ニュートンポテンシャルの多重極展開

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 本ページでは、ニュートンポテンシャル

\begin{align*}\frac{1}{\vert \boldsymbol r-\boldsymbol d\vert}\end{align*}

の多重極展開が

\begin{align*}\frac{1}{\vert \boldsymbol r-\boldsymbol d\vert}=\frac{1}{\vert\boldsymbol r\vert}+\frac{\vert\boldsymbol r\cdot\boldsymbol d\vert}{\vert\boldsymbol r\vert^3}+\frac{3\vert\boldsymbol r\cdot\boldsymbol d\vert^2-\vert\boldsymbol r\vert^2\vert\boldsymbol d\vert^2}{2\vert \boldsymbol r\vert^5}+\cdots\end{align*}

と表され、ルジャンドル多項式\(P_l(\cos\theta)\)を用いて

\begin{align*}\frac{1}{\vert \boldsymbol r-\boldsymbol d\vert}&=\sum_{l=0}^\infty\frac{\vert\boldsymbol d\vert^{l}}{\vert\boldsymbol r\vert^{l+1}}P_l(\cos\gamma)\tag{6}\end{align*}

となることを見る。

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 前ページでは、角度に依存する関数\(f(r,\theta,\varphi)\)の点\(x’,y’z’\)におけるテイラー展開である多重極展開が

\begin{align*}f(r,\theta,\varphi)&=f(x,y,z)\\&=\sum_{n_1=0}^\infty\sum_{n_2=0}^\infty\sum_{n_3=0}^\infty\frac{(x-x’)^{n_1}(y-y’)^{n_2}(z-z’)^{n_3}}{n_1!n_2!n_3!}\frac{\partial^{n_1+n_2+n_3}}{\partial x^{n_1}\partial y^{n_2}\partial z^{n_3}}f(x’,y’,z’)\end{align*}

と表されることを見た。

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内容

ニュートンポテンシャル

 重力場や電磁場のように大きさが距離の2乗に逆比例する場のポテンシャルをニュートンポテンシャルといい、次のような関数で表すことができる。

\begin{align*}f(\boldsymbol d)=\frac{1}{\vert\boldsymbol r-\boldsymbol d\vert}\tag{1}\end{align*}

ニュートンポテンシャルの多重極展開

 ニュートンポテンシャルは角度に依存する関数であるため、テイラー展開は多重極展開となる。

 ベクトル\(\boldsymbol d\)と\(\boldsymbol r\)を次のように直交座標表示

\begin{align*}\boldsymbol d&=(x,y,z)\\\boldsymbol r&=(r_x,r_y,r_z)\end{align*}

すると、関数\(f(\boldsymbol d)\)は次のように直交座標表示で表すことができる。

\begin{align*}f(\boldsymbol d)&=f(x,y,z)\\&=\frac{1}{\sqrt{(r_x-x)^2+(r_y-y)^2+(r_z-z)^2}}\\&=\{(r_x-x)^2+(r_y-y)^2+(r_z-z)^2\}^{-\frac{1}{2}}\tag{2}\end{align*}

関数\(f(\boldsymbol d)\)を原点\((0,0,0)\)まわりで多重極展開を行なうと

\begin{align*}f(\boldsymbol d)&=f(0,0,0)\\&\ \ \ +\left[x\frac{\partial }{\partial x}+y\frac{\partial }{\partial y}+z\frac{\partial }{\partial z}\right]f(0,0,0)\\&\ \ \ +\frac{1}{2}\left[x^2\frac{\partial^2 }{\partial x^2}+y^2\frac{\partial^2}{\partial y^2}+z^2\frac{\partial^2}{\partial z^2}+2xy\frac{\partial^2}{\partial x\partial y}+2yz\frac{\partial^2}{\partial y\partial z}+2zx\frac{\partial^2}{\partial z\partial x}\right]f(0,0,0)\\&\ \ \ +\frac{1}{3!}\cdots\\&\ \ \ +\cdots\tag{1}\end{align*}

となり、各微分項を計算すると

\begin{align*}\frac{\partial}{\partial x}f(0,0,0)&=\frac{1}{2}(r_x^2+r_y^2+r_z^2)^{-\frac{3}{2}}2r_x=r_x\vert\boldsymbol r\vert^{-3}\\\frac{\partial}{\partial y}f(0,0,0)&=\frac{1}{2}(r_x^2+r_y^2+r_z^2)^{-\frac{3}{2}}2r_y=r_y\vert\boldsymbol r\vert^{-3}\\\frac{\partial}{\partial z}f(0,0,0)&=\frac{1}{2}(r_x^2+r_y^2+r_z^2)^{-\frac{3}{2}}2r_z=r_z\vert\boldsymbol r\vert^{-3}\\\frac{\partial^2}{\partial x^2}f(0,0,0)&=-(r_x^2+r_y^2+r_z^2)^{-\frac{3}{2}}+3r_x^2(r_x^2+r_y^2+r_z^2)^{-\frac{5}{2}}=-\vert\boldsymbol r\vert^{-3}+3r_x^2\vert\boldsymbol r\vert^{-5}\\\frac{\partial^2}{\partial y^2}f(0,0,0)&=-(r_x^2+r_y^2+r_z^2)^{-\frac{3}{2}}+3r_y^2(r_x^2+r_y^2+r_z^2)^{-\frac{5}{2}}=-\vert\boldsymbol r\vert^{-3}+3r_y^2\vert\boldsymbol r\vert^{-5}\\\frac{\partial^2}{\partial z^2}f(0,0,0)&=-(r_x^2+r_y^2+r_z^2)^{-\frac{3}{2}}+3r_z^2(r_x^2+r_y^2+r_z^2)^{-\frac{5}{2}}=-\vert\boldsymbol r\vert^{-3}+3r_z^2\vert\boldsymbol r\vert^{-5}\\\frac{\partial^2}{\partial x\partial y}f(0,0,0)&=3r_xr_y(r_x^2+r_y^2+r_z^2)^{-\frac{5}{2}}=3r_xr_y\vert\boldsymbol r\vert^{-5}\\\frac{\partial^2}{\partial y\partial z}f(0,0,0)&=3r_yr_z(r_x^2+r_y^2+r_z^2)^{-\frac{5}{2}}=3r_yr_z\vert\boldsymbol r\vert^{-5}\\\frac{\partial^2}{\partial z\partial x}f(0,0,0)&=3r_zr_x(r_x^2+r_y^2+r_z^2)^{-\frac{5}{2}}=3r_zr_x\vert\boldsymbol r\vert^{-5}\end{align*}

となることから、これらを代入すると関数\(f(\boldsymbol d)\)の多重極展開は

\begin{align*}f(\boldsymbol d)=\frac{1}{\vert\boldsymbol r\vert}+\frac{xr_x+yr_y+zr_ z}{\vert\boldsymbol r\vert^3}+\frac{3(xr_x+yr_ y+zr_z)^2-\vert\boldsymbol r\vert^2(r_ x+r_y+r_z)^2}{2\vert \boldsymbol r\vert^5}+\cdots\tag{3}\end{align*}

となる。全ての項においてベクトル\(\boldsymbol d\)と\(\boldsymbol r\)で表すと

\begin{align*}\frac{1}{\vert \boldsymbol r-\boldsymbol d\vert}=\frac{1}{\vert\boldsymbol r\vert}+\frac{\vert\boldsymbol r\cdot\boldsymbol d\vert}{\vert\boldsymbol r\vert^3}+\frac{3\vert\boldsymbol r\cdot\boldsymbol d\vert^2-\vert\boldsymbol r\vert^2\vert\boldsymbol d\vert^2}{2\vert \boldsymbol r\vert^5}+\cdots\tag{4}\end{align*}

と綺麗にまとめてニュートンポテンシャルの多重極展開を表すことができる。

ルジャンドル多項式による表示

 ニュートンポテンシャルの多重極展開

\begin{align*}\frac{1}{\vert \boldsymbol r-\boldsymbol d\vert}=\frac{1}{\vert\boldsymbol r\vert}+\frac{\vert\boldsymbol r\cdot\boldsymbol d\vert}{\vert\boldsymbol r\vert^3}+\frac{3\vert\boldsymbol r\cdot\boldsymbol d\vert^2-\vert\boldsymbol r\vert^2\vert\boldsymbol d\vert^2}{2\vert \boldsymbol r\vert^5}+\cdots\tag{4}\end{align*}

において、ベクトル\(\boldsymbol d\)と\(\boldsymbol r\)のなす角を\(\gamma\)とすると次の内積の公式

\begin{align*}\boldsymbol r\cdot\boldsymbol d=\vert\boldsymbol r\vert\vert\boldsymbol d\vert\cos\gamma\tag{5}\end{align*}

が成り立つため、

\begin{align*}\frac{1}{\vert \boldsymbol r-\boldsymbol d\vert}&=\frac{1}{\vert\boldsymbol r\vert}+\frac{\vert\boldsymbol r\vert\vert\boldsymbol d\vert\cos\gamma}{\vert\boldsymbol r\vert^3}+\frac{\vert\boldsymbol r\vert^2\vert\boldsymbol d\vert^2(3\cos^2\gamma-1)}{2\vert \boldsymbol r\vert^5}+\cdots\\&=\sum_{l=0}^\infty\frac{\vert\boldsymbol d\vert^{l}}{\vert\boldsymbol r\vert^{l+1}}P_l(\cos\gamma)\tag{6}\end{align*}

とルジャンドル多項式\(P_l(\cos\gamma)\)を用いて表すことができる(ルジャンドル多項式については以前のページを参照)。

 なぜルジャンドル多項式\(P_l(\cos\gamma)\)で表すことができるかというと、ルジャンドル多項式の母関数は

\begin{align*}\frac{1}{\sqrt{1-2xt+t^2}}=\sum_{l=0}^\infty P_l(x)t^l\tag{7}\end{align*}

であり(以前のページを参照)、またニュートンポテンシャル\(f(\boldsymbol d)\)は

\begin{align*}f(\boldsymbol d)&=\frac{1}{\vert \boldsymbol r-\boldsymbol d\vert}\\&=\frac{1}{\sqrt{(\boldsymbol r-\boldsymbol d)\cdot(\boldsymbol r-\boldsymbol d)}}\\&=\frac{1}{\sqrt{\vert\boldsymbol r\vert^2+\vert\boldsymbol d\vert^2-2\boldsymbol r\cdot\boldsymbol d}}\\&=\frac{1}{\sqrt{\vert\boldsymbol r\vert^2+\vert\boldsymbol d\vert^2-2\vert\boldsymbol r\vert\vert\boldsymbol d\vert\cos\gamma}}\\&=\frac{1}{\vert\boldsymbol r\vert\sqrt{1+\frac{\vert\boldsymbol d\vert^2}{\vert\boldsymbol r\vert^2}-2\frac{\vert\boldsymbol d\vert}{\vert\boldsymbol r\vert}\cos\gamma}}\tag{8}\end{align*}

であるから、式(7)において\(t=\vert\boldsymbol d\vert/\vert\boldsymbol r\vert\)と\(x=\cos\gamma\)と置き換えすると式(6)が得られる。

 そもそも、1782年にアドリアン=マリ-ルジャンドルがルジャンドル多項式を見つけたとき、ニュートンポテンシャルの関数を展開したときの係数として初めて発見したのである。

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 次ページでは、ルジャンドル陪多項式の直交関係を求める。


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