基本定义
在三维空间里,一个点 P 的双球坐标
(
σ
,
τ
,
ϕ
)
{\displaystyle (\sigma ,\ \tau ,\ \phi )}
最常见的定义是
x
=
a
sin
σ
cosh
τ
−
cos
σ
cos
ϕ
{\displaystyle x=a\ {\frac {\sin \sigma }{\cosh \tau -\cos \sigma }}\cos \phi }
、
y
=
a
sin
σ
cosh
τ
−
cos
σ
sin
ϕ
{\displaystyle y=a\ {\frac {\sin \sigma }{\cosh \tau -\cos \sigma }}\sin \phi }
、
z
=
a
sinh
τ
cosh
τ
−
cos
σ
{\displaystyle z=a\ {\frac {\sinh \tau }{\cosh \tau -\cos \sigma }}}
;
其中,
(
x
,
y
,
z
)
{\displaystyle (x,\ y,\ z)}
是直角坐标 ,
σ
{\displaystyle \sigma }
坐标是
∠
F
1
P
F
2
{\displaystyle \angle F_{1}PF_{2}}
的弧度 ,
τ
{\displaystyle \tau }
坐标是点 P 离两个焦点的距离
d
1
{\displaystyle d_{1}}
与
d
2
{\displaystyle d_{2}}
的比例的自然对数 :
τ
=
ln
d
1
d
2
{\displaystyle \tau =\ln {\frac {d_{1}}{d_{2}}}}
。
坐标曲面
每一个红色的
σ
{\displaystyle \sigma }
-坐标曲面 都是包含了两个焦点
F
1
{\displaystyle F_{1}}
与
F
2
{\displaystyle F_{2}}
环面。,每一个环面的环心圆都不相同。这些环心圆都包含于 xy-平面。环小半径为
z
2
+
(
x
2
+
y
2
−
a
cot
σ
)
2
=
a
2
sin
2
σ
{\displaystyle z^{2}+\left({\sqrt {x^{2}+y^{2}}}-a\cot \sigma \right)^{2}={\frac {a^{2}}{\sin ^{2}\sigma }}}
。
当绝对值
|
σ
|
{\displaystyle \left|\sigma \right|}
增加时,环小半径会减小,环心圆会靠近原点。当环心圆与原点同点时,
|
σ
|
{\displaystyle \left|\sigma \right|}
达到最大值
π
/
2
{\displaystyle \pi /2}
。
每一个蓝色的
τ
{\displaystyle \tau }
-坐标曲面 都是不相交的圆球面。每一个圆球面都包围著一个焦点;圆球心都包含于 z-轴。圆球半径为
x
2
+
y
2
+
(
z
−
a
coth
τ
)
2
=
a
2
sinh
2
τ
{\displaystyle x^{2}+y^{2}+(z-a\coth \tau )^{2}={\frac {a^{2}}{\sinh ^{2}\tau }}}
。
它们的圆球心都包含于 z-轴。正值
τ
{\displaystyle \tau }
的圆球面在
z
>
0
{\displaystyle z>0}
半空间;而负值
τ
{\displaystyle \tau }
的圆球面在
z
<
0
{\displaystyle z<0}
半空间。
τ
=
0
{\displaystyle \tau =0}
曲线则与 xy-平面同平面。当
τ
{\displaystyle \tau }
值增加时,圆球面的半径会减少,圆球心会靠近焦点。
逆变换
图 3 )点 P 的坐标
σ
{\displaystyle \sigma }
与
τ
{\displaystyle \tau }
的几何意义。在一个方位角
ϕ
{\displaystyle \phi }
为常数的平面里,双球坐标系变成双极坐标系。
σ
{\displaystyle \sigma }
是角
∠
F
1
P
F
2
{\displaystyle \angle F_{1}PF_{2}}
的弧度。
τ
{\displaystyle \tau }
是点 P 离两个焦点的距离
d
1
{\displaystyle d_{1}}
与
d
2
{\displaystyle d_{2}}
的比例的自然对数 。
σ
{\displaystyle \sigma }
与
τ
{\displaystyle \tau }
的等值曲线都是圆圈,分别以红色与蓝色表示。两条等值曲线以直角相交(表示在洋红色的方盒里)。
双球坐标
(
σ
,
τ
,
ϕ
)
{\displaystyle (\sigma ,\ \tau ,\ \phi )}
可以用直角坐标
(
x
,
y
,
z
)
{\displaystyle (x,\ y,\ z)}
来表示。方位角
ϕ
{\displaystyle \phi }
的公式为
tan
ϕ
=
y
x
{\displaystyle \tan \phi ={\frac {y}{x}}}
。
点 P 与两个焦点之间的距离是
d
1
2
=
x
2
+
y
2
+
(
z
+
a
)
2
{\displaystyle d_{1}^{2}=x^{2}+y^{2}+(z+a)^{2}}
、
d
2
2
=
x
2
+
y
2
+
(
z
−
a
)
2
{\displaystyle d_{2}^{2}=x^{2}+y^{2}+(z-a)^{2}}
。
τ
{\displaystyle \tau }
是
d
1
{\displaystyle d_{1}}
与
d
2
{\displaystyle d_{2}}
的比例的自然对数 :
τ
=
ln
d
1
d
2
{\displaystyle \tau =\ln {\frac {d_{1}}{d_{2}}}}
。
如图 3 ,
∠
F
1
P
F
2
{\displaystyle \angle F_{1}PF_{2}}
是两条从点 P 到两个焦点的线段 之间的夹角。这夹角的弧度是
σ
{\displaystyle \sigma }
。用馀弦定理 来计算:
cos
σ
=
d
1
2
+
d
2
2
−
4
a
2
2
d
1
d
2
{\displaystyle \cos \sigma ={\frac {d_{1}^{2}+d_{2}^{2}-4a^{2}}{2d_{1}d_{2}}}}
。
标度因子
双球坐标
σ
{\displaystyle \sigma }
与
τ
{\displaystyle \tau }
的标度因子相等:
h
σ
=
h
τ
=
a
cosh
τ
−
cos
σ
{\displaystyle h_{\sigma }=h_{\tau }={\frac {a}{\cosh \tau -\cos \sigma }}}
。
方位角的标度因子为
h
ϕ
=
a
sin
σ
cosh
τ
−
cos
σ
{\displaystyle h_{\phi }={\frac {a\sin \sigma }{\cosh \tau -\cos \sigma }}}
。
无穷小体积元素是
d
V
=
a
3
sin
σ
(
cosh
τ
−
cos
σ
)
3
d
σ
d
τ
d
ϕ
{\displaystyle dV={\frac {a^{3}\sin \sigma }{(\cosh \tau -\cos \sigma )^{3}}}d\sigma d\tau d\phi }
。
拉普拉斯算子 是
∇
2
Φ
=
(
cosh
τ
−
cos
σ
)
3
a
2
sin
σ
[
∂
∂
σ
(
sin
σ
cosh
τ
−
cos
σ
∂
Φ
∂
σ
)
+
sin
σ
∂
∂
τ
(
1
cosh
τ
−
cos
σ
∂
Φ
∂
τ
)
+
1
sin
σ
(
cosh
τ
−
cos
σ
)
∂
2
Φ
∂
ϕ
2
]
{\displaystyle \nabla ^{2}\Phi ={\frac {\left(\cosh \tau -\cos \sigma \right)^{3}}{a^{2}\sin \sigma }}\left[{\frac {\partial }{\partial \sigma }}\left({\frac {\sin \sigma }{\cosh \tau -\cos \sigma }}{\frac {\partial \Phi }{\partial \sigma }}\right)+\sin \sigma {\frac {\partial }{\partial \tau }}\left({\frac {1}{\cosh \tau -\cos \sigma }}{\frac {\partial \Phi }{\partial \tau }}\right)+{\frac {1}{\sin \sigma \left(\cosh \tau -\cos \sigma \right)}}{\frac {\partial ^{2}\Phi }{\partial \phi ^{2}}}\right]}
。
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)}
坐标表示,只要将标度因子代入在正交坐标系 条目内对应的一般公式。
应用
参阅
参考目录
Morse PM, Feshbach H. Methods of Theoretical Physics, Part I. New York: McGraw-Hill. 1953: p. 665–666.
Korn GA, Korn TM. Mathematical Handbook for Scientists and Engineers. New York: McGraw-Hill. 1961: p. 182.
Zwillinger D. Handbook of Integration. Boston, MA: Jones and Bartlett. 1992: p. 113. ISBN 0-86720-293-9 .
Moon PH, Spencer DE. Toroidal Coordinates (η, θ, ψ). Field Theory Handbook, Including Coordinate Systems, Differential Equations, and Their Solutions 2nd ed., 3rd revised printing. New York: Springer Verlag. 1988: pp. 110–112 (Section IV, E4Ry). ISBN 0-387-02732-7 .