扁球面坐標系
扁球面坐標系(英语:Oblate spheroidal coordinates)是一種三維正交坐標系。設定二維橢圓坐標系包含於xz-平面;兩個焦點F1{displaystyle F_{1}}與F2{displaystyle F_{2}}的直角坐標分別為(−a, 0, 0){displaystyle (-a, 0, 0)}與(a, 0, 0){displaystyle (a, 0, 0)}。將橢圓坐標系繞著z-軸旋轉,則可以得到扁球面坐標系。(假若,繞著y-軸旋轉,則可以得到長球面坐標系。)橢圓坐標系的兩個焦點,變為一個半徑為a{displaystyle a}的圓圈,包含於三維空間的xy-平面。稱這圓圈為焦圓,又稱為參考圓。扁球面坐標系可以被視為橢球坐標系的極限案例,其兩個最大的半軸的長度相同。
當邊界條件涉及扁球面或旋轉雙曲面時,扁球面坐標時常可以用來解析偏微分方程式。例如,關於佩蘭摩擦因子(Perrin friction factors)的計算,扁球面坐標扮演了極重要的角色。讓·佩蘭因此而榮獲1926年諾貝爾物理獎。佩蘭摩擦因子決定了分子的旋轉擴散(rotational diffusion)。這程序又影響了許多科技,像蛋白質核磁共振光譜學(protein NMR),的可行性。應用這程序,我們可以推論分子的流體動力體積與形狀。扁球面坐標也時常用來解析電磁學(例如,扁球形帶電的分子的電容率),聲學(例如,聲音通過圓孔時產生的散射),流體動力學(水通過消防水帶的噴口),擴散理論(紅熱的錢幣在水裏的冷卻),等等方面的問題。
目录
1 第一種表述
1.1 坐標曲面
1.2 逆變換
1.3 標度因子
2 第二種表述
2.1 標度因子
3 第三種表述
3.1 坐標曲面
3.2 標度因子
4 參閱
5 參考文獻
6 參考目錄
6.1 不按照命名常規
6.2 按照命名常規
6.3 特異命名常規
第一種表述
在三維空間裏,一個點P的扁球面坐標(μ, ν, ϕ){displaystyle (mu , nu , phi )}常見的定義是
x=a coshμ cosν cosϕ{displaystyle x=a cosh mu cos nu cos phi }、
y=a coshμ cosν sinϕ{displaystyle y=a cosh mu cos nu sin phi }、
z=a sinhμ sinν{displaystyle z=a sinh mu sin nu }。
其中,μ≥0{displaystyle mu geq 0}是個實數,角度−90∘≤ν≤90∘{displaystyle -90^{circ }leq nu leq 90^{circ }},角度−180∘≤ϕ≤180∘{displaystyle -180^{circ }leq phi leq 180^{circ }}。
學術界比較中意這一種扁球面坐標,因為沒有簡併;三維空間內每一點都擁有自己獨特的扁球面坐標。
坐標曲面
μ{displaystyle mu }坐標曲面是扁球面 :
x2+y2a2cosh2μ+z2a2sinh2μ=cos2ν+sin2ν=1{displaystyle {frac {x^{2}+y^{2}}{a^{2}cosh ^{2}mu }}+{frac {z^{2}}{a^{2}sinh ^{2}mu }}=cos ^{2}nu +sin ^{2}nu =1}。
它們是由橢圓繞著z-軸旋轉形成的。橢球面與xz-平面的相交,是一個的橢圓。沿著x-軸,長半軸長度為acoshμ{displaystyle acosh mu },沿著z-軸,短半軸長度為asinhμ{displaystyle asinh mu }。橢圓的焦點都包含於x-軸,x-坐標分別為±a{displaystyle pm a}。
ν{displaystyle nu }坐標曲面是半個單葉旋轉雙曲面 :
x2+y2a2cos2ν−z2a2sin2ν=cosh2μ−sinh2μ=1{displaystyle {frac {x^{2}+y^{2}}{a^{2}cos ^{2}nu }}-{frac {z^{2}}{a^{2}sin ^{2}nu }}=cosh ^{2}mu -sinh ^{2}mu =1}。
假若ν{displaystyle nu }是正值,z{displaystyle z}也是正值,這半個單葉旋轉雙曲面在xy-平面以上;假若是負值,則在xy-平面以下。ν{displaystyle nu }是雙曲線的漸近線的角度。所有雙曲線的焦點都在x-軸,x-坐標分別為±a{displaystyle pm a}。
ϕ{displaystyle phi }坐標曲面是個半平面 :
xsinϕ−ycosϕ=0{displaystyle xsin phi -ycos phi =0}。
逆變換
用直角坐標(x, y, z){displaystyle (x, y, z)}來計算扁球面坐標(μ, ν, ϕ){displaystyle (mu , nu , phi )},方位角ϕ{displaystyle phi }的公式為
tanϕ=yx{displaystyle tan phi ={frac {y}{x}}}。
設定d1{displaystyle d_{1}}與d2{displaystyle d_{2}}分別為點P與焦圓的最遠距離與最近距離,以方程式表示為
d12=(x2+y2+a)2+z2{displaystyle d_{1}^{2}=({sqrt {x^{2}+y^{2}}}+a)^{2}+z^{2}}、
d22=(x2+y2−a)2+z2{displaystyle d_{2}^{2}=({sqrt {x^{2}+y^{2}}}-a)^{2}+z^{2}}。
坐標μ{displaystyle mu }和ν{displaystyle nu }的方程式分別為
coshμ=d1+d22a{displaystyle cosh mu ={frac {d_{1}+d_{2}}{2a}}}、
cosν=d1−d22a{displaystyle cos nu ={frac {d_{1}-d_{2}}{2a}}}。
標度因子
扁球面坐標μ{displaystyle mu }與ν{displaystyle nu }的標度因子相等:
hμ=hν=asinh2μ+sin2ν{displaystyle h_{mu }=h_{nu }=a{sqrt {sinh ^{2}mu +sin ^{2}nu }}}。
方位角ϕ{displaystyle phi }的標度因子為
hϕ=acoshμ cosν{displaystyle h_{phi }=acosh mu cos nu }。
無窮小體積元素是
dV=a3coshμ cosν (sinh2μ+sin2ν)dμdνdϕ{displaystyle dV=a^{3}cosh mu cos nu left(sinh ^{2}mu +sin ^{2}nu right)dmu dnu dphi }。
拉普拉斯算子是
∇2Φ=1a2(sinh2μ+sin2ν)[1coshμ∂∂μ(coshμ∂Φ∂μ)+1cosν∂∂ν(cosν∂Φ∂ν)]+1a2(cosh2μcos2ν)∂2Φ∂ϕ2{displaystyle nabla ^{2}Phi ={frac {1}{a^{2}left(sinh ^{2}mu +sin ^{2}nu right)}}left[{frac {1}{cosh mu }}{frac {partial }{partial mu }}left(cosh mu {frac {partial Phi }{partial mu }}right)+{frac {1}{cos nu }}{frac {partial }{partial nu }}left(cos nu {frac {partial Phi }{partial nu }}right)right]+{frac {1}{a^{2}left(cosh ^{2}mu cos ^{2}nu right)}}{frac {partial ^{2}Phi }{partial phi ^{2}}}}。
其它微分算子,像∇⋅F{displaystyle nabla cdot mathbf {F} }、∇×F{displaystyle nabla times mathbf {F} },都可以用(μ, ν, ϕ){displaystyle (mu , nu , phi )}坐標表示,只要將標度因子代入在正交坐標系條目內對應的一般公式。
第二種表述
另外有一組有時會用到的扁球面坐標(ζ, ξ, ϕ){displaystyle (zeta , xi , phi )};其中,ζ=sinhμ{displaystyle zeta =sinh mu },ξ=sinν{displaystyle xi =sin nu }[1]。ζ{displaystyle zeta }坐標曲面是個扁球面,ξ{displaystyle xi }坐標曲面是個旋轉雙曲面。從直角坐標變換至扁球面坐標:
x=a(1+ζ2)(1−ξ2)cosϕ{displaystyle x=a{sqrt {(1+zeta ^{2})(1-xi ^{2})}},cos phi }、
y=a(1+ζ2)(1−ξ2)sinϕ{displaystyle y=a{sqrt {(1+zeta ^{2})(1-xi ^{2})}},sin phi }、
z=aζξ{displaystyle z=azeta xi }。
其中,實數0≤ζ<∞{displaystyle 0leq zeta <infty },實數−1≤ξ<1{displaystyle -1leq xi <1},角度−180∘≤ϕ≤180∘{displaystyle -180^{circ }leq phi leq 180^{circ }}。
標度因子
扁球面坐標(ζ, ξ, ϕ){displaystyle (zeta , xi , phi )}的標度因子分別為:
hζ=aζ2+ξ21+ζ2{displaystyle h_{zeta }=a{sqrt {frac {zeta ^{2}+xi ^{2}}{1+zeta ^{2}}}}}、
hξ=aζ2+ξ21−ξ2{displaystyle h_{xi }=a{sqrt {frac {zeta ^{2}+xi ^{2}}{1-xi ^{2}}}}}、
hϕ=a(1+ζ2)(1−ξ2){displaystyle h_{phi }=a{sqrt {(1+zeta ^{2})(1-xi ^{2})}}}。
無窮小體積元素是
dV=a3(ζ2+ξ2)dζdξdϕ{displaystyle dV=a^{3}(zeta ^{2}+xi ^{2}),dzeta ,dxi ,dphi }。
拉普拉斯算子是
∇2V=1a2(ζ2+ξ2){∂∂ζ[(1+ζ2)∂V∂ζ]+∂∂ξ[(1−ξ2)∂V∂ξ]}+1a2(1+ζ2)(1−ξ2)∂2V∂ϕ2{displaystyle nabla ^{2}V={frac {1}{a^{2}left(zeta ^{2}+xi ^{2}right)}}left{{frac {partial }{partial zeta }}left[left(1+zeta ^{2}right){frac {partial V}{partial zeta }}right]+{frac {partial }{partial xi }}left[left(1-xi ^{2}right){frac {partial V}{partial xi }}right]right}+{frac {1}{a^{2}left(1+zeta ^{2}right)left(1-xi ^{2}right)}}{frac {partial ^{2}V}{partial phi ^{2}}}}。
第三種表述
另外,還有一種比較有幾何直覺性的扁球面坐標系(σ, τ, ϕ){displaystyle (sigma , tau , phi )}[2]:
σ=coshμ{displaystyle sigma =cosh mu }、
τ=cosν{displaystyle tau =cos nu }、
ϕ=ϕ{displaystyle phi =phi }。
坐標σ{displaystyle sigma }必須大於或等於1。坐標τ{displaystyle tau }必須在正負1之間。σ{displaystyle sigma }坐標曲面是扁球面。τ{displaystyle tau }坐標曲面是單葉雙曲面,包含了對應於正負ν{displaystyle nu }的半雙曲面。第三種坐標有雙重簡併:三維空間的兩點(直角坐標(x, y, ±z){displaystyle (x, y, pm z)}映射至一組扁球面坐標系(σ, τ, ϕ){displaystyle (sigma , tau , phi )})。這雙重簡併可以從直角坐標變換至扁球面坐標的公式觀察到:
x=aστcosϕ{displaystyle x=asigma tau cos phi }、
y=aστsinϕ{displaystyle y=asigma tau sin phi }、
z2=a2(σ2−1)(1−τ2){displaystyle z^{2}=a^{2}left(sigma ^{2}-1right)left(1-tau ^{2}right)}。
坐標σ{displaystyle sigma }與τ{displaystyle tau }有一個簡單的公式來表達任何一點P與焦圓的最遠距離d1{displaystyle d_{1}},最近距離d2{displaystyle d_{2}}:
d1+d2=2aσ{displaystyle d_{1}+d_{2}=2asigma }、
d1−d2=2aτ{displaystyle d_{1}-d_{2}=2atau }。
所以,點P與焦圓的最遠距離是a(σ+τ){displaystyle a(sigma +tau )},點P與焦圓的最近距離是a(σ−τ){displaystyle a(sigma -tau )}。
坐標曲面
σ{displaystyle sigma }坐標曲面是扁球面 :
x2+y2a2σ2+z2a2(σ2−1)=1{displaystyle {frac {x^{2}+y^{2}}{a^{2}sigma ^{2}}}+{frac {z^{2}}{a^{2}left(sigma ^{2}-1right)}}=1}。
τ{displaystyle tau }坐標曲面是單葉旋轉雙曲面 :
x2+y2a2τ2−z2a2(1−τ2)=1{displaystyle {frac {x^{2}+y^{2}}{a^{2}tau ^{2}}}-{frac {z^{2}}{a^{2}left(1-tau ^{2}right)}}=1}。
ϕ{displaystyle phi }坐標曲面是半個平面 :
xsinϕ−ycosϕ=0{displaystyle xsin phi -ycos phi =0}。
標度因子
扁球面坐標(σ, τ, ϕ){displaystyle (sigma , tau , phi )}的標度因子分別為:
hσ=aσ2+τ2σ2+1{displaystyle h_{sigma }=a{sqrt {frac {sigma ^{2}+tau ^{2}}{sigma ^{2}+1}}}}、
hτ=aσ2+τ21−τ2{displaystyle h_{tau }=a{sqrt {frac {sigma ^{2}+tau ^{2}}{1-tau ^{2}}}}}、
hϕ=aστ{displaystyle h_{phi }=asigma tau }。
無窮小體積元素是
dV=a3στσ2+τ2(σ2+1)(1−τ2)dσdτdϕ{displaystyle dV=a^{3}sigma tau {frac {sigma ^{2}+tau ^{2}}{sqrt {left(sigma ^{2}+1right)left(1-tau ^{2}right)}}}dsigma dtau dphi }。
拉普拉斯算子是
∇2Φ=1a2(σ2+τ2){∂∂σ[(σ2+1)∂Φ∂σ]+∂∂τ[(1−τ2)∂Φ∂τ]}+1a2(σ2+1)(1−τ2)∂2Φ∂ϕ2{displaystyle nabla ^{2}Phi ={frac {1}{a^{2}left(sigma ^{2}+tau ^{2}right)}}left{{frac {partial }{partial sigma }}left[left(sigma ^{2}+1right){frac {partial Phi }{partial sigma }}right]+{frac {partial }{partial tau }}left[left(1-tau ^{2}right){frac {partial Phi }{partial tau }}right]right}+{frac {1}{a^{2}left(sigma ^{2}+1right)left(1-tau ^{2}right)}}{frac {partial ^{2}Phi }{partial phi ^{2}}}}。
其它微分算子,像∇⋅F{displaystyle nabla cdot mathbf {F} }、∇×F{displaystyle nabla times mathbf {F} },都可以用(σ, τ, z){displaystyle (sigma , tau , z)}坐標表示,只要將標度因子代入在正交坐標系條目內對應的一般公式。
如同球坐標解答的形式為球諧函數,拉普拉斯方程可以用分離變數法來求解,得到形式為扁球諧函數的答案。假若,邊界條件涉及扁球面,我們可以優先選擇這方法來解析。
參閱
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參考文獻
^ Smythe, 1968。
^ Abramowitz and Stegun, p. 752。
參考目錄
不按照命名常規
Morse PM, Feshbach H. Methods of Theoretical Physics, Part I. New York: McGraw-Hill. 1953: p. 662. 引文格式1维护:冗余文本 (link) 採用ξ1=asinhμ{displaystyle xi _{1}=asinh mu }、ξ2=sinν{displaystyle xi _{2}=sin nu }、ξ3=cosϕ{displaystyle xi _{3}=cos phi }。
Zwillinger D. Handbook of Integration. Boston, MA: Jones and Bartlett. 1992: p. 115. ISBN 0-86720-293-9. 引文格式1维护:冗余文本 (link) 如同Morse & Feshbach (1953),採用uk{displaystyle u_{k}}來替代ξk{displaystyle xi _{k}}。
Smythe, WR. Static and Dynamic Electricity 3rd ed. New York: McGraw-Hill. 1968. 引文格式1维护:冗余文本 (link)
Sauer R, Szabó I. Mathematische Hilfsmittel des Ingenieurs. New York: Springer Verlag. 1967: p. 98. 引文格式1维护:冗余文本 (link) 採用混合坐標ξ=asinhμ{displaystyle xi =asinh mu }、η=sinν{displaystyle eta =sin nu }、ϕ=ϕ{displaystyle phi =phi }。
按照命名常規
Korn GA, Korn TM. Mathematical Handbook for Scientists and Engineers. New York: McGraw-Hill. 1961: p. 177. 引文格式1维护:冗余文本 (link)採用第一種表述(μ, ν, ϕ){displaystyle (mu , nu , phi )},又加介紹了簡併的第三種表述(σ, τ, ϕ){displaystyle (sigma , tau , phi )}。
Margenau H, Murphy GM. The Mathematics of Physics and Chemistry. New York: D. van Nostrand. 1956: p. 182. 引文格式1维护:冗余文本 (link) 如同Korn and Korn (1961),但採用餘緯度θ=90∘−ν{displaystyle theta =90^{circ }-nu }來替代緯度ν{displaystyle nu }。
Moon PH, Spencer DE. Oblate spheroidal coordinates (η, θ, ψ). Field Theory Handbook, Including Coordinate Systems, Differential Equations, and Their Solutions corrected 2nd ed., 3rd print ed. New York: Springer Verlag. 1988: pp. 31–34 (Table 1.07). ISBN 0-387-02732-7. 引文格式1维护:冗余文本 (link) Moon and Spencer採用餘緯度常規θ=90∘−ν{displaystyle theta =90^{circ }-nu },又改名ϕ{displaystyle phi }為ψ{displaystyle psi }。
特異命名常規
Landau LD, Lifshitz EM, Pitaevskii LP. Electrodynamics of Continuous Media (Volume 8 of the Course of Theoretical Physics) 2nd edition. New York: Pergamon Press. 1984: pp. 19–29. ISBN 978-0750626347. 引文格式1维护:冗余文本 (link)視扁球面坐標系為橢球坐標系的極限。採用第二種表述。
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