第二十一讲球函数( 21.1连带 Legendre函数 本节讨论连带 Legendre方程 (1-x2)x+(A 在有界条件 D±1)有」 下的解 方法是试图找出连带 Legendre方程和 Legendre方程之间的关亲 首先分析连带 Legendre方程 d dw 0 在奇点处的性质.连带 Legendre方程的奇点和 Legendre方程完全一样,都是z=±1和z=∞ 而且也都是正则奇点.在z=±1处的指标方程是 所以,指标为 这说明,连带 Legendre方程的解可以写成 u(2)=(1-2)w/n(2) 的形式.代入方程,就可以得到v(2)所满足的方程 (1-2)v-2(m+1)0+[A-m(m+1)l=0 这时v(2)在2=±1的指标为0与-m.指标为m的解在z=±1点一定是发散的 用数学归纳法可以证明,方程()可以通过 Legendre方程微商m次而得到 ★m=0时显然正确
Wu Chong-shi ✁✂✄☎ ✆ ✝ ✞ (✟) §21.1 ✠✡ Legendre ☛☞ ✌ ✍✎✏✑✒ Legendre ✓✔ d dx 1 − x 2 dy dx + λ − m2 1 − x 2 y = 0 ✕✖✗✘✙ y(±1)✖✗ ✚✛✜✢ ✓✣✤✥ ✦✧ ★✑✒ Legendre ✓✔✩ Legendre ✓✔✪ ✫✛ ✬✭✢ ✮✯✰✱✲✳ Legendre ✴✵ d dz 1 − z 2 dw dz + λ − m2 1 − z 2 w = 0 ✶✷✸✹✺✻✼✢✲✳ Legendre ✴✵✺✷✸✽ Legendre ✴✵✾✿❀❁❂❃❄ z = ±1 ✽ z = ∞ ❂ ❅❆❇❃❄❈❉✷✸✢✶ z = ±1 ✹✺❊❋✴✵❄ ρ(ρ − 1) + ρ − m2 4 = 0, ●❍❂ ❊❋■ ρ = ± m 2 . ❏❑ ▲❂ ✲✳ Legendre ✴✵✺▼◆❍❖P w(z) = 1 − z 2 m/2 v(z) ✺◗❘✢❙❚✴✵❂❯◆❍❱❲ v(z) ●❳❨✺ ✴✵ 1 − z 2 v 00 − 2(m + 1)zv0 + [λ − m(m + 1)]v = 0. (z) ❏❩ v(z) ✶ z = ±1 ✺❊❋■ 0 ❬ −m ✢❊❋■ −m ✺▼✶ z = ±1 ✸ ❀❭❄❪❫✺✢ ❴❵❛❜❝❞◆❍❡ ▲ ❂✴✵ (z) ◆❍❢❣ Legendre ✴✵❤✐ m ❥ ❅❱❲✢ F m = 0 ❩❦❧❈♠✢
§21.1连带 Legendre函数 ★设m=k时成立, 1-2)(()-2k+12(0)+-k+1)( 再徵商一次 (-2)(0)-2()-2k+1:(0)"-2k+1()+1-Mk+1)()=0 这样就得到 -2)(+)-2k+2:(+)+-(+1(+2)x)=0 命题得证.口 于是,连带 Legendre方程在环域0<|z-1<2内的解就是 (2)=c1(1-2)/Pm()+c2(1-2) (z) 其中入=D(u+1).下面再用有界条件定出本征值和本征函数 首先要求在x=1点有界 ★P(x)在x=1点是有界的 ★Q(x)在x=1点是对数发散的 ★(1-x2)m/P{m)(x)在x=1点也是有界的,它是连带 Legendre方程在x=1点的邻域内指标 p=m/2的解 ★Qm(a)在=1点是以(x-1)m的方式发散的,所以,(-2)m2Qm()在x=1点也 定是发散的,它正是连带 Legendre方程在x=1点的邻域内指标p=-m/2的解 ★有界条件要求解在x=1点有界,所以,c2=0 再要求在x=-1点有界 ★对于一般的v值,只要P(x)是无穷级数,它在x=-1点就是对数发散的 ★x=-1点就是Pm(x)的m阶极点 ★所以,(1-2)m/2P如(x)在x=-1点也还是发散的 为了满足在x=-1点有界的要求,唯一的可能是P(x)断成多项式,即v为非负整数 ★由于在解中出现的是P四(x),所以必须有v≥m 总结上面的讨论,就求出了连带 Legendre方程在有界条件下的解 本征值A=l(+1),l=m,m+1,m+2 本征函数v(x)=c1(1-x2) 通常取c1=(-)m,而将本征函数记为Pr(x) Pm()=(-m(1-x2)/P(m)(r)
Wu Chong-shi §21.1 ♥♦ Legendre ♣q r 2 s F t m = k ❩P✉❂ 1 − z 2 v (k) 00 − 2(k + 1)z v (k) 0 + [λ − k(k + 1)] v (k) = 0. ✈ ❤✐❀❥❂ 1 − z 2 v (k) 000 − 2z v (k) 00 − 2(k + 1)z v (k) 00 − 2(k + 1) v (k) 0 + [λ − k(k + 1)] v (k) 0 = 0, ❏ ❁❯❱❲ 1 − z 2 v (k+1)00 − 2(k + 2)z v (k+1)0 + [λ − (k + 1)(k + 2)]v (k+1) = 0. ✇①❱❡✢ ② ❄❂✲✳ Legendre ✴✵✶③④ 0 < |z − 1| < 2 ⑤ ✺▼❯❄ w(z) = c1 1 − z 2 m/2 P (m) ν (z) + c2 1 − z 2 m/2 Q (m) ν (z), ⑥ ⑦ λ = ν(ν + 1) ✢⑧⑨✈❴⑩❶❷❸❭❹❺❻❼✽ ❺❻❽❵✢ ✮✯ ❾❿➀ x = 1 ➁➂➃ ✢ F Pν(x) ✶ x = 1 ✸ ❄ ⑩❶✺✢ F Qν(x) ✶ x = 1 ✸ ❄➄❵ ❪❫✺✢ F 1 − x 2 m/2 P (m) ν (x) ✶ x = 1 ✸❇ ❄ ⑩❶✺ ❂➅❄✲✳ Legendre ✴✵✶ x = 1 ✸✺➆④ ⑤ ❊❋ ρ = m/2 ✺▼✢ F Q (m) ν (x) ✶ x = 1 ✸ ❄ ❍ (x − 1)−m ✺ ✴ ❘ ❪❫✺ ❂ ●❍❂ 1 − x 2 m/2 Q (m) ν (x) ✶ x = 1 ✸❇ ❀ ❭❄❪❫✺ ❂➅❈❄✲✳ Legendre ✴✵✶ x = 1 ✸✺➆④ ⑤ ❊❋ ρ = −m/2 ✺▼✢ F ⑩❶❷❸➇➈▼✶ x = 1 ✸⑩❶❂ ●❍❂ c2 = 0 ✢ ✈ ❾❿➀ x = −1 ➁➂➃ ✢ F ➄ ② ❀➉✺ ν ❼❂➊➇ Pν(x) ❄➋➌➍❵ ❂➅✶ x = −1 ✸ ❯❄➄❵ ❪❫✺✢ F x = −1 ✸ ❯❄ P (m) ν (x) ✺ m ➎➏✸ ❂ F ●❍❂ 1 − x 2 m/2 P (m) ν (x) ✶ x = −1 ✸❇➐❄❪❫✺✢ F ■➑❳❨✶ x = −1 ✸⑩❶✺➇➈❂➒❀✺◆➓❄ Pν(x) ➔ P→➣❘ ❂↔ ν ■↕➙➛❵✢ F ➜ ②✶▼ ⑦ ❹➝✺ ❄ P (m) ν (x) ❂ ●❍➞➟⑩ ν ≥ m ✢ ➠➡➢⑨✺➤➥❂❯➈ ❹ ➑✲✳ Legendre ✴✵✶⑩❶❷❸⑧✺▼ ❺❻❼ λl = l(l + 1), l = m, m + 1, m + 2, · · · ❺❻❽❵ yl(x) = c1 1 − x 2 m/2 P (m) l (x). ❢➦➧ c1 = (−) m ❂ ❅➨❺❻❽❵➩■ P m l (x) ❂ P m l (x) = (−) m 1 − x 2 m/2 P (m) l (x),
第二十一讲球函数 第3页 称为m阶l次连带 Legendre函数 连带 Legendre函数,也是作为本征值问题的解、即连带 Legendre方程在有界条件下的本征函 数引入的,因此,连带 Legendre函数也应当具有正交性:相同阶但不同次的连带 Legendre函数 在区间-1,1上正交 PT(x)Pk(x)dx=0,k≠ 这里注意的是,对于连带 Legendre方程来说,m是固定的已知参数,因此,在上面的 正交关糸中,连带 Legendre函数的阶数m必须是相同的 可以从方程出发,并应用有界条件,来证明正交关糸.这是证明本征函数正交性的标准 方法 下面换一个做法,采用和证明 Legendre多项式的正交性类似的办法 证由于k≠l,不妨假设k<l.于是,代入连带 Legendre函数的定义,并分部积分,即得 P()P(a)dr dmPk(a)dmPl(a) drm drm dmPk(r)- Pi(a 分部积分一次的结果除了在积分号前增加一个负号外,就只不过是将被积函数中P(x)的微商转 移一次到其余的因子上.可以预料,在分部积分m次后,就应当得到 P(a)PK (a)dr()m/m(1-r2) d"P(E P(z)dr 注意上式右方的被积函数是l次 Legendre多项式和另一个多项式 的乘积.容易求出这个多项式的次数为k-m+2m-m=k,由于k<l,立即就证得连带 Legendre 函数的正交性.口 作变换x=cosθ,还可以得到连带 Legendre函数正交性的另一种表达形式,即 Pl(cos O)Pk(cos 0)sin 0de=0, h+L 注意,这里出现了正交权重sin 完全模仿前面的做法,还能求得连带 Legendre函数的模方.这只要在以上证明过程的各式中
Wu Chong-shi ➫➭➯➲➳ ➵ ♣ q (➸) r 3 s ➺■ m ➎ l ❥ ✲✳ Legendre ❽ ❵✢ ✲✳ Legendre ❽ ❵ ❂ ❇ ❄➻■ ❺❻❼➼①✺▼➽↔ ✲✳ Legendre ✴✵✶⑩❶❷❸⑧✺ ❺❻❽ ❵➾❚✺ ❂ ➚➪❂ ✲✳ Legendre ❽ ❵❇➶➹➘⑩ ❈➴✻➷ ➬➮➱✃❐➮❒❮❰Ï Legendre ÐÑ ➀ÒÓ [−1, 1] ÔÕÖ ❂ Z 1 −1 P m l (x)Pm k (x)dx = 0, k 6= l. ×ØÙÚ✛ ✤❂ÛÜ✑✒ Legendre ✓✔ÝÞ❂ m ✤ ßà✛ áâãä❂åæ❂✕ç è✛ éê ✬✭ë❂ ✑✒ Legendre ìä✛íä m îï✤ð ñ✛✢ ò óô✓✔ ★õ❂ö÷ø✖✗✘✙❂Ýù úéê ✬✭✢× ✤ù ú✌ûìäéêü✛ýþ ✓✣✢ ✚ èÿ✁✂✣❂✄ ø ✩ù ú Legendre ☎✆✝✛éêü ✞✟✛✠ ✣✢ ✡ ➜ ② k 6= l ❂ ☛☞✌t k < l ✢② ❄❂❙❚✲✳ Legendre ❽ ❵✺ ❭✍❂ ✎✰✏✑✰ ❂↔ ❱ Z 1 −1 P m l (x)Pm k (x)dx = Z 1 −1 1 − x 2 m d mPk(x) dxm d mPl(x) dxm dx = 1 − x 2 m d mPk(x) dxm d m−1Pl(x) dxm−1 1 −1 − Z 1 −1 d dx 1 − x 2 m d mPk(x) dxm d m−1Pl(x) dxm−1 dx = − Z 1 −1 d dx 1 − x 2 m d mPk(x) dxm d m−1Pl(x) dxm−1 dx. ✰✏✑✰ ❀❥✺➡✒✓➑✶✑✰✔✕✖✗❀✘ ➙✔✙❂❯➊☛❣ ❄ ➨✚✑ ❽ ❵ ⑦ Pl(x) ✺ ❤✐✛ ✜ ❀❥❲⑥✢✺➚✣➢✢◆❍✤✥❂ ✶✰✏✑✰ m ❥✦❂❯➶➹❱❲ Z 1 −1 P m l (x)Pm k (x)dx = (−) m Z 1 −1 d m dxm 1 − x 2 m d mPk(x) dxm Pl(x)dx. ✧★➢❘✩ ✴ ✺✚✑ ❽ ❵ ❄ l ❥ Legendre →➣❘✽✪ ❀✘ →➣❘ d m dxm 1 − x 2 m d mPk(x) dxm ✺✫✑✢✬✭➈ ❹ ❏ ✘ →➣❘✺❥ ❵■ k − m+ 2m− m = k ✢ ➜ ② k < l ❂ ✉ ↔❯❡❱✲✳ Legendre ❽ ❵✺ ❈➴✻✢ ➻✮✯ x = cos θ ❂ ➐◆❍❱❲✲✳ Legendre ❽ ❵ ❈➴✻✺✪ ❀✰✱✲◗❘❂↔ Z π 0 P m l (cos θ)Pm k (cos θ) sin θdθ = 0, k 6= l. ✧★❂ ❏✳ ❹➝➑ ❈➴✴✵ sin θ ✢ ✾✿✶✷✕⑨✺✸❞ ❂ ➐➓➈❱✲✳ Legendre ❽ ❵✺ ✶✴✢❏ ➊ ➇✶❍➢❡ ▲❣ ✵ ✺✹❘ ⑦
§21.1连带 Legendre函数 第4页 取k=l即可.于是 / PI(r)Pi(a)dx=(-) d"Pi(a) drm 出现在等式右端的被积函数是l次 Legendre多项式和另一个l次多项式 dam((-22)m dmpa) 1 dm 的乘积.由18讲第4节的讨论可知,对积分值的唯一贡献就只来自这个多项式的最高幂次项.容 易求出这个最高幂次项的系数是 ((((((-)"2-m)I 所以,就得到 )!(+m) pr()Prx=2m2(-m1Pade (+m)! (1-m)!2l+1 或者进一步作变换x=cos6 P(cos O)Pl(cos 8)sin edo(1+m)!2 (-m)!2+1 从原则上说,连带 Legendre函数的许多性质都可由 Legendre多项式的相应性质得到
Wu Chong-shi §21.1 ♥♦ Legendre ♣q r 4 s ➧ k = l ↔ ◆✢② ❄❂ Z 1 −1 P m l (x)Pm l (x)dx = (−) m Z 1 −1 d m dxm 1 − x 2 m d mPl(x) dxm Pl(x)dx. ❹➝✶✺❘✩✻✺✚✑ ❽ ❵ ❄ l ❥ Legendre →➣❘✽✪ ❀✘ l ❥ →➣❘ d m dxm 1 − x 2 m d mPl(x) dxm = 1 2 l l! d m dxm 1 − x 2 m d l+m dx l+m x 2 − 1 l ✺✫✑✢ ➜ 18 ✼✽ 4 ✾ ✺➤➥◆✿ ❂➄ ✑✰ ❼ ✺ ➒❀❀❁❯➊❂ ❃ ❏ ✘ →➣❘✺❄❅❆❥ ➣✢✬ ✭➈ ❹ ❏ ✘ ❄❅❆❥ ➣✺❇❵ ❄ (−) m 1 2 l l! (2l)! (l − m)! (l + m)! l! , ●❍❂❯❱❲ Z 1 −1 P m l (x)Pm l (x)dx = (2l)! 2 l(l!)2 (l + m)! (l − m)! Z 1 −1 x lPl(x)dx = (l + m)! (l − m)! 2 2l + 1 , ❈❉❊❀❋➻✮✯ x = cos θ ❂ Z 1 −1 P m l (cos θ)Pm l (cos θ) sin θdθ = (l + m)! (l − m)! 2 2l + 1 . ô●❍ç Þ❂✑✒ Legendre ìä✛■ ☎ü❏❑ò ▲ Legendre ☎✆✝✛ ð ÷ü❏▼◆✢ ô❖✢
第二十一讲球函数 第5页 §21.2球面调和函数 现在回到 Laplace方程在球坐标糸下的分离变量,为了确定起见,不妨先讨论球内 Laplace 方程的第一类边值问题 在球坐标系下,定解问题是 1 a 0, udu 0有界 ue=有界 有界 u==f(6,) 重复18讲第3节的步骤,令u(r,O,)=R()S(θ,),将上面的方程和齐次边界条件分离变量,得 d「adR(r) AS(6,以)=0 - AR(r)=0 ae sin20 do2 和S{b=0有界 Sl=有界 u=0有界 as ao lo=0 a%lo=2r 这也是一个本征值问题,偏微分方程的本征值问题 为了求出本征值A和相应的本征函数,可以再令S(6,0)=6(0)(),进一步分离变量,就有 sing de/ne de(0) 1 d 6()=0 "+p=0, 和 6(0)有界 6()有界 中(0)=更(2x),更(0)=更(2x) 这两个常微分方程的本征值问题都已经讨论过,分别见上一节和第18讲第1节.这样,对于偏微 分方程的本征值问题来说,本征值就是 A=l(+1),=0,1,2,3 而对应于一个本征值入,有2l+1个本征函数 Sm1(6,)=PP(cosb)cosmφ,m=0,1,2,…,l, SIm2(0, o)= P(cos 0)sin mo, m= 1, 2 这些本征函数,统称为球面调和函数,或球面谐函数 本征值问题的简并度是21+1,大于常微分方程本征值问题所许可的简并度2 关于R的常微分方程,在第20讲第3节中已经讨论过.它在有界条件下的解是R(r)=r2 这样,偏微分方程定解问题的特解就是 uml(r,6,o)=rPm(c∞os) cos mg,l=0,1,2,…,m=0,1,2,…,l
Wu Chong-shi ➫➭➯➲➳ ➵ ♣ q (➸) r 5 s §21.2 P◗❘❙☛☞ ❚✕ ❯◆ Laplace ✓✔✕❱❲ý ✭✚✛❳ ❨❩❬✢❭ ❪❫ à❴❵❂❛❜❝✎✏❱ ❞Laplace ✓✔✛ ❡ ✞❢❣ ❤✐✢ ✶❥❦❋❇⑧ ❂❭▼ ➼ ① ❄ 1 r 2 ∂ ∂r r 2 ∂u ∂r + 1 r 2 sin θ ∂ ∂θ sin θ ∂u ∂θ + 1 r 2sin2 θ ∂ 2u ∂φ2 = 0, u θ=0 ⑩❶❂ u θ=π ⑩❶, u φ=0 = u φ=2π , ∂u ∂φ φ=0 = ∂u ∂φ φ=2π , u r=0 ⑩❶❂ u r=a = f(θ, φ). ✵❧ 18 ✼✽ 3 ✾ ✺ ❋♠❂ ♥ u(r, θ, φ) = R(r)S(θ, φ) ❂ ➨➢⑨✺ ✴✵✽♦ ❥♣ ❶❷❸✰q ✮r❂ ❱ d dr r 2 dR(r) dr − λR(r) = 0, u r=0 ⑩❶, ✽ 1 sin θ ∂ ∂θ sin θ ∂S(θ, φ) ∂θ + 1 sin2 θ ∂ 2S(θ, φ) ∂φ2 + λS(θ, φ) = 0, S θ=0 ⑩❶❂ S θ=π ⑩❶, S φ=0 = S φ=2π , ∂S ∂φ φ=0 = ∂S ∂φ φ=2π . ❏❇ ❄❀✘❺❻❼➼① ❂ st✉✈✇❮①②③④⑤ ✢ ■➑➈ ❹❺❻❼ λ ✽⑥➶✺ ❺❻❽❵ ❂ ◆❍✈♥ S(θ, φ) = Θ(θ)Φ(φ) ❂ ❊ ❀❋ ✰q ✮r❂❯ ⑩ 1 sin θ d dθ sin θ dΘ(θ) dθ + λ − µ sin2 θ Θ(θ) = 0, Θ(0) ⑩❶❂ Θ(π) ⑩❶ ✽ Φ 00 + µΦ = 0, Φ(0) = Φ(2π), Φ 0 (0) = Φ 0 (2π). ❏⑦ ✘ ➦ ❤ ✰ ✴✵✺ ❺❻❼➼① ❃ ⑧⑨➤➥❣ ❂ ✰⑩❶➢ ❀✾ ✽ ✽ 18 ✼✽ 1 ✾✢❏ ❁❂➄ ②❷ ❤ ✰ ✴✵✺ ❺❻❼➼① ❂ ❑ ❂❺❻❼❯❄ λl = l(l + 1), l = 0, 1, 2, 3, · · · , ❅ ➄ ➶② ❀✘❺❻❼ λl ❂ ⑩ 2l + 1 ✘❺❻❽❵ Slm1(θ, φ) = Pm l (cos θ) cos mφ, m = 0, 1, 2, · · · , l, Slm2(θ, φ) = Pm l (cos θ) sin mφ, m = 1, 2, · · · , l. ❏❸ ❺❻❽❵ ❂❹ ➺■ ❺❻❼❽ÐÑ ❂ ❈ ❺❻❾ÐÑ ✢ ❺❻❼➼①✺❿✎➀❄ 2l + 1 ❂➁ ②➦ ❤ ✰ ✴✵❺❻❼➼①●➂◆✺❿✎➀ 2 ✢ ➃② R ✺➦ ❤ ✰ ✴✵❂✶ ✽ 20 ✼✽ 3 ✾ ⑦ ⑧⑨➤➥❣✢ ➅ ✶⑩❶❷❸⑧✺▼❄ Rl(r) = r l ✢ ❏ ❁❂❷ ❤ ✰ ✴✵❭▼ ➼ ①✺➄▼ ❯❄ ulm1(r, θ, φ) = r lP m l (cos θ) cos mφ, l = 0, 1, 2, · · · , m = 0, 1, 2, · · · , l
§21.2球面调和函数 第6页 um2(r,6,a)=rPm(cos)sinm,l=0,1,2,…,m=1,2,…,l 而一般解则为 u(r, 8, o) rPr(cosθ)[ AIm cos m+B1 sIn可 l=0m=0 综合19讲第4节和本讲第1节的讨论,可以看出,l或m不同的球面调和函数在整个4丌立 体角上是彼此正交的, Pl(cos 0)Pk(cos 0)sin e de cos n k,m≠n, Pr(oP(ond) sin mosin no do=0、1≠k、m≠n Pi(cos 0)Pk(cos 0)sin e de/ cos mo sin no do=0,If k, m+ 同样,还可以写出球面调和函数的模方 Pm(cos 0)] sin ede/cos -modo =(+m)! 2T_(1+8mo) [Pm(cos 0)] sin 0de/sin'modos (+m)2x 在物理上常用的是另一种形式的球面调和函数 第一,是将本征值问题 4+p=0, p0)=(2n),\(0)=型(2n) 的解在形式上写成 本征值 Am m 本征函数m(d)=e 这样,对应于一个本征值A=l(1+1),l=0,1,2,3,…,偏微分方程本征值问题的本征函数就是 Sm(0,0)=Pl(cos)em,m=0,±1,±2 这样定义的球面调和函数,其正交关系和模方可以写成更简单的形式 SIm(8, o)Sk,(0, )sin dedo (+|ml)!4π (l-|m)2 由于现在的本征函数是复函数,所以在正交关糸和模方的公式中,要把其中的一个本 函数取复共轭.其直接原因是为了保证本征函数的模方恒为正值
Wu Chong-shi §21.2 ➵➅➆➇♣q r 6 s ✽ ulm2(r, θ, φ) = r lP m l (cos θ) sin mφ, l = 0, 1, 2, · · · , m = 1, 2, · · · , l. ❅ ❀➉▼ ❉ ■ u(r, θ, φ) = X∞ l=0 X l m=0 r lP m l (cos θ) [Alm cos mφ + Blm sin mφ] . ➈➉ 19 ✼✽ 4 ✾ ✽ ❺✼✽ 1 ✾ ✺➤➥❂ ◆❍➊ ❹❂ l ➋ m ❐➮❮❺❻❼❽ÐÑ➀➌➍ 4π ➎ ➏➐Ô➑➒➓ÕÖ❮ ❂ Z π 0 P m l (cos θ)Pn k (cos θ) sin θ dθ Z 2π 0 cos mφ cos nφ dφ = 0, l 6= k, m 6= n, Z π 0 P m l (cos θ)Pn k (cos θ) sin θ dθ Z 2π 0 sin mφ sin nφ dφ = 0, l 6= k, m 6= n, Z π 0 P m l (cos θ)Pn k (cos θ) sin θ dθ Z 2π 0 cos mφ sin nφ dφ = 0, l 6= k, m 6= n. ➔ ❁❂➐◆❍❖❹ ❺❻❼❽ÐÑ❮→ ✈ Z π 0 P m l (cos θ) 2 sin θdθ Z 2π 0 cos2mφ dφ = (l + m)! (l − m)! 2π 2l + 1 (1 + δm0), Z π 0 P m l (cos θ) 2 sin θdθ Z 2π 0 sin2mφ dφ = (l + m)! (l − m)! 2π 2l + 1 . ✶➣↔➢➦❴✺ ❄ ✪ ❀✰ ◗❘✺❥⑨↕✽ ❽ ❵✢ F ✽❀❂❄➨ ❺❻❼➼① Φ 00 + µΦ = 0, Φ(0) = Φ(2π), Φ 0 (0) = Φ 0 (2π). ✺▼✶◗❘➢❖P ❺❻❼ µm = m2 , m = 0, ±1, ±2, ±3 · · ·, ❺❻❽❵ Φm(φ) = eimφ . ❏ ❁❂➄ ➶② ❀✘❺❻❼ λl = l(l + 1) ❂ l = 0, 1, 2, 3, · · · ❂ ❷ ❤ ✰ ✴✵❺❻❼➼①✺ ❺❻❽❵ ❯❄ Slm(θ, φ) = P|m| l (cos θ)eimφ, m = 0, ±1, ±2, · · ·, ±l. ❏ ❁❭✍ ✺❥⑨↕✽ ❽ ❵ ❂ ⑥ ❈➴➃❇✽ ✶✴ ◆❍❖P➙❿➛✺◗❘❂ Z π 0 Z 2π 0 Slm(θ, φ)S ∗ kn(θ, φ) sin θdθdφ= (l + |m|)! (l − |m|)! 4π 2l + 1 δlkδmn. ▲Ü❚✕✛✌ûìä ✤➜ìä ❂➝ ó✕éê ✬✭✩➞✓✛➟ ✝ ë ❂➠➡➢ ë✛✁✌ û ìä➤ ➜➥➦✢ ➢➧➨● å✤❭ ❪➩ ù ✌ûìä✛ ➞✓➫ ❭é❣✢
第二十一讲球函数 第7页 ★第二,通常更是采用归一化的球面调和函数.例如 Y(6,) (-|m)l!2+1 V(+|mI):47 PImI(cos O)emg m=0,±1,±2,…,±l 这时就有正交归一关系 Yi(e, oYk(e, o )sin dedo= SukSmn 应当注意的是,在不同的文献中,Ym(,以)常常冇不同的定义·在使用时需要认真核 YT(θ,以)定义中的绝对值符号也可以去掉,这是因为 (+m)
Wu Chong-shi ➫➭➯➲➳ ➵ ♣ q (➸) r 7 s F ✽➭❂ ❢➦➙ ❄➯ ❴❜❀➲ ✺❥⑨↕✽ ❽ ❵✢➳➵❂ Y m l (θ, φ) =s (l − |m|)! (l + |m|)! 2l + 1 4π P |m| l (cos θ)eimφ , m = 0, ±1, ±2, · · ·, ±l. ❏❩❯ ⑩ ❈➴❜ ❀ ➃❇ Z π 0 Z 2π 0 Y m l (θ, φ)Yn∗ k (θ, φ) sin θdθdφ = δlkδmn. ÷ ➸ÙÚ✛ ✤❂✕❛ ñ✛➺➻ ë ❂ Ym l (θ, φ) ➼➼✖❛ ñ✛ à➽✢✕➾ø➚➪➠➶➹➘ Û✢ Ym l (θ, φ) à➽ ë✛➴Û❣➷➬➮ò ó➱✃❂ × ✤ å ❭ P −m l (x) = (−) m (l − m)! (l + m)!P m l (x)