Хелмхолцова једначина је елиптична парцијална диференцијална једначина:
![{\displaystyle (\Delta +k^{2})U=0}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/21e9ad4a49e557989155b0a8d83c1b80b69672a7)
где
представља Лапласов оператор,
је таласни број, а
амплитуда.
Нехомогена Хелмхолцова једначина је облика:
![{\displaystyle (\Delta +k^{2})U=f}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/cbcf1213c44664571fa6835dadb5da406a109f9e)
Може се приметити да у Хелмхолцовој једначини нема оператора који представљају изводе по времену. Хелмхолцова једначина може да се добије из таласне једначине:
(1)
Претпоставља се да се таласна функција даде решити сепарацијом променљивих по простору и времену:
(2)
Уврштавајући (2) у (1) добијамо следећу једначину:
(3)
Лева страна једначине (3) зависи само од просторних координата, а десна страна од времена. Због свега тога у општем случају обе стране једначине су једнаке некој константи, па добијамо две једначине:
(4)
и
(5)
Преуређујући једначину (4) добијамо:
(6)
а преуређујући једначину (5) уз помоћ супституције
добија се:
![{\displaystyle {\frac {d^{2}{T}}{d{t}^{2}}}+\omega ^{2}T=\left({d^{2} \over dt^{2}}+\omega ^{2}\right)T=0,}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/26c9a5fc7511928eec0b2fd37d7b697504d9f708)
При томе k је таласни вектор, а ω је угаона фреквенција.
Решавање Хелмхолцове једначине сепарацијом променљивих[уреди | уреди извор]
За Хелмхолцову једначину:
(7)
Лапласијан се у поларним координатама пише као:
![{\displaystyle {\begin{aligned}\Delta A&={1 \over r}{\partial \over \partial A}\left(r{\partial A \over \partial r}\right)+{1 \over r^{2}}{\partial ^{2}A \over \partial \phi ^{2}}&={1 \over r}{\partial A \over \partial r}+{\partial ^{2}A \over \partial r^{2}}+{1 \over r^{2}}{\partial ^{2}A \over \partial \phi ^{2}}.\end{aligned}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/896cd20495adb9462072dd1bbaf3a36c911ae3d3)
Због тога једначина (7) постаје:
(8)
Једначину покушавамо да решимо сепарацијом варијабли:
![{\displaystyle A(r,\theta )=R(r)\Theta (\theta ),\,}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/1148f917cf5329e1498f0cb72c22cb8b9961a560)
гдее Θ мора да буде периодична са периодом 2π. Одатле следи:
(9)
и
(10)
Решења од (9) и (10) су:
![{\displaystyle \Theta =\alpha \cos n\theta +\beta \sin n\theta ,\,}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/b22aab2b4d9eeddde4bc0c422b2813caf09af705)
![{\displaystyle R(r)=\gamma J_{n}(\rho ),\,}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/1689fcf0a13340771ab4e8377db8461b7e0b67f0)
где је
Беселова функција, која је решење Беселове једначине:
![{\displaystyle \rho ^{2}J_{n}''+\rho J_{n}'+(\rho ^{2}-n^{2})J_{n}=0,}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/2111cb23697b2e360a9303b8a33bb055e4e7c56b)
Тродимензионално решење у сферним координатама[уреди | уреди извор]
У сферним координатама опште решење Хелмхолцове једначине је:
![{\displaystyle A(r,\theta ,\varphi )=\sum _{\ell =0}^{\infty }\sum _{m=-\ell }^{\ell }(a_{\ell m}j_{\ell }(kr)+b_{\ell m}y_{\ell }(kr))Y_{\ell }^{m}({\theta ,\varphi }).}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/3b5a51de924b34217d88b2fe8eac03446f82a46a)
где су
и
сферне Беселове функције, а :
представља сферне хармонике.
Нехомогена Хелмхолцова једначина[уреди | уреди извор]
Нехомогена Хелмхолцова једначина:
![{\displaystyle (\Delta +k^{2})U=f}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/cbcf1213c44664571fa6835dadb5da406a109f9e)
рјешава се уз помоћ Гринове функције, односно:
![{\displaystyle \nabla ^{2}G(x)+k^{2}G(x)=\delta (x).\,}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/8d5ca0c2e36d0b02e9753b73121b44682901752a)
Пошто је:
![{\displaystyle (\triangle +k^{2}){\frac {1}{|x|}}e^{ik|x|}=e^{ik|x|}\triangle {\frac {1}{|x|}}+2\left(\operatorname {grad} \,\,e^{ik|x|},\operatorname {grad} {\frac {1}{|x|}}\right)+{\frac {1}{|x|}}\triangle e^{ik|x|}+{\frac {k^{2}}{|x|}}e^{ik|x|}=}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/fc49dcf9db065d782c0fd9939ce0d4f3b5990e85)
![{\displaystyle =-4\pi e^{ik|x|}\delta (x)+\left(-{\frac {2ik}{|x|^{2}}}+{\frac {2ik}{|x|^{2}}}-{\frac {k^{2}}{|x|}}+{\frac {k^{2}}{|x|}}\right)e^{ik|x|}=-4\pi \delta (x).}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/552c9ce9588fac4669c90002047245d95bb1be41)
онда је тродимензионална Гринова функција:
![{\displaystyle G_{1}(x)=-{\frac {e^{ik|x|}}{4\pi |x|}},\qquad G_{2}=-{\frac {e^{-ik|x|}}{4\pi |x|}}.}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/c0c253b74d241f06db16f7a32a8b4832c1435f14)
Горе написане једначине могу да се пишу у векторском облику као:
![{\displaystyle \left(\Delta +k^{2}\right)G({\vec {r}},{\vec {r}}')=\delta ({\vec {r}}-{\vec {r}}')}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/6413981c7db9ca58bb7f2fbec7ef718d06b6bcdf)
а Гринова функција као:
![{\displaystyle G({\vec {r}},{\vec {r}}')=-{\frac {\exp(\pm ik|{\vec {r}}-{\vec {r}}'|)}{4\pi |{\vec {r}}-{\vec {r}}'|}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/2695148ff530c9ee307acbe739313807642cc0a4)
Решење нехомогене Хелмхолцове једначине се онда може приказати помоћу Гринове функције као:
- Korn GA and Korn TM. (1961) Mathematical Handbook for Scientists and Engineers, McGraw-Hill.
- Abramowitz, Milton; Stegun, Irene A., eds. , Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs, and Mathematical Tables. . New York: Dover. 1965. ISBN 978-0-486-61272-0.
- Morse PM, Feshbach H . Methods of Theoretical Physics, Part I. . New York: McGraw-Hill. 1953. ISBN 978-0-07-043316-8.
- Хелмхолцове једначине