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Ellipsoid-Koordinaten

orthogonale Koordinaten, in denen ein Punkt des dreidimensionalen Raums durch Angabe der Lage auf einem Ellipsoid und konfokalen Hyperboloiden bestimmt wird From Wikipedia, the free encyclopedia

Ellipsoid-Koordinaten sind orthogonale Koordinaten, in denen ein Punkt des dreidimensionalen Raums durch Angabe der Lage auf einem Ellipsoid und konfokalen Hyperboloiden bestimmt wird, siehe Bild.

Koordinatenflächen der Ellipsoid-Koordinaten (η,θ,λ) mit a=60 und b=40. Das blaue Ellipsoid gehört zu η=70, das rote einschalige Hyperboloid entspricht θ=50 und das gelbe zweischalige λ=30.

Ellipsoid-Koordinaten (englisch ellipsoidal coordinates[1.1][2.1]) erlauben immer eine Trennung der Veränderlichen in der Laplace- und Helmholtz-Gleichung,[1.2] was deren Lösung stark vereinfacht. Ellipsoid-Koordinaten bieten sich zur Lösung von Randwertaufgaben dort an, wo die Ränder des Gebiets ellipsoid- oder hyperboloid­förmig sind.

Durch die Transformation auf elliptische Koordinaten kann die Schrödinger-Gleichung für das H2+-Molekül in Born-Oppenheimer-Näherung separiert und für spezielle Formen der potentiellen Energie auch gelöst werden.[2.2][3]

Sie sind nicht zu verwechseln mit den ellipsoidischen Koordinaten, die auf der Oberfläche eines Ellipsoids definiert sind und in der Geodäsie benutzt werden.

Koordinatenflächen

In Ellipsoid-Koordinaten[2.3][1.1] (η,θ,λ) bestehen die Koordinatenflächen aus einem Ellipsoid (η=const., blau im Bild oben),

einem einschaligen Hyperboloid (θ=const., rot im Bild oben)

und einem zweischaligen (mit λ=const., gelb im Bild oben)

Damit das möglich ist, muss

sein. Aus obigen drei Gleichungen können die Koordinatenquadrate bestimmt werden:

Die Koordinaten können mit den drei grundlegenden Jacobischen Funktionen , sinus–, cosinus– bzw. delta amplitudinis mit dem elliptischen Modul und dem komplementären Parameter als Funktion dreier Parameter α, β und γ dargestellt werden[2.1]:

In dieser Darstellung fällt θ≥0 und auf.

Metrische Faktoren, Weg- und Flächen- und Volumenelemente

Die kovarianten Basisvektoren sind mit :

die, wie es sein soll, senkrecht zueinander sind, und in dieser Reihenfolge ein Rechtssystem bilden.[4] Die metrischen Faktoren sind die Beträge der kovarianten Basisvektoren und lauten:[2.1]

Das ellipsoidische Orthonormalsystem ist dementsprechend

Das Linien-, Flächen- und Volumenelement ergibt sich zu[1.3][5.1]

Differentialoperatoren in Ellipsoid-Koordinaten

Wegen der länglichen Ausdrücke für die metrischen Faktoren wird auf die allgemeine Darstellung der Operatoren Gradient, Divergenz und Rotation eines Vektorfeldes im Hauptartikel verwiesen.

Der Laplace-Operator ist:[1.3]

oder mit ausgeführten Ableitungen und zusammengefasst:

Lösung der Laplace- und Helmholtz-Gleichung

In Ellipsoid-Koordinaten gelingt immer eine Trennung der Variablen in der Laplace- und Helmholtz-Gleichung. Aus der Literatur sind folgende zwei Ansätze bekannt.

Der Ansatz von Moon und Spencer

Ausgangspunkt des im Hauptartikel beschriebenen Vorgehens ist die Stäckel-Matrix[1.4]

mit der Determinante

und den Minoren

Damit sind die notwendigen und hinreichenden Bedingungen für eine einfache Separierbarkeit der skalaren Helmholtz-Gleichung gemäß

und

erfüllt. Die Faktoren für den Separationsansatz und die Trennungskonstanten bestimmen sich aus[1.5]

Bei der Helmholtz-Gleichung ist und bei der Laplace-Gleichung ist entsprechend .[1.6]

Der Ansatz von Morse und Feshbach

Ein anderer Ansatz[2.1] benutzt die Stäckel-Matrix

mit der Determinante

und den Minoren

Die Faktoren für den Separationsansatz und die Trennungskonstanten ergeben sich hier aus den Differenzialgleichungen

Auch hier ist bei der Helmholtz-Gleichung und bei der Laplace-Gleichung entsprechend .[1.6]

Wird hier durch und durch ersetzt, entstehen dieselben Differentialgleichungen wie sie #Der Ansatz von Moon und Spencer hervorbringt. Die mit den beiden Ansätzen ermittelten Differentialgleichungen unterscheiden sich nur in der Größe der Trennungskonstanten .

Einzelnachweise

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