E. Уравнение Лежандра

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

ddz((1z2)dΘ(z)dz)+[γ12m21z2]Θ(z)=0,1<z<1,\frac{\displaystyle d}{\displaystyle dz} \left( (1 - z^2) \cdot \frac{\displaystyle d \Theta(z)}{\displaystyle dz} \right) + \left[ \gamma_1^2 - \frac{\displaystyle m^2}{\displaystyle 1 - z^2} \right] \cdot \Theta(z) = 0, \quad -1 < z < 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

(1z2)d2Θ(z)dz22zdΘ(z)dz+[γ12m21z2]Θ(z)=0.(1 - z^2) \cdot \frac{\displaystyle d^2 \Theta(z)}{\displaystyle dz^2} - 2 \cdot z \cdot \frac{\displaystyle d \Theta(z)}{\displaystyle dz} + \left[ \gamma_1^2 - \frac{\displaystyle m^2}{\displaystyle 1 - z^2} \right] \cdot \Theta(z) = 0.

Заметим, что при m=0m = 0 уравнение принимает вид уравнения Лежандра

(1z2)d2Θ(z)dz22zdΘ(z)dz+γ12Θ(z)=0,1<z<1.(1 - z^2) \cdot \frac{\displaystyle d^2 \Theta(z)}{\displaystyle dz^2} - 2 \cdot z \cdot \frac{\displaystyle d \Theta(z)}{\displaystyle dz} + \gamma_1^2 \cdot \Theta(z) = 0, \quad -1 < z < 1.

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

Θk(z)=Pk(z)=12kk!dkdzk(z21)k,\Theta_k(z) = P_k(z) = \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=k(k+1)\gamma_{1k}^2 = k \cdot (k + 1) — тогда оно запишется в виде

(1z2)d2Θkm(z)dz22zdΘkm(z)dz+[k(k+1)m21z2]Θkm(z)=0,k(0..).(1 - z^2) \cdot \frac{\displaystyle d^2 \Theta_{km}(z)}{\displaystyle dz^2} - 2 \cdot z \cdot \frac{\displaystyle d \Theta_{km}(z)}{\displaystyle dz} + \left[ k \cdot (k + 1) - \frac{\displaystyle m^2}{\displaystyle 1 - z^2} \right] \cdot \Theta_{km}(z) = 0, \quad k \in (0..\infty).
(E.3)

Сделаем подстановку Θkm(z)=(1z2)m2Θ^km(z)\Theta_{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[(1z2)m2Θ^km(z)]=(1z2)m2dΘ^km(z)dzmz(1z2)m21Θ^km(z).\frac{\displaystyle d}{\displaystyle dz} \left[ (1 - z^2)^{\frac{\displaystyle m}{\displaystyle 2}} \cdot \widehat{\Theta}_{km}(z) \right] = (1 - z^2)^{\frac{\displaystyle m}{\displaystyle 2}} \cdot \frac{\displaystyle d \widehat{\Theta}_{km}(z)}{\displaystyle dz} - m \cdot z \cdot (1 - z^2)^{\frac{\displaystyle m}{\displaystyle 2} - 1} \cdot \widehat{\Theta}_{km}(z).

Для вычисления второй производной предварительно вычислим

ddz[z1z2]=11z2+2z2(1z2)2=1+z2(1z2)2.\frac{\displaystyle d}{\displaystyle dz} \left[ \frac{\displaystyle z}{\displaystyle 1 - z^2} \right] = \frac{\displaystyle 1}{\displaystyle 1 - z^2} + \frac{\displaystyle 2 \cdot z^2}{\displaystyle (1 - z^2)^2} = \frac{\displaystyle 1 + z^2}{\displaystyle (1 - z^2)^2}.

Тогда вторая производная запишется в виде

d2dz2[(1z2)m2Θ^km(z)]=(1z2)m2d2Θ^km(z)dz2mz(1z2)m21dΘ^km(z)dzmz1z2[(1z2)m2dΘ^km(z)dzmz(1z2)m21Θ^km(z)]m1+z2(1z2)2(1z2)m2Θ^km(z).\begin{split} &\frac{\displaystyle d^2}{\displaystyle dz^2} \left[ (1 - z^2)^{\frac{\displaystyle m}{\displaystyle 2}} \cdot \widehat{\Theta}_{km}(z) \right] = (1 - z^2)^{\frac{\displaystyle m}{\displaystyle 2}} \cdot \frac{\displaystyle d^2 \widehat{\Theta}_{km}(z)}{\displaystyle dz^2} - m \cdot z \cdot (1 - z^2)^{\frac{\displaystyle m}{\displaystyle 2} - 1} \cdot \frac{\displaystyle d \widehat{\Theta}_{km}(z)}{\displaystyle dz} - \\ &m \cdot \frac{\displaystyle z}{\displaystyle 1 - z^2} \cdot \left[ (1 - z^2)^{\frac{\displaystyle m}{\displaystyle 2}} \cdot \frac{\displaystyle d \widehat{\Theta}_{km}(z)}{\displaystyle dz} - m \cdot z \cdot (1 - z^2)^{\frac{\displaystyle m}{\displaystyle 2} - 1} \cdot \widehat{\Theta}_{km}(z) \right] -\\ &m \cdot \frac{\displaystyle 1 + z^2}{\displaystyle (1 - z^2)^2} \cdot (1 - z^2)^{\frac{\displaystyle m}{\displaystyle 2}} \cdot \widehat{\Theta}_{km}(z). \end{split}

После приведения подобных слагаемых она примет вид

d2dz2[(1z2)m2Θ^km(z)]=(1z2)m2d2Θ^km(z)dz22mz1z2(1z2)m2dΘ^km(z)dz+mmz21z2(1z2)2(1z2)m2Θ^km(z).\begin{split} &\frac{\displaystyle d^2}{\displaystyle dz^2} \left[ (1 - z^2)^{\frac{\displaystyle m}{\displaystyle 2}} \cdot \widehat{\Theta}_{km}(z) \right] = (1 - z^2)^{\frac{\displaystyle m}{\displaystyle 2}} \cdot \frac{\displaystyle d^2 \widehat{\Theta}_{km}(z)}{\displaystyle dz^2} - \frac{\displaystyle 2 \cdot m \cdot z}{\displaystyle 1 - z^2} \cdot (1 - z^2)^{\frac{\displaystyle m}{\displaystyle 2}} \cdot \frac{\displaystyle d \widehat{\Theta}_{km}(z)}{\displaystyle dz} +\\ &m \cdot \frac{\displaystyle m \cdot z^2 - 1 - z^2}{\displaystyle (1 - z^2)^2} \cdot (1 - z^2)^{\frac{\displaystyle m}{\displaystyle 2}} \cdot \widehat{\Theta}_{km}(z). \end{split}

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

(1z2)[d2Θ^km(z)dz22mz1z2dΘ^km(z)dz+mmz21z2(1z2)2Θ^km(z)]2z[dΘ^km(z)dzmz1z2Θ^km(z)]+[k(k+1)m21z2]Θ^km(z)=0.\begin{split} &(1 - z^2) \cdot \left[ \frac{\displaystyle d^2 \widehat{\Theta}_{km}(z)}{\displaystyle dz^2} - \frac{\displaystyle 2 \cdot m \cdot z}{\displaystyle 1 - z^2} \cdot \frac{\displaystyle d \widehat{\Theta}_{km}(z)}{\displaystyle dz} + m \cdot \frac{\displaystyle m \cdot z^2 - 1 - z^2}{\displaystyle (1 - z^2)^2} \cdot \widehat{\Theta}_{km}(z) \right] -\\ &2 \cdot z \cdot \left[ \frac{\displaystyle d \widehat{\Theta}_{km}(z)}{\displaystyle dz} - \frac{\displaystyle m \cdot z}{\displaystyle 1 - z^2} \cdot \widehat{\Theta}_{km}(z) \right] + \left[ k \cdot (k + 1) - \frac{\displaystyle m^2}{\displaystyle 1 - z^2} \right] \cdot \widehat{\Theta}_{km}(z) = 0. \end{split}

Сгруппируем коэффициенты при производных:

ζ1d2Θ^km(z)dz2+ζ2dΘ^km(z)dz+ζ3Θ^km(z)=0,\zeta_1 \cdot \frac{\displaystyle d^2 \widehat{\Theta}_{km}(z)}{\displaystyle dz^2} + \zeta_2 \cdot \frac{\displaystyle d \widehat{\Theta}_{km}(z)}{\displaystyle dz} + \zeta_3 \cdot \widehat{\Theta}_{km}(z) = 0,
ζ1=1z2,\zeta_1 = 1 - z^2,
ζ2=2mz2z=2(m+1)z,\zeta_2 = -2 \cdot m \cdot z - 2 \cdot z = -2 \cdot (m + 1) \cdot z,
ζ3=mmz21z21z2+2mz21z2+k(k+1)m21z2=m2z2mmz2+2mz2m21z2+k(k+1)=m2(1z2)+m(1z2)1z2+k(k+1)=m2m+k(k+1)=(km)(k+m+1),\begin{split} &\zeta_3 = m \cdot \frac{\displaystyle m \cdot z^2 - 1 - z^2}{\displaystyle 1 - z^2} + \frac{\displaystyle 2 \cdot m \cdot z^2}{\displaystyle 1 - z^2} + k \cdot (k + 1) - \frac{\displaystyle m^2}{\displaystyle 1 - z^2} =\\ &\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 \cdot (k + 1) = - \frac{\displaystyle m^2 \cdot (1 - z^2) + m \cdot (1 - z^2)}{\displaystyle 1 - z^2} +\\ &k \cdot (k + 1) = - m^2 - m + k \cdot (k + 1) = (k - m) \cdot (k + m + 1), \end{split}

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

(1z2)d2Θ^km(z)dz22(m+1)zdΘ^km(z)dz+(km)(k+m+1)Θ^km(z)=0.(1 - z^2) \cdot \frac{\displaystyle d^2 \widehat{\Theta}_{km}(z)}{\displaystyle dz^2} - 2 \cdot (m + 1) \cdot z \cdot \frac{\displaystyle d \widehat{\Theta}_{km}(z)}{\displaystyle dz} + (k - m) \cdot (k + m + 1) \cdot \widehat{\Theta}_{km}(z) = 0.
(E.4)

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

(1z2)d2Pk(z)dz22zdPk(z)dz+k(k+1)Pk(z)=0,(1 - z^2) \cdot \frac{\displaystyle d^2 P_k(z)}{\displaystyle dz^2} - 2 \cdot z \cdot \frac{\displaystyle d P_k(z)}{\displaystyle dz} + k \cdot (k + 1) \cdot P_k(z) = 0,
(E.5)

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

dmdzm(u(z)v(z))=i=0m(mi)dmidzmiu(z)didziv(z),\frac{\displaystyle d^m}{\displaystyle dz^m} \left( u(z) \cdot v(z) \right) = \sum_{i=0}^m \binom{m}{i} \cdot \frac{\displaystyle d^{m-i}}{\displaystyle dz^{m-i}} u(z) \cdot \frac{\displaystyle d^i}{\displaystyle dz^i} v(z),

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

Начнём с первого члена уравнения (E.5), приняв v(z)=1z2v(z) = 1 - z^2

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

теперь примем v(z)=2zv(z) = -2 \cdot z, получим

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

для случая v(z)=k(k+1)v(z) = k \cdot (k + 1) всё тривиально

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

Биномиальные коэффициенты соответственно равны

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

Результат дифференцирования первого члена уравнения (E.5) равен

(1z2)dm+2dzm+2Pk(z)2zmdm+1dzm+1Pk(z)m(m1)dmdzmPk(z),(1 - z^2) \cdot \frac{\displaystyle d^{m+2}}{\displaystyle dz^{m+2}} P_k(z) - 2 \cdot z \cdot m \cdot \frac{\displaystyle d^{m+1}}{\displaystyle dz^{m+1}} P_k(z) - m \cdot (m - 1) \cdot \frac{\displaystyle d^m}{\displaystyle dz^m} P_k(z),

для второго члена

2zdm+1dzm+1Pk(z)2mdmdzmPk(z),-2 \cdot z \cdot \frac{\displaystyle d^{m+1}}{\displaystyle dz^{m+1}} P_k(z) - 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

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

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

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

Θkm(z)=Pk(m)(z)=(1z2)m2dmdzmPk(z),\Theta_{km}(z) = P_k^{(m)}(z) = (1 - z^2)^{\frac{\displaystyle m}{\displaystyle 2}} \cdot \frac{\displaystyle d^m}{\displaystyle dz^m} P_k(z),
(E.6)

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