Küresel harmonikler

Matematikte, küresel harmonikler Laplace denkleminin çözüm kümesinin açısal kısmıdır. Küresel koordinatların bir sistemi içinde küre yüzeyinde tanımlanır, Fourier serisi ise çember üzerinde tanımlanır. Laplace'ın küresel harmonikleri  Pierre Simon de Laplace tarafından ilk 1782 yılında tanıtılan bir ortogonal sistemin küresel harmonik formlarının özel bir kümesidir. Küresel harmoniklerden birkaçının kökleri sağda gösterimlenmiştir.  Küresel harmonikler pek çok yerde teorik önem taşımaktadır ve özellikle atomik yörünge elektron konfigürasyonları, yerçekimi alanları, geoitleri ve gezegen ve yıldızların manyetik alanlarının temsili ve kozmik mikrodalga arka plan radyasyonu karakterizasyonu hesaplanmasında kullanılan pratik uygulamaları vardır. Küresel harmonikler 3D Bilgisayar grafiklerinde, dolaylı aydınlatma (ortam tıkanıklığı, küresel aydınlatma,  Önceden hesaplanan parlaklık transferi, vb) ve 3D şekillerin tanınması gibi konularda geniş bir yelpazede özel bir rol oynamaktadır.Küresel harmonikler üç boyut içerisinde Newton'un evrensel kütleçekim yasasının Newtonyen potansiyeli ile bağlantısı nedeniyle 1782 yılında, Pierre-Simon de Laplace ilk kez Mécanique Célestesi içinde araştırdı, xi noktalarında yerleşik nokta kütlelerin kümesinin bir x noktasında ilişkisini belirleyen mi ile veriliyor idiyukardaki toplamda her terim için bir nokta kütle Newtonyen potansiyeli bireyseldir. İlk kez r = |x| ve r1 = |x1| nin kuvvetleri içinde Newtonyen potansiyelin açılımını Adrien-Marie Legendre araştırdı. O bunu r ≤ r1  için  araştırmıştı.burada γ vektörler x ve x1 arasındaki açıdır. Fonksiyonlar Pi Legendre polinomlarıdır, ve bu küresel harmoniklerin bir özel durumudur. Sonradan, "in his 1782 memoire" 'de, Laplace x1 ve x arasında γ açısını göstermek için küresel koordinatlarda kullanılan katsayıları araştırdı. (daha detaylı analiz için bakınız Fizikte Legendre polinomlarının uygulamaları)1867'de, William Thomson (Lord Kelvin) ve Peter Guthrie Tait burada Doğa felsefesi üzerine tez içinde katı küresel harmonikleri tanıttı, ayrıca bu fonksiyonların içinde "küresel harmonikler" adı ilk kez tanıtıldı. Katı harmonikler Laplace denkleminin homojen çözümleridir.ile küresel koordinatlar içinde Laplace  denklemi incelendi, Thomson ve Tait  Laplace'ın küresel harmoniklerini açıkladı. "Laplace'ın katsayıları" terimi bir çizgi boyunca tanıtılan çözümlerin tanımlanan özel sistemi için William Whewellle çalışıyordu, oysa diğer zonal küresel harmonikler için bu düzenleme  korundu şöyle ki Laplace ve Legendre ile tanıtılmış olan özellikler idi.19.yy Fourier serisinde gelişmeler, ısı denklemi ve dalga denkleminin çözümü gibi dörtgen domenler içinde fizik problemlerinin yaygın bir çeşidinin çözümünü olası yapar. Bu trigonometrik fonksiyonlar serisi içindeki fonksiyonların açılımı ile sağlanabilir. Oysa bir Fourier serisinin bir sicim içinde de temel titreşim modları gösterilebilir, küresel harmonikler benzer şekilde bir kürenin temel titreşim modları ile gösterilebiliyor. Fourier serilerinin teorisinin trigonometrik fonksiyonlar tarafından birçok açıdan genelleştirilmiş şekilleri küresel harmoniklerdeki açılımlar olarak yerini almaktadır. Bu, aslında Laplace ve Legendre tarafından incelenen gök mekaniği gibi küresel simetri içeren sorunları içinde bir nimet oldu.20. yy kuantum mekaniğinin doğumu için  küresel harmoniklerin fizik sahnedeki önemi zaten yaygındı. Küresel harmonikler yörünge açısal momentum işlemcisinin karesinin özfonksiyonlarıdırLaplace denklemi skalar(eğimsiz) bir alanın gradyanının diverjansı f in sıfır olduğunu vurgular. küresel koordinatlarda ise bu şöyledir:f(r,θ,φ) = R(r)Y(θ,φ) formunda bulunan problemin çözümleri düşünülüyor.Değişkenlerin ayrılması sonucu, iki diferansiyel denklemin Laplace denklemine uyarlanması ile :İkinci denklem Y varsayımı ile sadeleştirilebilir Y(θ,φ) = Θ(θ)Φ(φ) biçimi var. İkinci denklem için yine değişkenlerin ayrılması uygulanarak  diferansiyel denklemlerin çifti için verilen yolBu bazı m sayıları içindir. Öncelikle, m bir karmaşık sabittir, ama bir Φ periyodik fonksiyonu böylece 2π periyoduna eşit bölündüğü için m zorunlu olarak bir tam sayı ve Φ e±imφ karmaşık üstellerin bir doğrusal bileşimidir. Çözüm fonksiyonu Y(θ,φ); kürenin kutup bölgelerinde düzenlidir, burada θ=0,π dir. Domenin ikinci denklemin sınır noktalarında Θ çözümü bu düzenlilik uyarlaması ile bir Sturm–Liouville problemi  λ parametresinin kuvveti m λ = ℓ(ℓ+1) formunda olan bazı negatif olmayan ℓ ≥ |m| tam sayılar içindir; bu ayrıca yörünge açısal momentumun terimleri içinde aşağıda açıklanmıştır. Ayrıca,Legendre denklemi içinde bu denklemin  t = cosθ dönüşümü değişken dönüşümlerinin bir yer değişimidir, böylece çözüm  asosiye Legendre polinomunun birçoğuludur. Sonuç olarak, R için denklem ;biçiminin çözümü var ve gerekli çözüm R3 boyunca düzenli olan B = 0 kuvvetleridir.Burada Y(θ,φ) = Θ(θ)Φ(φ).özel biçiminin sahip olduğu varsayılan çözüm idi. ℓ,nin verilen bir çözümü için burada 2ℓ+1 bu biçimlerin bağımsız çözümleridir, m ile −ℓ ≤ m ≤ ℓ her tam sayı için tektir. Burada açısal çözümler  trigonometrik fonksiyonların bir çarpımıdır. Burada bir karmaşık üstel olarak gösterilebilir ve asosiye Legendre polinomları:Burada  ℓ ve  m derecenin bir küresel harmonik fonksiyonu olarak adlandırılır,  bir asosiye Legendre polinomudur, N bir normalizasyon sabitidir, ve  θ ve φ sırasıyla represent eş-enlem ve boylamı gösteriyor. Özel olarak, eş-enlem θ, veya kutup açısı, Güney Kutup'ta π den Kuzey Kutupta 0 a kadar aralıklıdır. Ekvatorda π/2'nin varsayılan değeri, ve boylam φ, veya güney açısı, 0 ≤ φ < 2π ile tüm değerleri varsayabiliriz.Bir sabitlenmiş ℓ tam sayısı için,özdeğer  probleminin her Y(θ,φ) çözümünin bir doğrusal bileşimdir. Aslında, böyle bir çözüm için, rℓY(θ,φ) böyle bir homojen polinomun küresel koordinatlar içinde bağıntıları harmoniktir (bakınız aşağıda), ve burada gösterilen boyut sayılı polinomlar gibi 2ℓ+1 doğrusal bağımlıdır.Bir küre merkezli orijininde Laplace denklemi için genel çözüm uygun ölçek çarpanı rℓ ile çarpılan küresel harmonik fonksiyonlarının bir doğrusal bileşimidir,Burada  sabitlerdir ve çarpanlar   katı harmonikler olarak biliniyor. Bir açılım gibi küre içinde değerdirKuantum mekanikte, Laplace'ın küresel harmonikleri yörünge açısal momentumun terimleri içinde anlamlıdırkuantum mekanikte gelenekseldir; bu   içindeki birimler içinde çalışma için gelenekseldir. Küresel harmonikler yörünge açısal momentumun karesinin özfonksiyonlarıdırLaplace'ın küresel harmonikleri yörünge açısal momentumun karesinin özfonksiyonları ile ortaktır ve azimutal eksen ile ilgili dönmelerin üreteçleridir:Bu operatörlerdeki değişme, ve R3 üzerinde normal dağılıma sırasıyla kare-integrallenebilir f fonksiyonunun Hilbert uzayı üzerinde yoğun tanımlanmış öz-eşleniktir:ile tanımlanır. Bazı gerçek sayılar m ve λ için.  Burada m aslında  bir tam sayı olmalıdır, Y için periyodik bir sayı ile  koordinat φ içinde 2π ile eşit bölen periyot olmalı. Dahası, yineİse L+ ve L− ile L2 değişme, ve L+, L−, Lz ile üretilen Lie cebri özel doğrusal Lie cebridir, değişmelilik ilişkileri ileBöylece  (bu  bir "operatörü yükseltmek"tir) ve  (bu bir "indirgeyici işlemci"dir).  Özel olarak,   yeterince büyük  k için sıfır olmalı, çünkü  λ ≥ m2 eşitsizliği önemsiz olmayan ortak her özuzayın içindekini tutmalı.  Diyelimki Y ∈ Eλ,m bir sıfır olmayan ortak özfonksiyon olsun, ve diyelim ki k en küçük tam sayı olsun, böyleceBirkaç farklı normalleştirmeler Laplace küresel harmonik fonksiyonları için yaygın kullanım içindedir. Bölüm boyunca, biz bu standart yöntemi kullanıyoruz (bak asosiye Legendre polinomları)Rodrigues'in aşağıdaki formül ile verilen doğal normalleştirme ki şudur: Sismolojide, Laplace küresel harmonikleri (bu kurallar bu yazı içinde kullanıldı)burada δij Kronecker delta ve dΩ = sinθ dφ dθ dır. Bu olasılığın normalize olmasını sağlar, çünkü bu normalleştirme kuantum mekaniğinde kullanılır, örneğinKuantum mekaniğinde bu normalleştirmede bazen kullanılır, ve sonra Giulio Racah adına Racah'ın normalleşmesi dendi.Bunun yukarıdaki normalleştirilmiş küresel harmonik fonksiyonların tümünü karşılayacak olduğu gösterilebilirburada üstsimge * ye karmaşık eşlenik denir. Karşıt olarak, bu denklem küresel harmonik fonksiyonlar ile Wigner D-matrisinin ilişkisinden aşağıdadır.Küresel harmonik fonksiyonların tanım karışıklıklarının tek kaynağı endişeleri m > 0, 1 için (−1)m'in bir faz faktörü hariç, kuantum mekanik literatür içinde Condon–Shortley fazı olarak sık anılır. Kuantum mekanik topluluğu içinde, ya da Asosiye Legendre polinomunun tanımı içinde küresel harmonik fonksiyonların tanımına eklemek için bu faz faktörünü içeren uygulama yaygındır. Burada küresel harmonik fonksiyonların tanımı içinde Condon–Shortley fazını kullanmaya gerek yoktur, ama o dahil yükselten ve alçaltan işlemcilerin özel uygulamalarını bazı kuantum mekanik işlemcileri kolaylaştırabilir. Geodezi ve manyetik topluluk hiçbir zaman ne küresel harmonik fonksiyonların kendi tanımı ne de asosiye Legendre polinomlarının olanlar içinde Condon–Shortley faz faktörünü içeriyor.Küresel harmoniklerin bir gerçek tabanı onların karmaşık analog terimleri içinde tanımlanabilir çerçevesi ileGerçek küresel harmonikler bazen tesseral küresel harmonikler olarak biliniyor. Bu işlevler yukarıda karmaşık olanlar aynı ortonormalite özelliklere sahiptir. m > 0 harmonikler ile cos tip'inin olduğu söylenir, ve böylece sine tip'inin m < 0 ile . Bunun nedeni olarak Legendre polinomları açısından işlevleri yazılarak görülebilir.Aynı sinüs ve kosinüs faktörler de kartezyen gösterimi ile ilgilidir, aşağıdaki alt bölümde görülebilir.kadar gerçek küresel harmoniklerin listesi için bakınız burada  ve  içeriyor, bunun yukarıdaki denklemlerin çıkışı ile uyumlu olduğu görülebilir.Hidrojen atomu için analitik çözümlerden bilindiği gibi, dalga fonksiyonunun açısal kısmının özfonksiyonlarının küresel harmonikleri bulunmaktadır.Ancak, manyetik şartlar olmaksızın göreli olmayan Schrödinger denkleminin çözümleri gerçek hale getirilebilir. Programlar daha sonra karmaşık cebir kullanmak gerekmez gibi gerçek formlar yoğun, kuantum kimyası için temel fonksiyonlarında kullanılan budur. İşte, bu gerçek fonksiyonlar, karmaşık olanları olduğu gibi aynı alanı kapsayan dikkat etmek önemlidir.Örneğin olarak küresel harmonik tablosundan görülebileceği gibi, olağan p işlevleri () karmaşıktır ve eksen yön karışımı, ama gerçek versiyonlar aslında sadece x, y ve z.Kartezyen koordinatlar içinde  normalize küresel harmonikler ifadesi aşağıdadır (Condon-Shortley fazı):Gerçek küresel harmonikler formuna yukardaki denklemler kullanılıyor,  için bunun olduğu görülmektedir. Yalnızca  terimleri (kosinüs) içeriyor ve  için yalnızca  terimleri (sinüs) içeriyor:bir f fonksiyonunun toplam kuvveti kare fonksiyonun integrali olarak işaret işleme literatüründe tanımlanıyor, bu domenin bölgesi ile bölünür. Gerçek birim-kuvvet küresel harmonik fonksiyonların ortonormalite özellikleri kullanılıyor, bu birim küre üzerinde tanımlanan bir fonksiyonun toplam gücünü doğrulamak için basitçe Parseval teoreminin bir genellemesi spektral katsayılarla ilişkilidir:açısal kuvvet spektrumu olarak tanımlanıyor. Benzer bir şekilde, bir iki fonksiyon arasında çapraz güç tanımlayabilirsinizçapraz-kuvvet spektrumu olarak tanımlanıyor. Eğer fonksiyonlar f ve g have bir (yani spektral katsayılar f00 ve g00 sıfırdır) ortada sıfır var, ise sırasıyla Sff(ℓ) ve Sfg(ℓ) fonksiyon'ların değişken için ve ℓ derecesi için eşdeğişken katkısını gösterir. Bu yaygın e (çapraz-)kuvvet spektrum formunun bir kuvvet kanunu ile iyi yaklaşıklıktırEğer β = 0,spektrum eş kuvvet her derecesine sahip olarak "beyaz"dır.Eğer β < 0 ise, spektrum "kırmızı" olarak adlandırılan düşük dereceden de daha kuvvetli yüksek dereceden uzun dalgadır. Sonuç olarak, eğer β > 0 ise, spektrum "mavi" olarak adlandırılıyor.Sff(ℓ)nin büyüklüğünün derecesi üzerinde durum son kesit içinde fnin diferansiyellenebilirliklerinin derecesine göredir.Ayrıca orijinal fonksiyonunun Sff(ℓ)in asimtotik terimleri içinde f orijinal fonksiyonunun türevlenebilir özellikleri anlaşılabilir. Özel olarak, eğer Sff(ℓ)  ℓ → ∞ olarak ℓ'nin herhangi kesirli fonksiyonu daha hızlı çürüyorsa, f sonsuz türevlenebilirdir. Ve dahası Sff(ℓ) üstel bozunma ise f  küre üzerinde aslında gerçek analitiktir.Diferansiyellenebilirlik için Sff(ℓ) in büyüklüğü  ile ilişkili durumları Fourier serisinin katsayılarının büyümesindeki analog sonuçlara benzer ise genel teknik olarak Sobolev uzayının teorisi kullanılıyor. Özellikle eğerise f Sobolev uzayı Hs(S2) içindedir. Özel olarak, Sobolev gömme teoremi fşartıyla tüm sler için sonsuz türevlenebilir anlamına gelir.Laplace küresel harmonikler burada "düğüm çizgileri" göz önüne alınarak görselleştirilebilir, şöyle ki, burada , küre üzerinde noktaların kümesi veya karşıt olarak burada . dir  nin düğüm çizgileri çemberin oluşumudur: bazıları enlemlerdir ve diğerleri boylamlardır. Enlemsel ve bağımsız boyuna tarifi içinde nin sıfırlarının sayısının sayılması ile her tipinin düğüm çizgilerinin sayısı belirlenebilir. Enine yönünde için, asosiye Legendre polinomlarının sanal  ve gerçek bileşenleri her  ℓ−|m| sıfırlarına sahiptir, oysa, uzunlamasına yön için, trigonometrik sin ve cos fonksiyonları 2|m| sıfırlara sahiptir.Eğer küresel harmonik derece m (sol-üst resim) sıfır ise, küresel harmonik fonksiyonlar boylam bağlı olmayan, ve zonal olarak adlandırılır.  Bu gibi küresel harmonikler  zonal küresel fonksiyonların bir özel durumudur  Eğer ℓ = |m| (Şekilde sağ alt) ise, burada enlem içinde sıfır geçidi yoktur, ve fonksiyonlar sektörel olarak adlandırılır. Diğer durumlar için, küre denetleyicisi fonksiyonları, ve bu  tesseral olarak adlandırılır.Daha genel ℓ derecesinin küresel harmonikleri are Laplace tabanı nın böyle olması gerekmez, ve burada nodal(düğümsel) kümeler oldukça genel bir tipi olabilir.İlk birkaç ortonormalize edilmiş Laplace küresel harmonik(=salınan) için analitik bağlantılar kullanılan Condon-Shortley faz kuralı:Klasik küresel harmonikler üç-boyutlu Öklid uzayı içerisinde birim küre S2  üzerinde fonksiyonlar olarak tanımlanıyor. Küresel harmonikler yüksek-boyutlu Öklid uzayı Rn için genelleştirilebilir olarak aşağıdadır.   Diyelim ki Pℓ  n değişkenleri içinde  ℓ derecesinin homojen polinomlarının uzayını ifade eder. Şöyle ki, bir P  polinomu Pℓ  içinde şunu sağlıyor.Diyelim ki  Pℓ nin altuzayı ifadesi Aℓ tüm harmonik polinomlarının oluşturuyor; bu katı küresel harmoniklerdir. Diyelim ki Hℓ birim kürenin üzerindeki fonksiyonların uzayını ifade ediyorHℓ uzayının  toplamı  tektip topoloji ye göre  Sn−1 üzerinde sürekli fonksiyonun kümesi içinde yoğunluk Stone-Weierstrass teoremi iledir. Bir sonuç olarak, bu uzayın toplamı  küre üzerinde kare integrallenebilir fonksiyonların  L2(Sn−1) uzayı içinde ayrıca yoğunluktur. Böylece bir küresel harmoniklerin bir serisi içinde küre teklik ayrışması üzerinde her kare integrallenebilir fonksiyon, burada  L2 içinde anlamı yakınsak seridir.burada ΔSn−1  Sn−1 üzerinde  Laplace–Beltrami işlemcisidir. Bu operatör üç boyutlu Laplacian'ın açısal kısmının analoğudur. Demek ki,n boyutlarda Laplasyen olarak parçalanırBu Stokes teoremi ve  Hℓ uzayı önceki özelliği takip eden L2(Sn−1) dan iç çarpıma göre ortogonaldir. Demek ki,f ∈ Hℓ ve g ∈ Hk for k ≠ ℓ.içinAksine, Hℓ uzayı  ΔSn−1 nın öz uzayları tamdır. Özel olarak,   Riesz potansiyeli için spektral teoreminin bir uygulaması Hℓ uzayları diğer kanıtları veriyor. İkişerli ortogonal ve  L2(Sn−1) içinde tamdır.yüksek boyutlar içinde küresel harmoniklerin bir ortogonal tabanı değişkenlerin ayrılmasının metodu ile tümevarım ile inşa edilebilir, küresel Laplasyen için Sturm-Liouville problemi çözümü ileburada φ Sn−1 üzerinde bir küresel koordinat sistemi içinde eksenel koordinattır. Bir işlem gibi sonuçturburada |ℓ1| ≤ ℓ2 ≤ ... ≤ ℓn−1 indisleri karşılar ve özdeğer  −ℓn−1(ℓn−1 + n−2)dır. Çarpım içindeki fonksiyonlar Legendre fonksiyonunun terimleri içinde tanımlanıyorHℓ uzayı ℓ derecenin küresel harmoniğinin bir (SO(3))nokta çevresinde dönmelerin simetri grubunun bir gösterimi ve SU(2) çift örtüktür. Aslında, iki-boyutlu küre üzerinde dönme hareketi, ve böylece ayrıca fonksiyon düzeni ile Hℓ üzerindeHℓnın ögeleri Aℓnın ögelerinin küre için sınırlandırılmış olarak ortaya çıkar: üç-boyutlu öklid uzayı R3 üzerinde ℓ derecenin homojen  harmonik polinomlarıdır. ψ ∈ Aℓ nin polarizasyonu ile, burada  indisler üzerinde teklik şartı ile belirlenen simetrik katsayılardır,Durum that ψ be harmonik  is tensör  onaylanması için eşdeğerdir ve indislerin her çifti üzerinde bağımsız iz olmalı. Böylece SO(3), Hℓ nin indirgenemez gösterim olarak  ℓ derecesinin simetrik tensörlerinin izsizlik uzayı için izomorfiktir.Daha genel olarak, yüksek boyutlar içinde tutan analog durumlar: n-küre üzerinde küresel harmoniklerin  Hℓ uzayı izsiz simetrik ℓ-tensörler için karşılık gelen SO(n+1)nin indirgenemez gösterimidir. Bununla birlikte, oysa SO(2)nin  ve SO(3) ün her indirgenemez tensör gösterimi bu türündür,yüksek boyutlar içinde özel ortogonal gruplar ek bir indirgenemez gösterimleri var ve  bu tutum içinde ortaya çıkmaz.Özel ortogonal grupların have ek spin gösterimleri var ve tensör gösterimleri değildir, ve tipik olarak küresel harmonikler değildir.  bir istisna SO(3)ün spin gösterimidir: strictly speaking these are çift örtü SU(2) ve SO(3)ün  çift örtünün gösterimidir.  sırayla, SU(2) birim kuaterniyonların grubu ile özdeştir, ve 3-küre ile ile bu çakışma, 3-küre üzerinde küresel harmoniklerin uzayı SO(3)ün belli dönmesidir, kuaterniyonik çarpım ile harekete göre.İki-kürenin açı koruyucu simetrileri Möbiüs dönüşümleri PSL(2,C)'nin grubu ile tarif edilmektedir. Bu grup ile ilgili olarak, küre genel Riemann kürenin eşdeğeridir. Grup PSL(2,C) (uygun) Lorentz grubuna izomorf ve iki küre üzerinde hareket Minkowski uzayında göksel küre üzerinde Lorentz grubunun eylemi ile uygundur. Lorentz grubunun küresel harmonik analoğu bir Hipergeometrik seri ile verilir; bundan başka, küresel harmoniklerin terimleri içinde yeniden ifade edileblir. SO(3) = PSU(2) olarak  PSL(2,C)nin bir altgrubudur. Daha genel olarak, hipergeometrik serisi herhangi bir simetrik uzay simetrilerini açıklamak için jeneralize olabilir; Özellikle, hipergeometrik serisi herhangi bir Lie grubu için geliştirilmiş olabilir.J. D. Talman, Special Functions, A Group Theoretic Approach, (based on lectures by E.P. Wigner), W. A. Benjamin, New York (1968).A. Wawrzyńczyk, Group Representations and Special Functions, Polish Scientific Publishers. Warszawa (1984).E.W. Hobson, The Theory of Spherical and Ellipsoidal Harmonics, (1955) Chelsea Pub. Co., ISBN 978-0-8284-0104-3.C. Müller, Spherical Harmonics, (1966) Springer, Lecture Notes in Mathematics, Vol. 17, ISBN 978-3-540-03600-5.E. U. Condon and G. H. Shortley, The Theory of Atomic Spectra, (1970) Cambridge at the University Press, ISBN 0-521-09209-4, See chapter 3.D. A. Varshalovich, A. N. Moskalev, V. K. Khersonskii Quantum Theory of Angular Momentum'', (1988) World Scientific Publishing Co., Singapore, ISBN 9971-5-0107-4