一階算子的關係
{x=(sinφcosθ)rsinθrsinφθ+cosφcosθrφ,φy=(sinφsinθ)r+cosθrsinφθ+cosφsinθrφ,z=(cosφ)rsinφrφ.

接著我們只要繼續去計算二階算子
2x2,2y2,2z2
便可得到拉普拉斯算子的球坐標表示。這個方法需要極大的耐心與細心!

方法二

在方法一中我們將算子x,y,z表示成算子r,θ,φ的組合。而在方法二中則剛好相反,我們會有
rr=xx+yy+zz


θ=yx+xy

以及
φ=rcosφcosθx+rcosφsinθyrsinφz.

接著我們將φ乘上tanφ會得到
tanφφ=xx+yyx2+y2zz
將上述算子用矩陣來表示我們會得到
(rrθtanφφ)=(xyzyx0xyx2+y2z)(xyz).

接著我們只要去計算
(rr)2+(θ)2+(tanφφ)2.

經過適當整理便可得到拉普拉斯算子的球坐標表示。其中如果我們定義
M=(xyzyx0xyx2+y2z)

我們會發現到
MMT=(xyzyx0xyx2+y2z)(xyxyxyz0x2+y2z)=r2(1000sin2φ000tan2φ)

這個方法一樣需要龐大的計算!

方法三

對任意定點pRn,我們會有
Δu(p)=ni=12ux2i(p)=ni=1d2dt2|t=0u(p+tvi),t(ϵ,ϵ)

其中{v1,,vn}Rn是一組標準正交基底 (orthonormal basis)。這個性質可參考"Laplace Operator in Spherical Coordinate of Rn"這份講議,這個性質幫助我們可以建構在n維空間中的球坐標拉普拉斯算子。接著我們只要挑選適當的標準正交基底即可。

方法四

這個方法我們會需要微分幾何中黎曼流形 (Riemannian manifold) 上拉普拉斯算子 (Laplace-Beltrami operator) 的定義
Δ=1Gni=1xi(mj=1Ggijxj)

其中
gij=xi,xj,G=det(gij),(gij)=(gij)1
 在此我們令
x1=r,x2=θ,x3=φ
並考慮三維球(S2,g)伴隨黎曼度量(Riemannian metric)
ds2=dr2+r2sin2θdθ2+r2dφ2.

其中
grr=erer=(sinφcosθ,sinφsinθ,cosφ)(sinφcosθ,sinφsinθ,cosφ)=1

gθθ=eθeθ=(rsinφsinθ,rsinφcosθ,0)(rsinφsinθ,rsinφcosθ,0)=r2sin2φ

gφφ=eφeφ=(rcosφcosθ,rcosφsinθ,rsinφ)(rcosφcosθ,rcosφsinθ,rsinφ)=r2.

以及
grθ=gθφ=grφ=0

接著我們會有
(gij)=(1000r2sin2θ000r2)
(gij)=(10001r2sin2θ0001r2)

以及
G=|1000r2sin2θ000r2|=r4sin2φ.

最後我們根據黎曼流形上拉普拉斯算子的定義便會得到
Δ=1r2sinφr(r2sinφ1r)+1r2sinφθ(r2sinφr2sin2φθ)+1r2sinφφ(r2sinφr2φ)=2r2+2rr+1r2sin2φ2θ2+1r2sinφφ(sinφφ)



我們之所以需要將拉普拉斯算子表示成球坐標的形式,是因為它可以幫助我們得到拉普拉斯方程
Δu(x)=0

n維球B=BR(0)上的 Poisson Integral Formula
u(x)=R2|x|2ωnRBφ(y)|xy|ndSy

其中
u(x)=φ(x),xB

以及
ωn=2πn/2Γ(n/2)

而當n=2時,我們將x用極坐標 (Polar Coordinate) 表示可以得到
u(r,θ)=12π2π0(R2r2)φ(ϕ)R2+r22Rrcos(θϕ)dϕ,r<R

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