یک نتیجه ریاضی با علاقه و استفاده قابل توجه، قضیه جمع برای هارمونیک های کروی نامیده می شود. دو بردار r و r' با مختصات کروی داده می شودو
، به ترتیب، زاویه
بین آنها توسط رابطه داده می شود
که در آن نقش توابع مثلثاتی که در سمت راست ظاهر می شوند توسط هارمونیک های کروی و نقش سمت چپ توسط چند جمله ای های لژاندر ایفا می شود .
قضیه جمع بیان می کند [17]
( 1 )
که در آن P چند جمله ای لژاندر درجه است . این عبارت برای هر دو هارمونیک حقیقی و مختلط معتبر است. [18] نتیجه را می توان به صورت تحلیلی، با استفاده از خواص هسته پواسون در توپ واحد، یا به صورت هندسی با اعمال چرخش بر روی بردار y به طوری که در امتداد محور z قرار گیرد ، و سپس محاسبه مستقیم سمت راست اثبات کرد. سمت. [19]
به ویژه، زمانی که x = y ، قضیه آنسلد را به دست میدهد [20]
که اتحاد cos 2 θ + sin 2 θ = 1 را به دو بعد تعمیم می دهد.
در بسط ( 1 )، سمت چپ مضرب ثابت درجه هارمونیک کروی ناحیه ای است . از این منظر، تعمیم زیر به ابعاد بالاتر وجود دارد. فرض کنید Y j یک مبنای متعامد دلخواه فضای H از هارمونیک های کروی درجه روی کره n باشد . سپس
، درجه هارمونیک ناحیه ای مربوط به بردار واحد x ، به صورت [21] تجزیه می شود.
( 2 )
علاوه بر این، هارمونیک ناحیه ایبه عنوان مضرب ثابت چند جمله ای جیگنبوئر مناسب داده می شود :
( 3 )
با ترکیب ( 2 ) و ( 3 ) زمانی که x و y در مختصات کروی نمایش داده می شوند، ( 1 ) در بعد n = 2 به دست می آید. در نهایت، ارزیابی در x = y اتحاد عملکردی را می دهد
که در آن ω n -1 حجم ( n -1) -کره است.
اتحاد مفید دیگر حاصل ضرب دو هارمونیک کروی را به صورت مجموع بر هارمونیک های کروی بیان می کند [22]
بسیاری از اصطلاحات در این مجموع به طور پیش پا افتاده صفر هستند. ارزش هایو
که منجر به عبارات غیر صفر در این مجموع می شود توسط قوانین انتخاب برای نمادهای 3j تعیین می شود .
نوشتار اصلی: ضرایب کلبش–گوردان
ضرایب کلبش-گوردان ضرایبی هستند که در بسط حاصلضرب دو هارمونیک کروی بر حسب خود هارمونیک کروی ظاهر می شوند. تکنیکهای مختلفی برای انجام محاسبات مشابه در دسترس هستند، از جمله نماد وینگر 3-jm ، ضرایب رکا و انتگرالهای اسلاتر . به طور انتزاعی، ضرایب کلبش-گوردان حاصل ضرب تانسور دو نمایش غیرقابل تقلیل گروه چرخش را به عنوان مجموع نمایشهای تقلیلناپذیر بیان میکنند: به طور مناسب نرمال شده، ضرایب پس از آن چند برابر هستند.
![]()
نمایش شماتیک ازروی واحد کره و خطوط گره ای آن.
برابر است با 0 در امتداد دایره های بزرگی که از قطب ها می گذرند و در امتداد دایره های − m با عرض جغرافیایی مساوی. تابع هر بار که از یکی از این خطوط عبور می کند علامت تغییر می دهد.
![]()
نمودار رنگی سه بعدی هارمونیک های کروی درجه n = 5 . توجه داشته باشید که n = .
هارمونیک های کروی لاپلاسمی توان با در نظر گرفتن " خطوط گره " آنها، یعنی مجموعه نقاط روی کره ای که در آن قرار دارد، تجسم کرد
، یا به جای آن که
. خطوط گره ای از
از دایره های تشکیل شده اند: | وجود دارد m | دایره ها در طول طول و −| m | دایره ها در طول عرض های جغرافیایی می توان تعداد خطوط گرهی هر نوع را با شمارش تعداد صفرهای آن تعیین کرد
در
و
جهت ها به ترتیب. با توجه به
به عنوان تابعی از
مولفه های حقیقی و خیالی چند جمله ای های لژاندر مرتبط هر کدام دارای −| m | صفرها که هر کدام یک "خط عرض جغرافیایی" گرهی ایجاد می کنند. از سوی دیگر با توجه به
به عنوان تابعی از
، توابع sin و cos مثلثاتی دارای 2| m | صفرها، که هر کدام یک "خط طول جغرافیایی" گرهی ایجاد می کنند.
وقتی مرتبه هارمونیک کروی m صفر باشد (بالا سمت چپ در شکل)، توابع هارمونیک کروی به طول جغرافیایی بستگی ندارند و به آنها منطقه ای می گویند . چنین هارمونیک های کروی مورد خاصی از توابع کروی ناحیه ای هستند . وقتی = | m | (پایین-راست در شکل)، هیچ تقاطع صفر در عرض جغرافیایی وجود ندارد، و توابع به عنوان بخش نامیده می شوند . برای موارد دیگر، توابع کره را بررسی میکنند و به آنها تسرال میگویند .
هارمونیکهای کروی عمومیتر درجه لزوماً آنهایی نیستند که بر اساس لاپلاس هستند، و مجموعه گره های آنها می تواند از نوع نسبتاً کلی باشد. [23]
مقاله اصلی: جدول هارمونیک های کروی
عبارات تحلیلی برای اولین هارمونیک های کروی لاپلاس متعارف:که از قرارداد فاز کاندون-شورتلی استفاده می کنند:
هارمونیک های کروی کلاسیک به عنوان توابع با مقادیر مختلط در کره واحد تعریف می شونداس2در فضای سه بعدی اقلیدسی
. هارمونیک های کروی را می توان به فضای اقلیدسی با ابعاد بالاتر تعمیم دادآر
به شرح زیر منجر به توابع می شود
. [24] اجازه دهید P فضای چندجملهای همگن با مقدار مختلط درجه را در n متغیر حقیقی نشان دهد که در اینجا به عنوان تابع در نظر گرفته میشود.
. یعنی یک p چند جمله ای در P است به شرطی که برای هر حقیقی باشد
، یک نفر دارد
.
فرض کنید A فضای فرعی P متشکل از همه چند جمله ای هارمونیک را نشان می دهد :
این هارمونیک های کروی جامد (منظم) هستند . اجازه دهید H نشان دهنده فضای توابع در کره واحد باشد
با محدودیت از A به دست می آید
خواص زیر برقرار است:
یک مبنای متعامد هارمونیک های کروی در ابعاد بالاتر را می توان به صورت استقرایی با روش جداسازی متغیرها ، با حل مسئله استورم-لیویل برای لاپلاسین کروی ساخت.
که در آن φ مختصات محوری در یک سیستم مختصات کروی در Sn - 1 است . نتیجه نهایی چنین رویه ای [26] است.
جایی که شاخص ها راضی کننده | 1 | ≤ 2 ≤ ⋯ ≤ n -1 و مقدار ویژه - n -1 ( n -1 + n -2) است . عملکردهای موجود در ضرب بر حسب تابع لژاندر تعریف می شوند
فضای H هارمونیک های کروی درجه نمایشی از گروه تقارن چرخش ها حول یک نقطه ( SO(3) ) و SU(2) پوشش دوگانه آن است . در واقع، چرخش ها بر روی کره دو بعدی ، و در نتیجه بر روی H نیز با ترکیب تابع عمل می کنند.
برای ψ یک هارمونیک کروی و ρ یک چرخش. نمایش H نمایشی غیر قابل تقلیل از SO(3) است . [27]
عناصر H به عنوان محدودیت های کره عناصر A بوجود می آیند : چند جمله ای هارمونیک همگن درجه در فضای سه بعدی اقلیدسی R 3 . با قطبش ψ ∈ A ، ضرایبی وجود داردمتقارن بر روی شاخص ها، به طور منحصر به فرد توسط نیاز تعیین می شود
شرطی که ψ هارمونیک باشد معادل این ادعا است که تانسور من1…مندر هر جفت شاخص باید بدون ردیابی باشد. بنابراین به عنوان یک نمایش غیرقابل تقلیل SO(3) ، H نسبت به فضای تانسورهای متقارن بی اثر درجه هم شکل است .
به طور کلی تر، گزاره های مشابه در ابعاد بالاتر وجود دارند: فضای H هارمونیک های کروی روی n- کره نمایش غیرقابل تقلیل SO( n +1) مربوط به تانسورهای متقارن بدون ردیابی است . با این حال، در حالی که هر نمایش تانسور تقلیلناپذیر SO(2) و SO(3) از این نوع است، گروههای متعامد ویژه در ابعاد بالاتر دارای نمایشهای غیر قابل تقلیل اضافی هستند که به این شکل ایجاد نمیشوند.
گروههای متعامد خاص دارای نمایشهای اسپین اضافی هستند که نمایشهای تانسوری نیستند و معمولاً هارمونیکهای کروی نیستند. یک استثنا، نمایش اسپین SO(3) است: به طور دقیق، اینها نمایشهایی از پوشش دوتایی SU(2) SO(3) هستند. به نوبه خود، SU(2) با گروه کواترنیون های واحد شناسایی می شود و بنابراین با کره 3 منطبق است . فضاهای هارمونیک های کروی روی 3 کره، با توجه به عمل ضرب چهارتایی، نمایش اسپین خاصی از SO(3) هستند.
هارمونیک های کروی را می توان به دو مجموعه از توابع تقسیم کرد. [28] یکی توابع نیمکره ای (HSH)، متعامد و کامل روی نیمکره است. دیگری هارمونیک های نیمکره مکمل (CHSH) است.
تقارن حفظ زاویه دو کره توسط گروه تبدیل موبیوس PSL (2, C ) توصیف شده است. با توجه به این گروه، کره معادل کره معمولی ریمان است . گروه PSL(2, C ) هم شکل با گروه (مناسب) لورنتس است و عمل آن بر روی دو کره با عمل گروه لورنتس بر روی کره آسمانی در فضای مینکوفسکی مطابقت دارد . آنالوگ هارمونیک های کروی برای گروه لورنتس توسط سری هایپرهندسی داده شده است . علاوه بر این، هارمونیکهای کروی را میتوان بر حسب سری فراهندسی دوباره بیان کرد، زیرا SO(3) = PSU(2) زیرگروهی از PSL(2, C ) است .
به طور کلی تر، سری های فراهندسی را می توان برای توصیف تقارن های هر فضای متقارن تعمیم داد . به طور خاص، سری های فرا هندسی را می توان برای هر گروه Lie توسعه داد . [29] [30] [31] [32]
![]()
در ویکیانبار رسانههای مربوط به هارمونیکهای کروی وجود دارد .
https://en.wikipedia.org/wiki/Spherical_harmonics
برچسب:
نویسنده: هستی حیدریان