拋物柱面坐標系

大約為 (2,\ - 1.5,\ 2) 。]]

拋物柱面坐標系()是一種三維正交坐標系。往 z-軸方向延伸二維的拋物線坐標系 ,則可得到拋物柱面坐標系。其坐標曲面是共焦的拋物柱面。拋物柱面坐標可以應用於許多物理問題。例如,物體邊緣的位勢論。

基本定義
直角坐標 (x,\ y,\ z) 可以用拋物柱面坐標 (\sigma,\ \tau,\ z) 表示為
:x = \sigma \tau 、
:y = \frac{1}{2} \left( \tau^{2} - \sigma^{2} \right) 、
:z = z ;

其中,\sigma\ge 0 ,\tau\ge 0 。

坐標 \sigma 為常數的曲線形成共焦的,凹性往 +y-軸的拋物柱面:
:2y = \frac{x^{2}}{\sigma^{2}} - \sigma^{2} ,

而坐標 \tau 為常數的曲線形成共焦的,凹性往 -y-軸的拋物柱面:
:2y = - \frac{x^{2}}{\tau^{2}} + \tau^{2} 。

這些拋物柱面的焦線的位置都在 z-軸。

徑向距 r 的公式為
:r = \sqrt{x^{2} + y^{2}} = \frac{1}{2} \left( \sigma^{2} + \tau^{2} \right)

當解析經典力學的反平方連心力問題時,假若採用拋物柱面坐標的哈密頓-亞可比方程式,則會用到這很有用的公式。參閱
拉普拉斯-龍格-冷次向量。

標度因子
拋物柱面坐標 \sigma 與 \tau 的標度因子相等;而 z 的標度因子是 1 :
:h_{\sigma} = h_{\tau} = \sqrt{\sigma^{2} + \tau^{2}} 、
:h_{z}=1 。

無窮小體積元素是
:dV = \left( \sigma^{2} + \tau^{2} \right) d\sigma d\tau dz 。

拉普拉斯算子是
:\nabla^{2} \Phi = \frac{1}{\sigma^{2} + \tau^{2}}
\left( \frac{\partial^{2} \Phi}{\partial \sigma^{2}} +
\frac{\partial^{2} \Phi}{\partial \tau^{2}} \right) +
\frac{\partial^{2} \Phi}{\partial z^{2}}。

其它微分算子,像 \nabla \cdot \mathbf{F} 、\nabla \times \mathbf{F} ,都可以用 (\sigma,\ \tau,\ z) 坐標表示,只要將標度因子代入在正交坐標系條目內對應的一般公式。

應用
拋物柱面坐標有一個經典的應用,這是在解析像拉普拉斯方程或亥姆霍茲方程這類的偏微分方程式。在這些方程式裏,拋物柱面坐標允許分離變數法的使用。個典型的例題是,有一塊半無限的平板導體,請問其周圍的電場為什麼?應用拋物柱面坐標,我們可以精緻地分析這例題。

參閱
參考文獻
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  • Same as Morse & Feshbach (1953), substituting uk for ξk

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外部連結
*數學世界的拋物柱面坐標系[http://mathworld.Wolfram.com/ParabolicCylindricalCoordinates.html 頁面]

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