Кіріспе
Математикалық сериялар
Көпполюсті кеңею – бұл функцияны, көбінесе шар координаттар жүйесінде қолданылатын екі бұрышқа (полярлық және азимуттық бұрыштарға) тәуелді ететін математикалық серия. Тейлор сериясына ұқсас, көпполюсті кеңеюлер пайдалы, себебі көбінесе бастапқы функцияның жақсы жуықтауын алу үшін алғашқы бірнеше мүшелері жеткілікті. Кеңейтіліп жатқан функция нақты немесе кешенді мәнді болуы мүмкін және ол немесе , немесе кейде басқа бір жағдайда анықталады.
Көпполюсті кеңеюлер электромагниттік және гравитациялық өрістерді зерттеуде жиі қолданылады, онда алыс нүктелердегі өрістер кішкентай аймақтағы көздер арқылы беріледі. Бұрыштармен көпполюсті кеңею көбінесе радиус бойынша кеңеюмен біріктіріледі. Мұндай біріктіру үш өлшемді кеңістікте функцияны сипаттайтын кеңеюді береді. Көпполюсті кеңею прогрессивті түрде нақтырақ бұрыштық ерекшеліктері бар (моменттері) мүшелердің қосындысы ретінде өрнектеледі. Бірінші (нөлдік ретті) мүше монопольдік момент, екінші (бірінші ретті) мүше дипольдік момент, үшінші (екінші ретті) мүше квадрупольдік момент, төртінші (үшінші ретті) мүше октупольдік момент деп аталады, және т.б. Грек сан префикстерінің шектеулілігіне байланысты, жоғары ретті мүшелер әдетте «полюс» сөзін қосып аталады, мысалы, 32 полюс (сирек дотриаконтаполь немесе триаконтадиполь) және 64 полюс (сирек тетрагексаконтаполь немесе гексаконтатетраполь). Көпполюсті момент әдетте координаталардың бастауына дейінгі қашықтықтың дәрежелерінен (немесе кері дәрежелерінен) және кейбір бұрыштық тәуелділіктен тұрады. Принцип бойынша, көпполюсті кеңею потенциалды дәл сипаттайды және әдетте екі шарт орындалғанда жинақталады: (1) егер көздер (мысалы, зарядтар) координаталардың бастауына жақын орналасса және потенциал бақыланатын нүкте координаталардың бастауынан алыс болса; немесе (2) керісінше, яғни егер көздер координаталардың бастауынан алыс орналасса және потенциал координаталардың бастауына жақын бақыланса. Бірінші (көбірек таралған) жағдайда, серияның кеңею коэффициенттері сыртқы көпполюстік моменттер немесе жай ғана көпполюстік моменттер деп аталады, ал екінші жағдайда олар ішкі көпполюстік моменттер деп аталады.
A multipole expansion is a mathematical series representing a function that depends on angles—usually the two angles used in the spherical coordinate system (the polar and azimuthal angles) for three dimensional Euclidean space, Similarly to Taylor series, multipole expansions are useful because oftentimes only the first few terms are needed to provide a good approximation of the original function. The function being expanded may be real or complex valued and is defined either on , or less often on for some other
Multipole expansions are used frequently in the study of electromagnetic and gravitational fields, where the fields at distant points are given in terms of sources in a small region. The multipole expansion with angles is often combined with an expansion in radius. Such a combination gives an expansion describing a function throughout three dimensional space. The multipole expansion is expressed as a sum of terms with progressively finer angular features (moments). The first (the zeroth order) term is called the monopole moment, the second (the first order) term is called the dipole moment, the third (the second order) the quadrupole moment, the fourth (third order) term is called the octupole moment, and so on. Given the limitation of Greek numeral prefixes, terms of higher order are conventionally named by adding " pole" to the number of poles—e. g., 32 pole (rarely dotriacontapole or triacontadipole) and 64 pole (rarely tetrahexacontapole or hexacontatetrapole). A multipole moment usually involves powers (or inverse powers) of the distance to the origin, as well as some angular dependence. In principle, a multipole expansion provides an exact description of the potential, and generally converges under two conditions: (1) if the sources (e. g. charges) are localized close to the origin and the point at which the potential is observed is far from the origin; or (2) the reverse, i. e., if the sources are located far from the origin and the potential is observed close to the origin. In the first (more common) case, the coefficients of the series expansion are called exterior multipole moments or simply multipole moments whereas, in the second case, they are called interior multipole moments.
Қолданбалар
Көпполюсті кеңеюлер массалар жүйелерінің гравитациялық өрістері, зарядтар мен токтардың электрлік және магниттік өрістері, сондай-ақ электромагниттік толқындардың таралуына қатысты мәселелерде кеңінен қолданылады. Классикалық мысал – атом ядроларының сыртқы көпполюсті моменттерін олардың электрондық орбитальдардың ішкі көпполюстерімен өзара әрекеттесу энергиясы арқылы есептеу. Ядроның көпполюсті моменттері ядро ішіндегі зарядтардың таралуы және, демек, ядроның пішіні туралы ақпарат береді. Көпполюсті кеңеюді бірінші нөлдік емес мүшесіне дейін қысқарту теориялық есептеулер үшін көбінесе пайдалы болады. Көпполюсті кеңеюлер сандық модельдеуде де қолданылады және Грингард пен Роклиннің жылдам көпполюсті әдісінің негізін құрайды – бұл өзара әрекеттесетін бөлшектер жүйелерінде энергия мен күштерді тиімді есептеуге арналған жалпы техника. Негізгі идея – бөлшектерді топтарға бөлу; топ ішіндегі бөлшектер әдеттегідей өзара әрекеттеседі (яғни, толық потенциал бойынша), ал бөлшектер топтары арасындағы энергиялар мен күштер олардың көпполюсті моменттері арқылы есептеледі. Жылдам көпполюсті әдістің тиімділігі, әдетте, Эвальд қосындысына ұқсас, бірақ бөлшектер кластерленген жағдайда, яғни жүйеде тығыздықтың үлкен ауытқулары болғанда, жоғарылайды.
Электростаттық зарядтың таралуынан тыс потенциалдың көпполярлы кеңеюі
N нүктелік зарядтардың qi-дан тұратын, 'r'i позициялық векторларымен сипатталатын дискретті заряд таралымын қарастырайық. Зарядтардың координата басының маңызында шоғырланғанын болжаймыз, сондықтан барлық i үшін: ri < rmax, мұнда rmax – белгілі бір шекті мән. Заряд таралымынан тыс, яғни , 'R' нүктесіндегі заряд таралымынан туындайтын V('R') потенциалын 1/R дәрежесімен кеңейтуге болады. Мұндай кеңейтудің екі тәсілі әдебиетте кездеседі: біріншісі – карталық x, y және z координаттарындағы Тейлор қатары, ал екіншісі – сфералық полярлық координаттарға тәуелді сфералық гармоникалар. Картезиандық тәсілдің артықшылығы – Лежандр функциялары, сфералық гармоникалар және т.б. туралы алдын ала білімді қажет етпеуі. Оның кемшілігі – туындылардың өте күрделі болуы (іс жүзінде, оның көп бөлігі 1780 жылдары Лежандр жасаған Лежандр кеңейтуінің жасырын қайта есептелуі). Сонымен қатар, көпполюстік кеңейтудің жалпы мүшесі үшін жабық формула беру қиын – көбінесе тек алғашқы бірнеше мүше беріледі, содан кейін эллипспен белгіленеді.
Конвенцияларға қатысты ескерту
Жоғарыда келтірілген күрделі молекулалық көпполюсті моменттің анықтамасы, осы мақалада берілген анықтаманың кешенді түйіндесі болып табылады, және ол Джексонның, сондай-ақ Бринк пен Сатчлердің классикалық электродинамика бойынша стандартты оқулығындағы анықтамаға сәйкес келеді.
Жалпы математикалық қасиеттері
Математика мен математикалық физикадағы көпполюстік моменттер функцияны ыдырату үшін ортогональды негіз құрайды, бұл негіз өрістің нүктелік көздерге жауабына негізделген, ал көздер бір-біріне шексіз жақын келтіріледі. Оларды әртүрлі геометриялық пішіндерде орналасқан немесе таралу теориясы тұрғысынан бағытталған туындылар ретінде қарастыруға болады. Көпполюстік кеңеюлер физикалық заңдардың және олармен байланысты дифференциалдық теңдеулердің жатқан айналу симметриясымен байланысты. Бастапқы шарттар (мысалы, масса, заряд немесе ток) симметриялық болмаса да, оларды айналу симметрия тобының өзгермейтін өкілдіктері арқылы кеңейтуге болады, бұл сфералық гармоникалар мен олармен байланысты ортогональды функциялар жиынтығына әкеледі. Радиалды тәуелділіктерге қатысты шешімдерді алу үшін айнымалыларды бөлу әдісі қолданылады. Көптеген өрістерді көпполюстік моменттердің шектеулі санымен жақсы жуықтауға болады (өрісті нақты қайта құру үшін шексіз көп моменттер қажет болуы мүмкін болса да). Типтік қолданыс – локальді заряд таралуының өрісін оның монопольдік және дипольдік мүшелерімен жуықтау. Белгілі бір көпполюстік моменттің белгілі бір реті үшін бір рет шешілген мәселелер берілген көз үшін соңғы жуықталған шешімді алу үшін сызықтық комбинациялануы мүмкін.