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
和
∂∂θ=−y∂∂x+x∂∂y
以及
∂∂φ=rcosφcosθ∂∂x+rcosφsinθ∂∂y−rsinφ∂∂z.
其中
其中
grr=er⋅er=(sinφcosθ,sinφsinθ,cosφ)⋅(sinφcosθ,sinφsinθ,cosφ)=1
gθθ=eθ⋅eθ=(−rsinφsinθ,rsinφcosθ,0)⋅(−rsinφsinθ,rsinφcosθ,0)=r2sin2φ
gφφ=eφ⋅eφ=(rcosφcosθ,rcosφsinθ,−rsinφ)⋅(rcosφcosθ,rcosφsinθ,−rsinφ)=r2.
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
在n維球B=BR(0)上的 Poisson Integral Formula
u(x)=R2−|x|2ωnR∫∂Bφ(y)|x−y|ndSy
其中
u(x)=φ(x),x∈∂B
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)=12π∫2π0(R2−r2)φ(ϕ)R2+r2−2Rrcos(θ−ϕ)dϕ,r<R
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)=∂2U∂r2+2r∂U∂r+1r2sin2φ∂2U∂θ2+1r2sinφ∂∂φ(sinφ∂U∂φ)
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,∂r∂x=xr=sinφcosθ,∂r∂y=yr=sinφsinθ,∂r∂z=zr=cosφ,
和
{θ=tan−1yx,∂θ∂x=−yx2+y2=−rsinφsinθr2sin2φ=−sinθrsinφ,∂θ∂y=xx2+y2=rsinφcosθr2sin2φ=cosθrsinφ,∂θ∂z=0,
{θ=tan−1yx,∂θ∂x=−yx2+y2=−rsinφsinθr2sin2φ=−sinθrsinφ,∂θ∂y=xx2+y2=rsinφcosθr2sin2φ=cosθrsinφ,∂θ∂z=0,
以及
{φ=cos−1zr,∂φ∂x=−1√1−(z/r)2−zr2∂r∂x=zr√r2−z2∂r∂x=rcosφr√r2sin2φsinφcosθ=cosφcosθr,∂φ∂y=rcosφr√r2sin2φsinφsinθ=cosφsinθr,∂φ∂z=−1√1−(z/r)2(1r−zr2∂r∂z)=−1√r2−z2(1−cos2φ)=−sin2φ√r2sin2φ=−sinφr.
{φ=cos−1zr,∂φ∂x=−1√1−(z/r)2−zr2∂r∂x=zr√r2−z2∂r∂x=rcosφr√r2sin2φsinφcosθ=cosφcosθr,∂φ∂y=rcosφr√r2sin2φsinφsinθ=cosφsinθr,∂φ∂z=−1√1−(z/r)2(1r−zr2∂r∂z)=−1√r2−z2(1−cos2φ)=−sin2φ√r2sin2φ=−sinφr.
於是我們得到了以下一階算子的關係
{∂∂x=(sinφcosθ)∂∂r−sinθrsinφ∂∂θ+cosφcosθr∂∂φ,∂φ∂y=(sinφsinθ)∂∂r+cosθrsinφ∂∂θ+cosφsinθr∂∂φ,∂∂z=(cosφ)∂∂r−sinφr∂∂φ.
接著我們只要繼續去計算二階算子
∂2∂x2,∂2∂y2,∂2∂z2
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
r∂∂r=x∂∂x+y∂∂y+z∂∂z和
∂∂θ=−y∂∂x+x∂∂y
以及
∂∂φ=rcosφcosθ∂∂x+rcosφsinθ∂∂y−rsinφ∂∂z.
接著我們將∂∂φ乘上tanφ會得到
tanφ∂∂φ=x∂∂x+y∂∂y−x2+y2z∂∂z
將上述算子用矩陣來表示我們會得到
(r∂∂r∂∂θtanφ∂∂φ)=(xyz−yx0xy−x2+y2z)(∂∂x∂∂y∂∂z).
接著我們只要去計算
(r∂∂r)2+(∂∂θ)2+(tanφ∂∂φ)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=(xyz−yx0xy−x2+y2z)
我們會發現到
MMT=(xyz−yx0xy−x2+y2z)(x−yxyxyz0−x2+y2z)=r2(1000sin2φ000tan2φ)
這個方法一樣需要龐大的計算!
方法三
對任意定點p∈Rn,我們會有
Δu(p)=n∑i=1∂2u∂x2i(p)=n∑i=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=1√Gn∑i=1∂∂xi(m∑j=1√Ggij∂∂xj)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=er⋅er=(sinφcosθ,sinφsinθ,cosφ)⋅(sinφcosθ,sinφsinθ,cosφ)=1
gθθ=eθ⋅eθ=(−rsinφsinθ,rsinφcosθ,0)⋅(−rsinφsinθ,rsinφcosθ,0)=r2sin2φ
gφφ=eφ⋅eφ=(rcosφcosθ,rcosφsinθ,−rsinφ)⋅(rcosφcosθ,rcosφsinθ,−rsinφ)=r2.
以及
grθ=gθφ=grφ=0
接著我們會有
(gij)=(1000r2sin2θ000r2)
和
(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=1r2sinφ∂∂r(r2sinφ1∂∂r)+1r2sinφ∂∂θ(r2sinφr2sin2φ∂∂θ)+1r2sinφ∂∂φ(r2sinφr2∂∂φ)=∂2∂r2+2r∂∂r+1r2sin2φ∂2∂θ2+1r2sinφ∂∂φ(sinφ∂∂φ)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
在n維球B=BR(0)上的 Poisson Integral Formula
u(x)=R2−|x|2ωnR∫∂Bφ(y)|x−y|ndSy
其中
u(x)=φ(x),x∈∂B
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)=12π∫2π0(R2−r2)φ(ϕ)R2+r2−2Rrcos(θ−ϕ)dϕ,r<R
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