הרמוניות ספריות

הרמוניות ספריות הן משפחה של פונקציות של שני משתנים: הזוויות θ ו-φ בקואורדינטות ספריות (כדוריות).

הרמוניות ספריות חשובות ליישומים תאורטיים ומעשיים רבים, בעיקר בפיזיקה. דוגמאות ליישומים אלה הם אורביטלים באטום ופתרון בעיות אלקטרוסטטיות עם סימטריה כדורית. ניתן להשתמש בהן לייצוג צורתו של שדה כבידה, צורה של גאואיד וצורת שדה מגנטי בגופים פלנטריים, וכן באפיון קרינת הרקע הקוסמית. בגרפיקה ממוחשבת תלת-ממדית, הרמוניות ספריות ממלאות תפקיד מיוחד במגוון רחב של נושאים הכוללים תאורה לא ישירה והכרת צורות תלת-ממדיות.

מתמטית, ההרמוניות הספריות הן כלי לפתרון משוואת לפלס בקואורדינטות כדוריות. כאשר מחפשים פתרון למשוואה, שצורתו היא מכפלה של פונקציה שתלויה רק במרחק מראשית הצירים ושל פונקציה שתלויה רק בזוויות, ניתן לקבל משוואות דיפרנציאליות לחלק הרדיאלי (התלוי רק במרחק) ולחלק הזוויתי. ההרמוניות הספריות הן פתרון המשוואה הזוויתית, והן אוסף אורתוגונלי של פונקציות.

מבוא

הרמוניות ספריות ממשיות Y_lm עבור l מ-0 (שורה עליונה) עד 4 (שורה תחתונה). ההרמוניות השליליות Y_l-m מסובבות סביב ציר ה-z בזווית של 90 חלקי m מעלות ביחס להרמוניות החיוביות.

משוואת לפלס בקואורדינטות כדוריות היא

$\nabla ^{2}f={1 \over r^{2}}{\partial \over \partial r}\left(r^{2}{\partial f \over \partial r}\right)+{1 \over r^{2}\sin \theta }{\partial \over \partial \theta }\left(\sin \theta {\partial f \over \partial \theta }\right)+{1 \over r^{2}\sin ^{2}\theta }{\partial ^{2}f \over \partial \varphi ^{2}}=0$

עבור הפרדת משתנים $\ f(r,\theta ,\varphi )=R(r)\Theta (\theta )\Phi (\varphi )$ החלק הזוויתי של משוואת לפלס מקיים:

${\Phi (\varphi ) \over \sin \theta }{d \over d\theta }\left(\sin \theta {d\Theta \over d\theta }\right)+{\Theta (\theta ) \over \sin ^{2}\theta }{d^{2}\Phi \over d\varphi ^{2}}+l(l+1)\Theta (\theta )\Phi (\varphi )=0.$

באמצעות הפרדת משתנים מקבלים ממשוואה דיפרנציאלית חלקית זו שתי משוואות דיפרנציאליות רגילות:

${\frac {1}{\Phi (\varphi )}}{\frac {d^{2}\Phi (\varphi )}{d\varphi ^{2}}}=-m^{2}$

$l(l+1)\sin ^{2}(\theta )+{\frac {\sin(\theta )}{\Theta (\theta )}}{\frac {d}{d\theta }}\left[\sin(\theta ){\frac {d\Theta }{d\theta }}\right]=m^{2}$

עבור m ו-l. מכך נובע שהפתרון לחלק הזוויתי ניתן להצגה כמכפלה של פונקציות טריגונומטריות ופולינומי לז'נדר הנלווים:

$Y_{\ell }^{m}(\theta ,\varphi )=N\,e^{im\varphi }\,P_{\ell }^{m}(\cos {\theta }),$

כאשר $Y_{\ell }^{m}$ נקראת הרמוניה ספרית ממעלה $\ell$ וסדר m ו-$P_{\ell }^{m}$ הוא פונקציית לז'נדר הנלווית (ידועה גם כפולינומי לז'נדר הנלווים). הפקטור N הוא קבוע נרמול והזוויות θ ו-φ מייצגות את זווית הגובה ($\ 0\leq \theta \leq \pi$, היא שווה לאפס בקוטב הצפוני של הכדור, ל $\pi /2$ בקו המשווה של הכדור ולפאי בקוטב הדרומי שלו) ואת הזווית המישורית $0\leq \phi \leq 2\pi$. הקואורדינטות הספריות שמשמשות בערך זה עקביות עם אלה המשמשות פיזיקאים אך שונות מאלה המשמשות מתמטיקאים.

כאשר פותרים את משוואת לפלס על פני השטח של כדור (על הספירה שלו), תנאי השפה המחזוריים על φ ותנאי רגולריות בקטבים, מבטיחות שהמעלה $\ell$ והסדר m הם מספרים שלמים המקיימים $\ell$ ≥ 0 ו-|m| ≤ $\ell$. ברם, אם הפונקציה f מוגדרת רק עבור θ ≤ θ₀, אז ההרמוניות הספריות הקטועות שיתקבלו היו מוגדרות לכל סדר שלם, אך למעלה שאיננה מספר שלם. הפתרון הכללי למשוואת לפלס הוא צירוף ליניארי של הרמוניות ספריות מוכפלות בפתרון הרדיאלי $\ R(r)$:

$f(r,\theta ,\varphi )=\sum _{\ell =0}^{\infty }\sum _{m=-\ell }^{\ell }r^{-1-\ell }\,f_{\ell }^{m}\,Y_{\ell }^{m}(\theta ,\varphi )+\sum _{\ell =0}^{\infty }\sum _{m=-\ell }^{\ell }r^{\ell }\,f_{\ell }^{m'}\,Y_{\ell }^{m}(\theta ,\varphi ),$

כאשר $f_{\ell }^{m}$ ו- $f_{\ell }^{m'}$ הם קבועים. האיברים בסכום הראשון שואפים לאפס כאשר r שואף לאינסוף, בעוד שהאיברים בסכום השני שואפים לאפס בראשית.

אורתוגונליות ונרמול

ישנם מספר נרמולים שונים הנמצאים בשימוש עבור הרמוניות ספריות. בפיזיקה וסייסמולוגיה, פונקציות אלה מוגדרות בדרך כלל כ:

$Y_{\ell }^{m}(\theta ,\varphi )={\sqrt {{(2\ell +1) \over 4\pi }{(\ell -m)! \over (\ell +m)!}}}\,P_{\ell }^{m}(\cos {\theta })\,e^{im\varphi }$

כך שהן אורתונורמליות ביחס למכפלה פנימית:

$\int _{\theta =0}^{\pi }\int _{\varphi =0}^{2\pi }Y_{\ell }^{m}\,Y_{\ell '}^{m'*}\,d\Omega =\int _{\theta =0}^{\pi }\int _{\varphi =0}^{2\pi }Y_{\ell }^{m}\,Y_{\ell '}^{m'*}\,d\phi \sin \theta d\theta =\delta _{\ell \ell '}\,\delta _{mm'},$

כאשר הדלתא היא דלתא של קרונקר המקיימת: δ_aa = 1, δ_ab = 0 אם a ≠ b ו-dΩ = sinθ dφ dθ.

בחקר הגאודזות והניתוח הספקטרלי משתמשים בנרמול אחר:

$Y_{\ell }^{m}(\theta ,\varphi )={\sqrt {{(2\ell +1)}{(\ell -m)! \over (\ell +m)!}}}\,P_{\ell }^{m}(\cos {\theta })\,e^{im\varphi }$

שמקיים

${1 \over 4\pi }\int _{\theta =0}^{\pi }\int _{\varphi =0}^{2\pi }Y_{\ell }^{m}\,Y_{\ell '}^{m'*}d\Omega =\delta _{\ell \ell '}\,\delta _{mm'}.$

בחקר המגנטיות, משתמשים בחצי-נרמול שמידט

$Y_{\ell }^{m}(\theta ,\varphi )={\sqrt {(\ell -m)! \over (\ell +m)!}}\,P_{\ell }^{m}(\cos {\theta })\,e^{im\varphi }$

שמקיים

$\int _{\theta =0}^{\pi }\int _{\varphi =0}^{2\pi }Y_{\ell }^{m}\,Y_{\ell '}^{m'*}d\Omega ={4\pi \over (2\ell +1)}\delta _{\ell \ell '}\,\delta _{mm'}.$

גם במכניקת הקוונטים משתמשים לעיתים קרובות בנרמול זה, והוא נקרא על שם הפיזיקאי הישראלי יואל רקח.

כאשר משתמשים בזהות הבאה (ראו פונקציות לז'נדר הנילוות)

$P_{\ell }^{-m}=(-1)^{m}{\frac {(\ell -m)!}{(\ell +m)!}}P_{\ell }^{m}$

ניתן להראות שכל ההרמוניות המנורמלות מקיימות

$Y_{\ell }^{m*}(\theta ,\varphi )=(-1)^{m}Y_{\ell }^{-m}(\theta ,\varphi ),$

כאשר הכוכבית מסמנת לקיחת צמוד מרוכב. משוואה זו נובעת גם מהיחס בין ההרמוניות הספריות עם מטריצת D של ויגנר (ראו: Wigner D-matrix#Relation with spherical harmonic functions).

פאזת קונדון-שורטלי

מקור אחד לבלבול בהגדרה של הרמוניות ספריות עוסק בפקטור פאזה של ^m‏(1-) שבדרך כלל קוראים לו "פאזת קונדון-שורטלי" (Condon-Shortley) בספרות העוסקת במכניקת הקוונטים. בקרב החוקרים העוסקים בפיזיקה קוונטית, ישנה פרקטיקה נפוצה או לכלול את הפאזה בהגדרת פונקציות לז'נדר הנלווים, או לבלוע אותה בהגדרה של ההרמוניות הספריות. אין דרישה להשתמש בפאזת קונדון-שורטלי בהגדרת ההרמוניות הספריות, אך כלילתה יכולה לפשט מספר פעולות קוונטיות, ובפרט העלאה והורדה של אופרטורי תנע זוויתי. חוקרים העוסקים בגאודזות ומגנטיות לא כוללות את פאזת קונדון-שורטלי בהגדרות שלהם עבור הרמוניות ספריות.

פיתוח בהרמוניות ספריות

ההרמוניות הספריות הן אוסף שלם ואורתוגונלי של פונקציות ובכך פורשות מרחב וקטורי באופן אנלוגי לוקטורי בסיס ליניארי. על ספירת היחידה, כל פונקציה אינטגרבילית בריבוע ניתן לפתח כצירוף ליניארי של הרמוניות ספריות:

$f(\theta ,\varphi )=\sum _{\ell =0}^{\infty }\sum _{m=-\ell }^{\ell }f_{\ell }^{m}\,Y_{\ell }^{m}(\theta ,\varphi ).$

פיתוח זה מדויק כל עוד $\ell$ הולך לאינסוף. שגיאות קטיעה יצוצו אם נקטע את הטור האינסופי ונהפוך אותו לסכום עד $\ell$ סופי כלשהו. את מקדמי הפיתוח ניתן לחשב על ידי כפילת הטור בצמוד המרוכב של הרמוניה ספרית ולבצע אינטגרציה על זווית מרחבית $\Omega \!\,$, תוך ניצול יחסי האורתוגונליות בין הפונקציות. עבור הנרמול האורתונורמלי, מקבלים:

$f_{\ell }^{m}=\int _{\Omega }f(\theta ,\varphi )\,Y_{\ell }^{m*}(\theta ,\varphi )d\Omega =\int _{0}^{2\pi }d\varphi \int _{0}^{\pi }d\theta \sin \theta f(\theta ,\varphi )Y_{\ell }^{m*}(\theta ,\varphi ).$

ניתן להשתמש באוסף חלופי של הרמוניות ספריות, שהן פונקציות ממשיות, בעזרת ההגדרה הבאה:

$Y_{\ell m}={\begin{cases}Y_{\ell }^{0}\qquad \qquad \qquad \qquad \qquad \qquad \qquad \qquad \qquad \qquad \quad \quad {\mbox{ if }}m=0\\{1 \over {\sqrt {2}}}\left(Y_{\ell }^{m}+(-1)^{m}\,Y_{\ell }^{-m}\right)={\sqrt {2}}N_{(l,m)}P_{\ell }^{m}(\cos \theta )\cos m\varphi \qquad \quad \quad {\mbox{if }}m>0\\{1 \over i{\sqrt {2}}}\left(Y_{\ell }^{-m}-(-1)^{m}\,Y_{\ell }^{m}\right)={\sqrt {2}}N_{(l,m)}P_{\ell }^{-m}(\cos \theta )\sin m\varphi \quad {\mbox{ if }}m<0.\end{cases}}$

כאשר $N_{(l,m)}$ הוא קבוע הנירמול של הפונקציה עבור $l$ ו-$m$. לפונקציות אלה יש את תכונות הנרמול כמו של ההרמוניות הספריות המרוכבות. בסימונים אלה, ניתן לפתח כל פונקציה ממשית אינטגרבילית בריבוע כטור אינסופי של הרמוניות ספריות ממשיות:

$f(\theta ,\varphi )=\sum _{\ell =0}^{\infty }\sum _{m=-\ell }^{\ell }f_{lm}\,Y_{lm}(\theta ,\varphi ).$

ראו גם רשימת הרמוניות ספריות ממשיות עד ל-l = 5. פונקציות אלה נבדלות בפאזה של (-1)^m מאלה הניתנות בערך זה.

אנליזה ספקטרלית

ההספק (power) הכולל של הפונקציה $f$ מוגדרת בספרות של עיבוד אותות כאינטגרל של הפונקציה בריבוע, חלקי השטח אותו היא פורשת. על ידי שימוש בתכונת האורתונורמליות של ההרמוניה הספרית הממשית על ספירת היחידה, אפשר לוודא על ידי חישוב ישיר שההספק הכולל של פונקציה המוגדרת על ספירת היחידה קשור למקדמים הספקטרלים שלה באמצעות הכללה של משפט פרסוול:

${\frac {1}{4\,\pi }}\int _{\Omega }f(\Omega )^{2}\,d\Omega =\sum _{l=0}^{\infty }S_{f\!f}(l),$

כאשר

$S_{f\!f}(l)=\sum _{m=-l}^{l}f_{lm}^{2}$

מוגדר כספקטרום ההספק הזוויתי. באופן דומה ניתן להגדיר את ההספק המשותף (cross-power) של 2 פונקציות כ:

${\frac {1}{4\,\pi }}\int _{\Omega }f(\Omega )\,g(\Omega )\,d\Omega =\sum _{l=0}^{\infty }S_{fg}(l),$

כאשר

$S_{fg}(l)=\sum _{m=-l}^{l}f_{lm}g_{lm}$

מוגדר כספקטרום ההספק המשותף. אם הפונקציות f ו-g הן בעלות ממוצע אפס (כלומר, המקדמים הספרים f₀₀ ו-g₀₀ הם אפס) אזי $\ S_{ff}(l)$ ו-$\ S_{fg}(l)$ מייצגות את התרומה של השונות והשונות המשותפת (covariance) עבור מעלה $\ell$, בהתאמה. בדרך כלל מקרבים את ספקטרום ההספק (המשותף) על ידי חוק חוזקה

$S_{f\!f}(l)=C\,\ell ^{\beta }.$

וזה קירוב טוב בדרך כלל. כאשר β = 0 הספקטרום "לבן" כאשר כל מעלה היא בעלת הספק שווה. כאשר β < 0, אומרים שהספקטרום "אדום" ויש יותר הספק במעלות הנמוכות עם אורכי גל ארוכים מאשר במעלות הגבוהות. כאשר β > 0 אומרים שהספקטרום "כחול".

משפט החיבור

תוצאה מתמטית מעניינת נקרא "משפט החיבור" עבור הרמוניות ספריות. שני וקטורים ${\vec {r}}$ ו-${\vec {r'}}$ עם קואורדינטות ספריות $(r,\theta ,\varphi )$ ו-$(r',\theta ',\varphi ')$, בהתאמה, כאשר הזווית ביניהם היא $\,\!\gamma$ הנתונה על ידי

$\cos \gamma =\cos \theta \cos \theta '+\sin \theta \sin \theta '\cos(\varphi -\varphi ')$.

משפט החיבור מבטא פולינום לז'נדר מסדר $l$ בזווית $\,\!\gamma$ כמכפלה של 2 הרמוניות ספריות עם קואורדינטות זוויתיות $(\theta ,\varphi )$ ו- $(\theta ',\varphi ')$ כ:

$P_{l}(\cos \gamma )={\frac {4\pi }{2l+1}}\sum _{m=-l}^{l}Y_{lm}^{*}(\theta ',\varphi ')\,Y_{lm}(\theta ,\varphi )$.

ביטוי זה תקף הן עבור הרמוניות ספריות מרוכבות והן ממשיות. לעומת זאת, יש להדגיש שהצורה המוצגת לעיל תקפה רק עבור הרמוניות ספריות אורתונורמליות מנורמלות. עבור הרמוניות עם הספק יחידה יש להסיר את הפקטור של $\ 4\pi$.

ההרמוניות הספריות הראשונות

ביטויים אנליטיים עבור ההרמוניות הספריות הראשונות שמשתמשות במוסכמת פאזת קונדון-שורטלי.

$Y_{0}^{0}(\theta ,\varphi )={1 \over 2}{\sqrt {1 \over \pi }}={\sqrt {\frac {1}{4\pi }}}$

$Y_{1}^{-1}(\theta ,\varphi )={1 \over 2}{\sqrt {3 \over 2\pi }}\,\sin \theta \,e^{-i\varphi }$

$Y_{1}^{0}(\theta ,\varphi )={1 \over 2}{\sqrt {3 \over \pi }}\,\cos \theta$

$Y_{1}^{1}(\theta ,\varphi )={-1 \over 2}{\sqrt {3 \over 2\pi }}\,\sin \theta \,e^{i\varphi }$

$Y_{2}^{-2}(\theta ,\varphi )={1 \over 4}{\sqrt {15 \over 2\pi }}\,\sin ^{2}\theta \,e^{-2i\varphi }$

$Y_{2}^{-1}(\theta ,\varphi )={1 \over 2}{\sqrt {15 \over 2\pi }}\,\sin \theta \,\cos \theta \,e^{-i\varphi }$

$Y_{2}^{0}(\theta ,\varphi )={1 \over 4}{\sqrt {5 \over \pi }}\,(3\cos ^{2}\theta -1)$

$Y_{2}^{1}(\theta ,\varphi )={-1 \over 2}{\sqrt {15 \over 2\pi }}\,\sin \theta \,\cos \theta \,e^{i\varphi }$

$Y_{2}^{2}(\theta ,\varphi )={1 \over 4}{\sqrt {15 \over 2\pi }}\,\sin ^{2}\theta \,e^{2i\varphi }$

$Y_{3}^{0}(\theta ,\varphi )={1 \over 4}{\sqrt {7 \over \pi }}\,(5\cos ^{3}\theta -3\cos \theta )$

ראו גם: הרמוניות ספריות נוספות (עד l=10)

הכללות

ניתן לראות את ההרמוניות הספריות כהצגה של חבורת הסימטריה של הסיבובים סביב נקודה (SO(3)) או החבורה עם האלגברה הזהה לה SU(2). ככאלה, חבורות אלה תופסות את הסימטריה של ספירה דו-ממדית. כל סט של הרמוניות ספריות עם l נתון ממפות את החבורה להצגה אי-פריקה (irreducible representation) של SO(3).

בנוסף לכך, הספירה הדו-ממדית שקולה לספירת רימן. קבוצת הסימטריות השלמה של ספירת רימן מתוארת על ידי חבורת העתקות מביוס $\ \operatorname {PSL} _{2}(\mathbb {C} )$, שהיא איזומורפית כחבורת לי ממשית לחבורת לורנץ. האנלוג עבור ההרמוניות ספריות עבור חבורת לורנץ הם טורים היפרגאומטריים; ואכן, ניתן לבטא את ההרמוניות הספריות במונחים של טורים היפרגאומטריים, כשם ש-SO(3) היא תת-חבורה של PSL(2,C).

באופן כללי יותר, טורים היפרגאומטריים ניתנים להכללה כדי לתאר את הסימטריה של כל מרחב סימטרי. בפרט, טורים היפרגאומטריים ניתנים לפיתוח עבור כל חבורת לי.

ראו גם

• תנע זוויתי
• מקדמי קלבש-גורדן
• חבורת הסיבובים
• פונקציה הרמונית
• תורת שטורם-ליוביל
• אורביטלים באטום

לקריאה נוספת

• A.R. Edmonds, Angular Momentum in Quantum Mechanics, (1957) Princeton University Press, מסת"ב 0-691-07912-9.
• E. U. Condon and G. H. Shortley, The Theory of Atomic Spectra, (1970) Cambridge at the University Press, מסת"ב 0-521-09209-4, See chapter 3.
• J.D. Jackson, Classical Electrodynamics, מסת"ב 0-471-30932-X
• Albert Messiah, Quantum Mechanics, volume II. (2000) Dover. מסת"ב 0-486-40924-4.
• D. A. Varshalovich, A. N. Moskalev, V. K. Khersonskii Quantum Theory of Angular Momentum,(1988) World Scientific Publishing Co., Singapore, מסת"ב 9971-5-0107-4

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא הרמוניות ספריות בוויקישיתוף

קישורים כלליים

• הרמוניות ספריות, באתר MathWorld (באנגלית)
• Spherical harmonics applied to Acoustic Field analysis on Trinnov Audio's research page
• Spherical harmonics on Mathworld
• Spherical Harmonic Models of Planetary Topography
• Spherical harmonics generator in OpenGL
• OpenGL Spherical harmonics demo
• General Solution to LaPlace's Equation in Spherical Harmonics (Spherical Harmonic Analysis). Solid Earth Geophysics.

תוכנות

• SHTOOLS: Fortran 95 software archive
• HEALPIX: Fortran 90 and C++ software archive
• SpherePack: Fortran 77 software archive
• SpharmonicKit: C software archive
• Frederik J Simons: Matlab software archive
• NFFT: C subroutine library (fast spherical Fourier transform for arbitrary nodes)
• Shansyn: spherical harmonics package for GMT/netcdf grd files

הערות שוליים

הערך באדיבות ויקיפדיה העברית, קרדיט,
רשימת התורמים
רישיון cc-by-sa 3.0

30137989הרמוניות ספריות