1

المرجع الالكتروني للمعلوماتية

تاريخ الرياضيات

الاعداد و نظريتها

تاريخ التحليل

تار يخ الجبر

الهندسة و التبلوجي

الرياضيات في الحضارات المختلفة

العربية

اليونانية

البابلية

الصينية

المايا

المصرية

الهندية

الرياضيات المتقطعة

المنطق

اسس الرياضيات

فلسفة الرياضيات

مواضيع عامة في المنطق

الجبر

الجبر الخطي

الجبر المجرد

الجبر البولياني

مواضيع عامة في الجبر

الضبابية

نظرية المجموعات

نظرية الزمر

نظرية الحلقات والحقول

نظرية الاعداد

نظرية الفئات

حساب المتجهات

المتتاليات-المتسلسلات

المصفوفات و نظريتها

المثلثات

الهندسة

الهندسة المستوية

الهندسة غير المستوية

مواضيع عامة في الهندسة

التفاضل و التكامل

المعادلات التفاضلية و التكاملية

معادلات تفاضلية

معادلات تكاملية

مواضيع عامة في المعادلات

التحليل

التحليل العددي

التحليل العقدي

التحليل الدالي

مواضيع عامة في التحليل

التحليل الحقيقي

التبلوجيا

نظرية الالعاب

الاحتمالات و الاحصاء

نظرية التحكم

بحوث العمليات

نظرية الكم

الشفرات

الرياضيات التطبيقية

نظريات ومبرهنات

علماء الرياضيات

500AD

500-1499

1000to1499

1500to1599

1600to1649

1650to1699

1700to1749

1750to1779

1780to1799

1800to1819

1820to1829

1830to1839

1840to1849

1850to1859

1860to1864

1865to1869

1870to1874

1875to1879

1880to1884

1885to1889

1890to1894

1895to1899

1900to1904

1905to1909

1910to1914

1915to1919

1920to1924

1925to1929

1930to1939

1940to the present

علماء الرياضيات

الرياضيات في العلوم الاخرى

بحوث و اطاريح جامعية

هل تعلم

طرائق التدريس

الرياضيات العامة

نظرية البيان

الرياضيات : المعادلات التفاضلية و التكاملية : معادلات تفاضلية : المعادلات التفاضلية الجزئية :

Helmholtz Differential Equation--Elliptic Cylindrical Coordinates

المؤلف:  Abramowitz, M. and Stegun, I. A

المصدر:  "Mathieu Functions." Ch. 20 in Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs, and Mathematical Tables, 9th printing. New York: Dover

الجزء والصفحة:  ...

18-7-2018

1274

Helmholtz Differential Equation--Elliptic Cylindrical Coordinates

In elliptic cylindrical coordinates, the scale factors are h_u=h_v=sqrt(sinh^2u+sin^2v)h_z=1, and the separation functions are f_1(u)=f_2(v)=f_3(z)=1, giving a Stäckel determinant of S=(sin^2v+sinh^2u). The Helmholtz differential equation is

 1/(sinh^2u+sin^2v)((partial^2F)/(partialu^2)+(partial^2F)/(partialv^2))+(partial^2F)/(partialz^2)+k^2F=0.
(1)

Attempt separation of variables by writing

 F(u,v,z)=U(u)V(v)Z(z),
(2)

then the Helmholtz differential equation becomes

 Z/(sinh^2u+sin^2v)(V(d^2U)/(du^2)+U(d^2V)/(dv^2))+UV(d^2Z)/(dz^2)+k^2UVZ=0.
(3)

Now divide by UVZ to give

 1/(sinh^2u+sin^2v)(1/U(d^2U)/(du^2)+1/V(d^2V)/(dv^2))+1/Z(d^2Z)/(dz^2)+k^2=0.
(4)

Separating the Z part,

 1/Z(d^2Z)/(dz^2)=-(k^2+m^2) 
1/(sinh^2u+sin^2v)(1/U(d^2U)/(du^2)+1/V(d^2V)/(dv^2))=m^2,
(5)

so

 (d^2Z)/(dz^2)=-(k^2+m^2)Z,
(6)

which has the solution

 Z(z)=A_(km)cos(sqrt(k^2+m^2)z)+B_(km)sin(sqrt(k^2+m^2)z).
(7)

Rewriting (◇) gives

 (1/U(d^2U)/(du^2)-m^2sinh^2u)+(1/V(d^2V)/(dv^2)-m^2sin^2v)=0,
(8)

which can be separated into

1/U(d^2U)/(du^2)-m^2sinh^2u = c
(9)
c+1/V(d^2V)/(dv^2)-m^2sin^2v = 0,
(10)

so

 (d^2U)/(du^2)-(c+m^2sinh^2u)U=0
(11)
 (d^2V)/(dv^2)+(c-m^2sin^2v)V=0.
(12)

Now use

 sinh^2u=1/2[cosh(2u)-1]
(13)
 sin^2v=1/2[1-cos(2v)]
(14)

to obtain

 (d^2U)/(du^2)-<span style={c+1/2m^2[cosh(2u)-1]}U=0 " class="numberedequation" src="http://mathworld.wolfram.com/images/equations/HelmholtzDifferentialEquationEllipticCylindricalCoordinates/NumberedEquation13.gif" style="border:0px; height:40px; width:233px" />
(15)
 (d^2V)/(dv^2)+<span style={c-1/2m^2[1-cos(2v)]}V=0. " class="numberedequation" src="http://mathworld.wolfram.com/images/equations/HelmholtzDifferentialEquationEllipticCylindricalCoordinates/NumberedEquation14.gif" style="border:0px; height:40px; width:227px" />
(16)

Regrouping gives

 (d^2U)/(du^2)-[(c-1/2m^2)+1/2m^2cosh(2u)]U=0
(17)
 (d^2V)/(dv^2)+[(c-1/2m^2)+1/2m^2cos(2v)]V=0.
(18)

Let a=c-m^2/2 and q=-m^2/4, then these become

 (d^2V)/(dv^2)+[a-2qcos(2v)]V=0
(19)
 (d^2U)/(du^2)-[a-2qcosh(2u)]U=0.
(20)

Here, (19) is the mathieu differential equation and (20) is the modified mathieu differential equation. These solutions are known as mathieu functions.

 


REFERENCES:

Abramowitz, M. and Stegun, I. A. (Eds.). "Mathieu Functions." Ch. 20 in Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs, and Mathematical Tables, 9th printing. New York: Dover, pp. 721-746, 1972.

Moon, P. and Spencer, D. E. Field Theory Handbook, Including Coordinate Systems, Differential Equations, and Their Solutions, 2nd ed.New York: Springer-Verlag, pp. 17-19, 1988.

Morse, P. M. and Feshbach, H. Methods of Theoretical Physics, Part I. New York: McGraw-Hill, pp. 514 and 657, 1953.

EN

تصفح الموقع بالشكل العمودي