E. Уравнение Лежандра

При решении уравнения для геометрии в сферических координатах возникает следующее уравнение для полярного угла

ddz((1−z2)⋅dΘ(z)dz)\displaystyle \frac{\displaystyle d}{\displaystyle dz} \left( (1 - z^2) \cdot \frac{\displaystyle d \Theta(z)}{\displaystyle dz} \right)​+[γ12−m21−z2]⋅Θ(z)\displaystyle {} + \left[ \gamma_1^2 - \frac{\displaystyle m^2}{\displaystyle 1 - z^2} \right] \cdot \Theta(z)​=0,\displaystyle {} = 0,​−1\displaystyle {} -1​<z\displaystyle {} < z​<1,\displaystyle {} < 1,
(E.1)

где Θ(z)\Theta(z) — искомая функция, mm — целое неотрицательное число, γ12\gamma_1^2 — константа разделения переменных. Раскроем производную в первом члене

(1−z2)⋅d2Θ(z)dz2\displaystyle (1 - z^2) \cdot \frac{\displaystyle d^2 \Theta(z)}{\displaystyle dz^2}​−2⋅z⋅dΘ(z)dz\displaystyle {} - 2 \cdot z \cdot \frac{\displaystyle d \Theta(z)}{\displaystyle dz}​+[γ12−m21−z2]⋅Θ(z)\displaystyle {} + \left[ \gamma_1^2 - \frac{\displaystyle m^2}{\displaystyle 1 - z^2} \right] \cdot \Theta(z)​=0.\displaystyle {} = 0.

Заметим, что при mm​=0{} = 0 уравнение принимает вид уравнения Лежандра

(1−z2)⋅d2Θ(z)dz2\displaystyle (1 - z^2) \cdot \frac{\displaystyle d^2 \Theta(z)}{\displaystyle dz^2}​−2⋅z⋅dΘ(z)dz\displaystyle {} - 2 \cdot z \cdot \frac{\displaystyle d \Theta(z)}{\displaystyle dz}​+γ12⋅Θ(z)\displaystyle {} + \gamma_1^2 \cdot \Theta(z)​=0,\displaystyle {} = 0,​−1\displaystyle {} -1​<z\displaystyle {} < z​<1.\displaystyle {} < 1.

Это уравнение имеет ограниченные на интервале −1{} -1​<z{} < z​<1{} < 1 решения только при собственных значениях γ1k2\gamma_{1k}^2​=k⋅(k+1){} = k \cdot (k + 1), kk​∈(0..∞){} \in (0..\infty); эти решения задаются формулой Родрига

Θk(z)\displaystyle \Theta_k(z) =Pk(z)\displaystyle {} = P_k(z)​=12k⋅k!⋅dkdzk(z2−1)k,\displaystyle {} = \frac{\displaystyle 1}{\displaystyle 2^k \cdot k!} \cdot \frac{\displaystyle d^k}{\displaystyle dz^k} \left(z^2 - 1\right)^k,
(E.2)

где Pk(z)P_k(z) — полиномы Лежандра. Будем искать решения уравнения (E.1) при тех же собственных значениях γ1k2\gamma_{1k}^2​=k⋅(k+1){} = k \cdot (k + 1) — тогда оно запишется в виде

(1−z2)⋅d2Θkm(z)dz2\displaystyle (1 - z^2) \cdot \frac{\displaystyle d^2 \Theta_{km}(z)}{\displaystyle dz^2}​−2⋅z⋅dΘkm(z)dz\displaystyle {} - 2 \cdot z \cdot \frac{\displaystyle d \Theta_{km}(z)}{\displaystyle dz}​+[k⋅(k+1)−m21−z2]\displaystyle {} + \left[ k \cdot (k + 1) - \frac{\displaystyle m^2}{\displaystyle 1 - z^2} \right]​⋅Θkm(z)\displaystyle {} \cdot \Theta_{km}(z)​=0,\displaystyle {} = 0,​k\displaystyle k​∈(0..∞).\displaystyle {} \in (0..\infty).
(E.3)

Сделаем подстановку Θkm(z)\Theta_{km}(z)​=(1−z2)m2⋅Θ^km(z){} = \left( 1 - z^2 \right)^{\frac{\displaystyle m}{\displaystyle 2}} \cdot \widehat{\Theta}_{km}(z) в уравнение (E.3). Первая производная примет вид

ddz[(1−z2)m2⋅Θ^km(z)]\displaystyle \frac{\displaystyle d}{\displaystyle dz} \left[ (1 - z^2)^{\frac{\displaystyle m}{\displaystyle 2}} \cdot \widehat{\Theta}_{km}(z) \right] =(1−z2)m2⋅dΘ^km(z)dz\displaystyle {} = (1 - z^2)^{\frac{\displaystyle m}{\displaystyle 2}} \cdot \frac{\displaystyle d \widehat{\Theta}_{km}(z)}{\displaystyle dz}​−m\displaystyle {} - m​⋅z\displaystyle {} \cdot z​⋅(1−z2)m2−1\displaystyle {} \cdot (1 - z^2)^{\frac{\displaystyle m}{\displaystyle 2} - 1}​⋅Θ^km(z).\displaystyle {} \cdot \widehat{\Theta}_{km}(z).

Для вычисления второй производной предварительно вычислим

ddz[z1−z2]\displaystyle \frac{\displaystyle d}{\displaystyle dz} \left[ \frac{\displaystyle z}{\displaystyle 1 - z^2} \right] =11−z2\displaystyle {} = \frac{\displaystyle 1}{\displaystyle 1 - z^2}​+2⋅z2(1−z2)2\displaystyle {} + \frac{\displaystyle 2 \cdot z^2}{\displaystyle (1 - z^2)^2}​=1+z2(1−z2)2.\displaystyle {} = \frac{\displaystyle 1 + z^2}{\displaystyle (1 - z^2)^2}.

Тогда вторая производная запишется в виде

d2dz2[(1−z2)m2⋅Θ^km(z)]\displaystyle \frac{\displaystyle d^2}{\displaystyle dz^2} \left[ (1 - z^2)^{\frac{\displaystyle m}{\displaystyle 2}} \cdot \widehat{\Theta}_{km}(z) \right] =(1−z2)m2\displaystyle {} = (1 - z^2)^{\frac{\displaystyle m}{\displaystyle 2}}​⋅d2Θ^km(z)dz2\displaystyle {} \cdot \frac{\displaystyle d^2 \widehat{\Theta}_{km}(z)}{\displaystyle dz^2}​−m\displaystyle {} - m​⋅z\displaystyle {} \cdot z​⋅(1−z2)m2−1\displaystyle {} \cdot (1 - z^2)^{\frac{\displaystyle m}{\displaystyle 2} - 1}​⋅dΘ^km(z)dz\displaystyle {} \cdot \frac{\displaystyle d \widehat{\Theta}_{km}(z)}{\displaystyle dz}​−m⋅z1−z2⋅[(1−z2)m2⋅dΘ^km(z)dz\displaystyle {} - m \cdot \frac{\displaystyle z}{\displaystyle 1 - z^2} \cdot \biggl[ (1 - z^2)^{\frac{\displaystyle m}{\displaystyle 2}} \cdot \frac{\displaystyle d \widehat{\Theta}_{km}(z)}{\displaystyle dz}​−m⋅z⋅(1−z2)m2−1⋅Θ^km(z)]\displaystyle {} - m \cdot z \cdot (1 - z^2)^{\frac{\displaystyle m}{\displaystyle 2} - 1} \cdot \widehat{\Theta}_{km}(z) \biggr]​−m\displaystyle {} - m​⋅1+z2(1−z2)2\displaystyle {} \cdot \frac{\displaystyle 1 + z^2}{\displaystyle (1 - z^2)^2}​⋅(1−z2)m2\displaystyle {} \cdot (1 - z^2)^{\frac{\displaystyle m}{\displaystyle 2}}​⋅Θ^km(z).\displaystyle {} \cdot \widehat{\Theta}_{km}(z).

После приведения подобных слагаемых она примет вид

d2dz2[(1−z2)m2⋅Θ^km(z)]\displaystyle \frac{\displaystyle d^2}{\displaystyle dz^2} \left[ (1 - z^2)^{\frac{\displaystyle m}{\displaystyle 2}} \cdot \widehat{\Theta}_{km}(z) \right] =(1−z2)m2\displaystyle {} = (1 - z^2)^{\frac{\displaystyle m}{\displaystyle 2}}​⋅d2Θ^km(z)dz2\displaystyle {} \cdot \frac{\displaystyle d^2 \widehat{\Theta}_{km}(z)}{\displaystyle dz^2}​−2⋅m⋅z1−z2\displaystyle {} - \frac{\displaystyle 2 \cdot m \cdot z}{\displaystyle 1 - z^2}​⋅(1−z2)m2\displaystyle {} \cdot (1 - z^2)^{\frac{\displaystyle m}{\displaystyle 2}}​⋅dΘ^km(z)dz\displaystyle {} \cdot \frac{\displaystyle d \widehat{\Theta}_{km}(z)}{\displaystyle dz}​+m\displaystyle {} + m​⋅m⋅z2−1−z2(1−z2)2\displaystyle {} \cdot \frac{\displaystyle m \cdot z^2 - 1 - z^2}{\displaystyle (1 - z^2)^2}​⋅(1−z2)m2\displaystyle {} \cdot (1 - z^2)^{\frac{\displaystyle m}{\displaystyle 2}}​⋅Θ^km(z).\displaystyle {} \cdot \widehat{\Theta}_{km}(z).

Подставим всё в уравнение (E.3), попутно сокращая (1−z2)m2(1 - z^2)^{\frac{\displaystyle m}{\displaystyle 2}}:

(1−z2)⋅[d2Θ^km(z)dz2\displaystyle (1 - z^2) \cdot \biggl[ \frac{\displaystyle d^2 \widehat{\Theta}_{km}(z)}{\displaystyle dz^2}​−2⋅m⋅z1−z2⋅dΘ^km(z)dz\displaystyle {} - \frac{\displaystyle 2 \cdot m \cdot z}{\displaystyle 1 - z^2} \cdot \frac{\displaystyle d \widehat{\Theta}_{km}(z)}{\displaystyle dz}​+m⋅m⋅z2−1−z2(1−z2)2⋅Θ^km(z)]\displaystyle {} + m \cdot \frac{\displaystyle m \cdot z^2 - 1 - z^2}{\displaystyle (1 - z^2)^2} \cdot \widehat{\Theta}_{km}(z) \biggr]​−2⋅z⋅[dΘ^km(z)dz\displaystyle {} - 2 \cdot z \cdot \biggl[ \frac{\displaystyle d \widehat{\Theta}_{km}(z)}{\displaystyle dz}​−m⋅z1−z2⋅Θ^km(z)]\displaystyle {} - \frac{\displaystyle m \cdot z}{\displaystyle 1 - z^2} \cdot \widehat{\Theta}_{km}(z) \biggr]​+[k⋅(k+1)−m21−z2]\displaystyle {} + \left[ k \cdot (k + 1) - \frac{\displaystyle m^2}{\displaystyle 1 - z^2} \right]​⋅Θ^km(z)\displaystyle {} \cdot \widehat{\Theta}_{km}(z)​=0.\displaystyle {} = 0.

Сгруппируем коэффициенты при производных:

ζ1⋅d2Θ^km(z)dz2\displaystyle \zeta_1 \cdot \frac{\displaystyle d^2 \widehat{\Theta}_{km}(z)}{\displaystyle dz^2}​+ζ2⋅dΘ^km(z)dz\displaystyle {} + \zeta_2 \cdot \frac{\displaystyle d \widehat{\Theta}_{km}(z)}{\displaystyle dz}​+ζ3⋅Θ^km(z)\displaystyle {} + \zeta_3 \cdot \widehat{\Theta}_{km}(z)​=0,\displaystyle {} = 0,
ζ1\displaystyle \zeta_1 =1\displaystyle {} = 1​−z2,\displaystyle {} - z^2,
ζ2\displaystyle \zeta_2 =−2⋅m⋅z\displaystyle {} = -2 \cdot m \cdot z​−2⋅z\displaystyle {} - 2 \cdot z​=−2⋅(m+1)⋅z,\displaystyle {} = -2 \cdot (m + 1) \cdot z,
ζ3\displaystyle \zeta_3 =m⋅m⋅z2−1−z21−z2\displaystyle {} = m \cdot \frac{\displaystyle m \cdot z^2 - 1 - z^2}{\displaystyle 1 - z^2}​+2⋅m⋅z21−z2\displaystyle {} + \frac{\displaystyle 2 \cdot m \cdot z^2}{\displaystyle 1 - z^2}​+k⋅(k+1)\displaystyle {} + k \cdot (k + 1)​−m21−z2\displaystyle {} - \frac{\displaystyle m^2}{\displaystyle 1 - z^2}​=m2⋅z2−m−m⋅z2+2⋅m⋅z2−m21−z2\displaystyle {} = \frac{\displaystyle m^2 \cdot z^2 - m - m \cdot z^2 + 2 \cdot m \cdot z^2 - m^2}{\displaystyle 1 - z^2}​+k⋅(k+1)\displaystyle {} + k \cdot (k + 1)​=−m2⋅(1−z2)+m⋅(1−z2)1−z2\displaystyle {} = - \frac{\displaystyle m^2 \cdot (1 - z^2) + m \cdot (1 - z^2)}{\displaystyle 1 - z^2}​+k⋅(k+1)\displaystyle {} + k \cdot (k + 1)​=−m2\displaystyle {} = - m^2​−m\displaystyle {} - m​+k⋅(k+1)\displaystyle {} + k \cdot (k + 1)​=(k−m)⋅(k+m+1),\displaystyle {} = (k - m) \cdot (k + m + 1),

таким образом, после подстановки уравнение (E.3) принимает вид

(1−z2)⋅d2Θ^km(z)dz2\displaystyle (1 - z^2) \cdot \frac{\displaystyle d^2 \widehat{\Theta}_{km}(z)}{\displaystyle dz^2}​−2⋅(m+1)⋅z⋅dΘ^km(z)dz\displaystyle {} - 2 \cdot (m + 1) \cdot z \cdot \frac{\displaystyle d \widehat{\Theta}_{km}(z)}{\displaystyle dz}​+(k−m)⋅(k+m+1)⋅Θ^km(z)\displaystyle {} + (k - m) \cdot (k + m + 1) \cdot \widehat{\Theta}_{km}(z)​=0.\displaystyle {} = 0.
(E.4)

Возьмём уравнение (E.3), положим mm​=0{} = 0 и учтём, что его решением в этом случае являются полиномы Лежандра Pk(z)P_k(z) — получим следующее уравнение

(1−z2)⋅d2Pk(z)dz2\displaystyle (1 - z^2) \cdot \frac{\displaystyle d^2 P_k(z)}{\displaystyle dz^2}​−2⋅z⋅dPk(z)dz\displaystyle {} - 2 \cdot z \cdot \frac{\displaystyle d P_k(z)}{\displaystyle dz}​+k⋅(k+1)⋅Pk(z)\displaystyle {} + k \cdot (k + 1) \cdot P_k(z)​=0,\displaystyle {} = 0,
(E.5)

которое продифференцируем mm раз с помощью формулы Лейбница, определяемой следующим образом

dmdzm(u(z)⋅v(z))\displaystyle \frac{\displaystyle d^m}{\displaystyle dz^m} \left( u(z) \cdot v(z) \right) =∑i=0m(mi)\displaystyle {} = \sum_{i=0}^m \binom{m}{i}​⋅dm−idzm−iu(z)\displaystyle {} \cdot \frac{\displaystyle d^{m-i}}{\displaystyle dz^{m-i}} u(z)​⋅didziv(z),\displaystyle {} \cdot \frac{\displaystyle d^i}{\displaystyle dz^i} v(z),

где (mi)\binom{m}{i}​=m!i!⋅(m−i)!{} = \frac{\displaystyle m!}{\displaystyle i! \cdot (m - i)!} — биномиальный коэффициент.

Начнём с первого члена уравнения (E.5), приняв v(z)v(z)​=1{} = 1​−z2{} - z^2

d0dz0v\displaystyle \frac{\displaystyle d^0}{\displaystyle dz^0} v =1\displaystyle {} = 1​−z2;d1dz1v\displaystyle {} - z^2; \quad \frac{\displaystyle d^1}{\displaystyle dz^1} v​=−2⋅z;d2dz2v\displaystyle {} = -2 \cdot z; \quad \frac{\displaystyle d^2}{\displaystyle dz^2} v​=−2;didziv\displaystyle {} = -2; \quad \frac{\displaystyle d^i}{\displaystyle dz^i} v​=0,\displaystyle {} = 0,​i\displaystyle i​∈(3..∞),\displaystyle {} \in (3..\infty),

теперь примем v(z)v(z)​=−2⋅z{} = -2 \cdot z, получим

d0dz0v\displaystyle \frac{\displaystyle d^0}{\displaystyle dz^0} v =−2⋅z;d1dz1v\displaystyle {} = -2 \cdot z; \quad \frac{\displaystyle d^1}{\displaystyle dz^1} v​=−2;didziv\displaystyle {} = -2; \quad \frac{\displaystyle d^i}{\displaystyle dz^i} v​=0,\displaystyle {} = 0,​i\displaystyle i​∈(2..∞),\displaystyle {} \in (2..\infty),

для случая v(z)v(z)​=k⋅(k+1){} = k \cdot (k + 1) всё тривиально

d0dz0v\displaystyle \frac{\displaystyle d^0}{\displaystyle dz^0} v =k⋅(k+1);didziv\displaystyle {} = k \cdot (k + 1); \quad \frac{\displaystyle d^i}{\displaystyle dz^i} v​=0,\displaystyle {} = 0,​i\displaystyle i​∈(1..∞).\displaystyle {} \in (1..\infty).

Биномиальные коэффициенты соответственно равны

(m0)\displaystyle \binom{m}{0} =1;(m1)\displaystyle {} = 1; \quad \binom{m}{1}​=m;(m2)\displaystyle {} = m; \quad \binom{m}{2}​=m⋅(m−1)2.\displaystyle {} = \frac{\displaystyle m \cdot (m - 1)}{\displaystyle 2}.

Результат дифференцирования первого члена уравнения (E.5) равен

(1−z2)⋅dm+2dzm+2Pk(z)\displaystyle (1 - z^2) \cdot \frac{\displaystyle d^{m+2}}{\displaystyle dz^{m+2}} P_k(z)​−2⋅z⋅m⋅dm+1dzm+1Pk(z)\displaystyle {} - 2 \cdot z \cdot m \cdot \frac{\displaystyle d^{m+1}}{\displaystyle dz^{m+1}} P_k(z)​−m⋅(m−1)⋅dmdzmPk(z),\displaystyle {} - m \cdot (m - 1) \cdot \frac{\displaystyle d^m}{\displaystyle dz^m} P_k(z),

для второго члена

−2⋅z⋅dm+1dzm+1Pk(z)\displaystyle {} -2 \cdot z \cdot \frac{\displaystyle d^{m+1}}{\displaystyle dz^{m+1}} P_k(z)​−2⋅m⋅dmdzmPk(z),\displaystyle {} - 2 \cdot m \cdot \frac{\displaystyle d^m}{\displaystyle dz^m} P_k(z),

для третьего члена

k⋅(k+1)⋅dmdzmPk(z),k \cdot (k + 1) \cdot \frac{\displaystyle d^m}{\displaystyle dz^m} P_k(z),

сложим все три члена

(1−z2)⋅dm+2dzm+2Pk(z)\displaystyle (1 - z^2) \cdot \frac{\displaystyle d^{m+2}}{\displaystyle dz^{m+2}} P_k(z)​−2\displaystyle {} - 2​⋅(m+1)\displaystyle {} \cdot (m + 1)​⋅z\displaystyle {} \cdot z​⋅dm+1dzm+1Pk(z)\displaystyle {} \cdot \frac{\displaystyle d^{m+1}}{\displaystyle dz^{m+1}} P_k(z)​+(k−m)\displaystyle {} + (k-m)​⋅(k+m+1)\displaystyle {} \cdot (k + m + 1)​⋅dmdzmPk(z).\displaystyle {} \cdot \frac{\displaystyle d^m}{\displaystyle dz^m} P_k(z).

Левая часть уравнения (E.5) тождественно равна нулю, поэтому равна нулю и её mm-кратная производная:

(1−z2)⋅dm+2dzm+2Pk(z)\displaystyle (1 - z^2) \cdot \frac{\displaystyle d^{m+2}}{\displaystyle dz^{m+2}} P_k(z)​−2\displaystyle {} - 2​⋅(m+1)\displaystyle {} \cdot (m + 1)​⋅z\displaystyle {} \cdot z​⋅dm+1dzm+1Pk(z)\displaystyle {} \cdot \frac{\displaystyle d^{m+1}}{\displaystyle dz^{m+1}} P_k(z)​+(k−m)\displaystyle {} + (k-m)​⋅(k+m+1)\displaystyle {} \cdot (k + m + 1)​⋅dmdzmPk(z)\displaystyle {} \cdot \frac{\displaystyle d^m}{\displaystyle dz^m} P_k(z)​=0.\displaystyle {} = 0.

Полученное уравнение совпадает с уравнением (E.4), откуда Θ^km(z)\widehat{\Theta}_{km}(z)​=dmdzmPk(z){} = \frac{\displaystyle d^m}{\displaystyle dz^m} P_k(z), а значит, решение уравнения (E.1) имеет вид

Θkm(z)\displaystyle \Theta_{km}(z) =Pk(m)(z)\displaystyle {} = P_k^{(m)}(z)​=(1−z2)m2⋅dmdzmPk(z),\displaystyle {} = (1 - z^2)^{\frac{\displaystyle m}{\displaystyle 2}} \cdot \frac{\displaystyle d^m}{\displaystyle dz^m} P_k(z),
(E.6)

где γ1k2\gamma_{1k}^2​=k⋅(k+1){} = k \cdot (k + 1) — собственные значения, Pk(m)(z)P_k^{(m)}(z) — присоединённые полиномы Лежандра. При mm​>k{} > k производная dmdzmPk(z)\frac{\displaystyle d^m}{\displaystyle dz^m} P_k(z) обращается в нуль, поэтому нетривиальные решения существуют только при kk​≥m{} \ge m.