Сфероидтық координаттар - Oblate spheroidal coordinates

1-сурет: Нүкте үшін координаталық изосуреттерP сфероидтық координаттарда (қара шар түрінде көрсетілген) (μνφ). The з-аксисі тік, ал ошақтары ± 2-ге тең. Қызыл желбезек сфероид (жалпақ сфера) сәйкес келеді μ = 1, ал көк жарты гиперболоид сәйкес келеді ν = 45 °. Азимут φ = −60 ° өлшейді екі жақты бұрыш жасыл арасында х-з нүкте кіретін жарты жазықтық және сары жарты жазықтықP. The Декарттық координаттар туралы P шамамен (1.09, −1.89, 1.66).

Сфероидтық координаттар үш өлшемді болып табылады ортогоналды координаттар жүйесі екі өлшемді айналдыру нәтижесінде пайда болады эллиптикалық координаттар жүйесі эллипстің фокустық емес осі туралы, яғни ошақтарды бөлетін симметрия осі туралы. Осылайша, екі ошақ радиустың сақинасына айналады ішінде х-ж ұшақ. (Басқа осьтің айналуы айналады сфероидтық пролата координаттары.) Шар тәрізді сфероидтық координаттарды а деп те қарастыруға болады іс жүргізу туралы эллипсоидтық координаттар онда ең үлкен екі жартылай осьтер ұзындығы бойынша тең.

Oblate сфероидты координаттары көбінесе шешуде пайдалы дербес дифференциалдық теңдеулер шекаралық шарттар an бойынша анықталған кезде қатпарлы сфероид немесе а революцияның гиперболоиды. Мысалы, олар есептеу кезінде маңызды рөл атқарды Перриннің үйкелу факторлары 1926 ж. марапаттауға үлес қосты Физика бойынша Нобель сыйлығы дейін Жан Батист Перрин. Бұл үйкеліс факторлары айналмалы диффузия сияқты көптеген техниканың орындылығына әсер ететін молекулалар ақуыз NMR және одан гидродинамикалық көлем мен молекулалардың пішінін шығаруға болады. Пластикалық сфероидтық координаттар электромагнетизм (мысалы, зарядталған облатек молекулаларының диэлектрлік өтімділігі), акустика (мысалы, дыбыстың дөңгелек тесік арқылы шашырауы), сұйықтық динамикасы (мысалы, от шүмегі арқылы су ағымы) және материалдар мен жылудың диффузиясы (мысалы, қызыл монетаны су моншасында салқындату)

Анықтама (µ, ν, φ)

2-сурет: Сфероидтық сфероидтық координаталардың μ және ν графигі х-з жазықтық, мұндағы φ нөлге тең және а біреуіне тең. Тұрақты қисықтар μ қызыл эллипс түзеді, ал тұрақты ν осы жазықтықта көгілдір жартылай гиперболаларды құрайды. The з-аксис тігінен өтіп, ошақтарды ажыратады; координаттар з және ν әрқашан бірдей белгіге ие болады. Үш өлшемдегі тұрақты μ және ν беттері -ге айналу арқылы алынады з-аксис, және сәйкесінше 1-суреттегі қызыл және көк беттер.

Сфероидтық координаттардың кең таралған анықтамасы болып табылады

қайда теріс емес нақты сан және бұрыш . Азимуталь бұрышы арасында, толық шеңбердің кез келген жеріне түсуі мүмкін . Бұл координаттар төмендегі баламаларға қарағанда қолайлы, өйткені олар деградацияға ұшырамайды; координаттар жиынтығы декарттық координаттардағы ерекше нүктені сипаттайды . Керісінше де, егер тек қоспағанда -аксис және фокальды сақинаның ішіндегі жазықтық.

Координаталық беттер

Тұрақты μ беттері түзіледі қылқалам сфероидтар, тригонометриялық сәйкестілік бойынша

өйткені олар эллипс айналдырды з-оксис, олардың ошақтарын ажыратады. Эллипс х-з жазықтықта (2-сурет) a бар ірі семасаксис ұзындығы а cosh μ бойымен х-аксис, ал оның кіші семасаксис ұзындығы бар а бойынша синх μ з-аксис. Барлық эллиптердің ошақтары х-з жазықтық орналасқан х-ақсис ±а.

Сол сияқты тұрақты ν беттері жарты парақты құрайды гиперболоидтар гиперболалық тригонометриялық сәйкестіліктің революциясының

Оң ν үшін жарты гиперболоид жоғарыдан жоғары болады х-ж жазықтық (яғни оң з), ал теріс for үшін, жарты гиперболоид төменде х-ж жазықтық (яғни теріс з). Геометриялық тұрғыдан ν бұрышы -ның бұрышына сәйкес келеді асимптоталар гиперболаның. Барлық гиперболалардың ошақтары сол сияқты орналасқан х-ақсис ±а.

Кері түрлендіру

(Μ, ν, φ) координаттарын декарттық координаттардан есептеуге болады (х, ж, з) келесідей. Азимуталь бұрышы φ формуламен берілген

Р нүктесінің цилиндрлік радиусы ρ арқылы берілген

және оның φ -мен анықталған жазықтықтағы фокустарға дейінгі арақашықтықтары берілген

Қалған μ және ν координаталарын теңдеулерден есептеуге болады

мұндағы μ белгісі әрқашан теріс емес, ал ν таңбасы сол сияқты з.

Кері түрлендіруді есептеудің тағы бір әдісі болып табылады

қайда

Масштаб факторлары

Μ және ν координаталарының масштабтық коэффициенттері тең

ал азимутальды масштаб коэффициенті тең

Демек, көлемнің шексіз элементі тең болады

және лаплацианды жазуға болады

Сияқты басқа дифференциалдық операторлар және координаттарында (μ, ν, φ) масштабты факторларды жалпы формулаларға ауыстыру арқылы көрсетуге болады. ортогоналды координаталар.

Векторлар негізі

Ортонормальды негіз векторлары координаттар жүйесін декарттық координаталар түрінде былайша өрнектеуге болады

қайда декарттық бірлік векторлары болып табылады. Мұнда, константаның сфероидты бетіне сыртқы қалыпты вектор болып табылады , сфералық координаталардан бірдей азимуталь бірлік векторы, және сфероидтық бетке жанасатын жазықтықта жатыр және оң жақ негіз жиынтығын аяқтайды.

Анықтама (ζ, ξ, φ)

Сфероидтық координаттардың тағы бір жиынтығы кейде қайда қолданылады және (Смит 1968). Тұрақты қисықтар қиғаш сфероидтар және тұрақты қисықтар революцияның гиперболоидтары болып табылады. Координат арқылы шектелген және арқылы шектелген .

Қатынасы Декарттық координаттар болып табылады

Масштаб факторлары

Үшін масштабты факторлар мыналар:

Масштабты факторларды біле отырып, координаталардың әр түрлі функцияларын жалпы көрсетілген әдіспен есептеуге болады ортогоналды координаталар мақала. Көлемнің шексіз элементі:

Градиент:

Дивергенция:

және лаплаций тең

Сфероидтық гармоника

Сондай-ақ қараңыз Пластикалық сфероидты толқындардың қызметі.

Бұл жағдай қалай сфералық координаттар және сфералық гармоника, Лаплас теңдеуін әдісімен шешуге болады айнымалыларды бөлу түрінде шешімдер алуға мүмкіндік береді сфероидты гармоника, шекара шарттары тұрақты бедерлі сфероидты координатасы бар бетте анықталған кезде қолдануға ыңғайлы.

Техникасын қолдана отырып айнымалыларды бөлу, Лаплас теңдеуінің шешімі жазылған:

Бұл айнымалылардың әрқайсысында үш бөлек дифференциалдық теңдеулер береді:

қайда м - бүтін сан болатын тұрақты, өйткені φ айнымалысы периодты 2π болады. n содан кейін бүтін сан болады. Бұл теңдеулердің шешімі:

қайда тұрақты және және болып табылады байланысты легендарлық көпмүшелер сәйкесінше бірінші және екінші түрдегі. Үш ерітіндінің көбейтіндісі ан деп аталады сфероидтық гармоникалық және Лаплас теңдеуінің жалпы шешімі жазылған:

Тұрақтылар біріктіріліп, әр гармоника үшін тек төрт тәуелсіз тұрақтылық береді.

Анықтама (σ, τ, φ)

3-сурет: альтернативті сфероидты координаттардағы (σ, τ, φ) Р нүктесінің (қара сфера түрінде көрсетілген) координаталық изосуреттері. Бұрынғыдай, to сәйкес келетін облат сфероид қызыл түспен көрсетілген, ал φ жасыл және сары жартылай жазықтықтар арасындағы азимуттық бұрышты өлшейді. Алайда тұрақты τ беті көк түспен көрсетілген толық бір парақты гиперболоид болып табылады. Бұл жерде орналасқан екі қара сфера арқылы көрсетілген екі еселенген деградация пайда болады.х, ж, ±з).

Кейде балама және геометриялық интуитивті сфералық координаттар жиынтығы қолданылады (σ, τ, φ), мұнда σ = қош μ және τ = cos ν.[1] Сондықтан the координатасы бірден үлкен немесе оған тең болуы керек, ал τ қоса алғанда ± 1 аралығында орналасуы керек. Тұрақты constant беттері сфералық сфероидтар, тұрақты μ сияқты, ал тұрақты constant қисықтары - революцияның толық гиперболоидтары, оның ішінде ± ν сәйкес келетін жартылай гиперболоидтар. Осылайша, бұл координаттар деградацияланған; екі декарттық координаталардағы нүктелер (х, ж, ±з) дейін бір координаттар жиыны (σ, τ, φ). Белгісіндегі бұл екі есе азғындау з сфероидтық координаталардан -ге өзгеретін теңдеулерден айқын көрінеді Декарттық координаттар

Координаттар және фокальды сақинамен арақашықтыққа қарапайым қатынаста болу. Кез келген нүкте үшін сома оның фокустық сақинаға дейінгі арақашықтықтары тең , ал олардың айырмашылық тең . Осылайша, фокустық сақинаға дейінгі «алыс» қашықтық , ал «жақын» қашықтық .

Координаталық беттер

Оның μ аналогына ұқсас, constant тұрақты беттері түзіледі қылқалам сфероидтар

Сол сияқты тұрақты the беттері бір парақты құрайды гиперболоидтар төңкеріс

Масштаб факторлары

Альтернативті сфероидтық координаталардың масштабты факторлары болып табылады

ал азимутальды шкала коэффициенті болып табылады .

Демек, көлемнің шексіз элементін жазуға болады

және лаплаций тең

Сияқты басқа дифференциалдық операторлар және координаталар арқылы көрсетілуі мүмкін масштабты факторларды табылған жалпы формулаларға ауыстыру арқылы ортогоналды координаталар.

Бұл жағдай қалай сфералық координаттар, Лаплас теңдеуін әдісімен шешуге болады айнымалыларды бөлу түрінде шешімдер алуға мүмкіндік береді сфероидты гармоника, оларды тұрақты сфероидтық координаты бар бетте шекаралық шарттар анықталған кезде қолдануға ыңғайлы (Смит, 1968 қараңыз).

Әдебиеттер тізімі

  1. ^ Абрамовиц және Стегун, б. 752.

Библиография

Конвенциялар жоқ

  • Морзе премьер-министрі, Фешбах Н (1953). Теориялық физика әдістері, І бөлім. Нью-Йорк: МакГрав-Хилл. б. 662. Қолдану ξ1 = синх μ, ξ2 = sin ν және ξ3 = cos φ.
  • Zwillinger D (1992). Интеграция туралы анықтамалық. Бостон, MA: Джонс және Бартлетт. б. 115. ISBN  0-86720-293-9. Morse & Feshbach (1953) сияқты, ауыстыру сенк for үшінк.
  • Смит, WR (1968). Статикалық және динамикалық электр (3-ші басылым). Нью-Йорк: МакГрав-Хилл.
  • Зауэр R, Сабо I (1967). Mathematische Hilfsmittel des Ingenieurs. Нью-Йорк: Springer Verlag. б. 98. LCCN  67025285. Br = sinh μ, η = sin ν және φ гибридтік координаттарын қолданады.

Бұрыш конвенциясы

  • Korn GA, Korn TM (1961). Ғалымдар мен инженерлерге арналған математикалық анықтамалық. Нью-Йорк: МакГрав-Хилл. б.177. LCCN  59014456. Корн мен Корн (μ, ν, φ) координаталарын қолданады, сонымен бірге деградацияланған (σ, τ, φ) координаттарын енгізеді.
  • Маргенау Х, Мерфи Г.М. (1956). Физика және химия математикасы. Нью-Йорк: Д. ван Ностран. б.182. LCCN  55010911. Корн мен Корн сияқты (1961), бірақ қолданады үйлесімділік θ = 90 ° - ν орнына ендік ν.
  • Мун PH, Спенсер DE (1988). «Oblate сфероидтық координаттар (η, θ, ψ)». Координаталық жүйелерді, дифференциалдық теңдеулерді және олардың шешімдерін қосқандағы өріс теориясының анықтамалығы (түзетілген 2-ші басылым, 3-ші басылым). Нью-Йорк: Springer Verlag. 31-34 бет (кесте 1.07). ISBN  0-387-02732-7. Ай мен Спенсер at = 90 ° - ν колатиттілік конвенциясын қолданады және φ деп ame деп өзгертеді.

Ерекше конгресс

  • Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М., Питаевский Л.П. (1984). Үздіксіз медианың электродинамикасы (8 том) Теориялық физика курсы ) (2-ші басылым). Нью-Йорк: Pergamon Press. 19–29 бет. ISBN  978-0-7506-2634-7. Сфероидтық сфероидтық координаттарды генералдың шектеулі жағдайы ретінде қарастырады эллипсоидтық координаттар. Қашықтық өлшем бірлігі квадратқа ие болатын (ξ, η, ζ) координаттарды қолданады.

Сыртқы сілтемелер