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

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 .
Weblinks
- Eric W. Weisstein: Confocal Ellipsoidal Coordinates. In: MathWorld (englisch).