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勒让德多项式及球函数
比较同次幂即得到 由此得到 例 19.2.4 (p354-355) 19.3 勒让德多项式的生成函数(母函数) 19.3.1勒让德多项式的生成函数的定义 如图19.2所示,设在一个单位球的北极放置一带电量为 的正电荷,则在球内任一点 (其球坐标记作 )的静电势为 (19.3.1) 静电势 遵从拉普拉斯方程,且以球坐标系的极轴为对称轴, 因此, 应具有轴对称情况下拉普拉斯方程一般解(19.2.14)的形式, 即 (19.3.2) 首先不妨研究单位球内的静电势分布.在球心 ,电势应该是有限的,故必须取 (19.3.3) 为确定系数 ,在上式中令 ,并注意到 则得到 (19.3.4) 将上式左边在 的邻领域上展为泰勒级数 (19.3.5) 比较(19.3.4)和(19.3.5)即知 于是(19.3.3)成为 (19.3.6) 若考虑单位球内、球外的静电势分布,则有 (19.3.7) 于(19.3.6)中代入 ,即为 (19.3.8) 因此 或 叫作勒让德多项式的生成函数(或母函数) 19.3.2 勒让德多项式的递推公式 根据勒让德多项式的母函数可以导出勒让德多项式的递推公式. 先把(19.3.6)写成 (19.3.9) 对 求导 对上式两边同乘以 ,得 (19.3.10) * 电子科技大学物理电子学院 * 电子科技大学物理电子学院 * 电子科技大学物理电子学院 第三篇 特殊函数 本篇主要内容: 勒让德多项式及球函数;贝塞尔函数和柱函数. 本篇重点:勒让德多项式和贝塞尔函数. 本篇特点:加强了思维能力的训练, 以及计算机仿真绘图在特殊函数中的应用. 第十九章 勒让德多项式 球函数 19.1 勒让德方程及其解的表示 19.1.1 勒让德方程 勒让德多项式 在分离变量法一章中,我们已经知道拉普拉斯方程 (19.1.1) 在球坐标系下分离变量后得到欧拉型常微分方程 和球谐函数方程 (19.1.2) (19.1.2)式的解 与半径 无关,故称为球谐函数 ,或简称为球函数. 球谐函数方程进一步分离变量,令 得到关于 的常微分方程 (19.1.3) 称为 阶连带勒让德方程. 令 和 把自变数从 换为 ,则方程(19.1.3)可以化为下列 阶连带勒让德方程 形式的 (19.1.4) 若所讨论的问题具有旋转轴对称性,即定解问题的解与 无关,则 ,即有 (19.1.5) 称为 阶勒让德(legendre)方程. 同样若记 , ,则上述方程也可写为下列形式的 阶勒让德方程 (19.1.6) 19.1.2 勒让德多项式的表示 1. 勒让德多项式的级数表示 我们知道:在自然边界条件下,勒让德方程的解 为 (19.1.7) 式中 上式具有多项式的形式,故称 为 阶勒让德多项式.勒让德多项式也称为第一类勒让德函数. 式(19.1.7)即为勒让德多项式的级数表示. 注意到 , 故可方便地得出前几个勒让德多项式: 勒让德多项式的图形可通过计算机仿真(如MATLAB仿真) 得到 计算 ,这应当等于多项式 的常数项. 如 为 (即为奇数)时, 则 只含奇 数次幂,不含常数项,所以 (19.1.8) (即为偶数)时, 则 含有常数项,即 (19.1.7)中 的那一项,所以 (19.1.9) 式中记号 而 因此, . 2 勒让德多项式的微分表示 (19.1.10) 上式通常又称为勒让德多项式的罗德里格斯(Rodrigues)表示式. 下面证明表达式(19.1.10)和(19.1.7)是相同的. 【证明】 用二项式定理把 展开 把上式对x求导 次.凡是幂次 的项在 次求导过程中成为零,所以只需保留幂次 的项,即 的项,应取 ,并且注意到 因此有 3.勒让德多项式的积分表示 根据柯西积分公式的高阶导数,并取正方向积分有 容易证明微分表示(19.1.10)也可表示为环路积分形式 (19.1.11) 为 平面上围绕 并取正方向.这叫作勒让德多项式的施列夫利积分表示式. 点的任一闭合回路, 式(19.1.11)还可以进一步表为下述拉普拉斯积分. (19.1.12) 【证明】 取 为圆周,圆心在 ,半径为 .在 上有: 并注意到
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