Arfken 7판 15.1–15.3절 (르장드르 다항식, 생성함수, 점화식, 직교성, 르장드르 급수, 다중극 전개)과 15.6절 일부 (제2종 르장드르 함수; 절 번호는 기억 기반, 미검증)
르장드르 다항식(Legendre polynomial) $P_l(x)$는 구간 $-1\le x\le1$에서 쓰는 다항식입니다. 물리에서는 거의 항상 $x=\cos\theta$입니다.
| $l$ | $P_l(x)$ | $P_l(\cos\theta)$로 쓰면 |
|---|---|---|
| 0 | $1$ | $1$ |
| 1 | $x$ | $\cos\theta$ |
| 2 | $\dfrac12(3x^2-1)$ | $\dfrac12(3\cos^2\theta-1)$ |
| 3 | $\dfrac12(5x^3-3x)$ | $\dfrac12(5\cos^3\theta-3\cos\theta)$ |
| 4 | $\dfrac18(35x^4-30x^2+3)$ | |
| 5 | $\dfrac18(63x^5-70x^3+15x)$ |
| 이름 | 식 |
|---|---|
| 로드리게스 공식(Rodrigues' formula) | $P_l(x)=\dfrac{1}{2^l\,l!}\dfrac{d^l}{dx^l}(x^2-1)^l$ |
| 생성함수(generating function) | $\dfrac{1}{\sqrt{1-2xt+t^2}}=\sum_{l=0}^\infty P_l(x)\,t^l\quad(|t|<1)$ |
| 점화식(recurrence relation) | $(l+1)P_{l+1}=(2l+1)xP_l-lP_{l-1}$ |
| 미분 점화식 | $P'_{l+1}-P'_{l-1}=(2l+1)P_l$ |
| 직교성(orthogonality) | $\int_{-1}^1P_lP_m\,dx=\dfrac{2}{2l+1}\delta_{lm}$ |
| 특수값 | $P_l(1)=1,\quad P_l(-1)=(-1)^l,\quad P_l(-x)=(-1)^lP_l(x)$ |
| 르장드르 방정식 | $(1-x^2)y''-2xy'+l(l+1)y=0$ |
짝수 $l$이면 짝수 차수만, 홀수 $l$이면 홀수 차수만 들어 있습니다. 계산이 끝나면 $x=1$을 넣어 1이 나오는지 확인하는 습관을 들이세요.
$P_2$. $(x^2-1)^2=x^4-2x^2+1$ 입니다. 두 번 미분하면 상수 1은 사라지고
$$\frac{d^2}{dx^2}(x^4-2x^2+1)=12x^2-4.$$$2^2\cdot2!=8$로 나눕니다: $P_2=\dfrac{12x^2-4}{8}=\dfrac{3x^2-1}{2}$. 확인: $P_2(1)=\frac{3-1}{2}=1$.
$P_3$. $(x^2-1)^3=x^6-3x^4+3x^2-1$ 입니다. 세 번 미분할 때 $3x^2$와 $-1$은 사라집니다.
$$\begin{aligned}\frac{d^3}{dx^3}x^6&=6\cdot5\cdot4\,x^3=120x^3,\\ \frac{d^3}{dx^3}(-3x^4)&=-3\cdot4\cdot3\cdot2\,x=-72x.\end{aligned}$$$2^3\cdot3!=48$로 나눕니다: $P_3=\dfrac{120x^3-72x}{48}=\dfrac{5x^3-3x}{2}$. 확인: $P_3(1)=\frac{5-3}{2}=1$.
패리티 $P_l(-x)=(-1)^lP_l(x)$. $x\to-x$와 $t\to-t$를 동시에 하면 $-2xt$와 $t^2$이 그대로이므로 $g(-x,-t)=g(x,t)$입니다.
$$\sum_lP_l(-x)(-t)^l=\sum_lP_l(x)\,t^l.$$$t^l$의 계수를 비교하면 $(-1)^lP_l(-x)=P_l(x)$입니다. 그래서 짝수 $l$은 짝함수, 홀수 $l$은 홀함수입니다. $P_l(1)=1$은 아래 예제 (a)처럼 $g(1,t)=\frac1{1-t}$에서 바로 나옵니다.
(a) $x=1$. $1-2t+t^2=(1-t)^2$ 이므로 $g=\dfrac1{1-t}=1+t+t^2+\cdots$. 모든 계수가 1이므로 $P_l(1)=1$.
(b) $x=-1$. $g=\dfrac{1}{1+t}=1-t+t^2-\cdots$ 이므로 $P_l(-1)=(-1)^l$.
(c) $x=0$. $g=(1+t^2)^{-1/2}$. 이항 전개($p=-\tfrac12$, $\epsilon=t^2$)를 하면
$$\begin{aligned}(1+t^2)^{-1/2}=1&-\frac12t^2+\frac38t^4\\&-\frac5{16}t^6+\frac{35}{128}t^8-\cdots\end{aligned}$$홀수 차수가 없으므로 $P_{2n+1}(0)=0$입니다. 짝수는 $P_0(0)=1$, $P_2(0)=-\frac12$, $P_4(0)=\frac38$, $P_6(0)=-\frac5{16}$. 일반식은
$$\begin{aligned}P_{2n}(0)&=(-1)^n\frac{(2n)!}{2^{2n}(n!)^2}\\&=(-1)^n\frac{1\cdot3\cdot5\cdots(2n-1)}{2\cdot4\cdot6\cdots(2n)}.\end{aligned}$$(d) $P_l$ 확인. $u=2xt-t^2$ 에서 $u^2=4x^2t^2-4xt^3+t^4$, $u^3=8x^3t^3+(t^4\text{ 이상})$.
점화식은 생성함수를 $t$로 미분해서 나옵니다. $\partial_tg=(x-t)(1-2xt+t^2)^{-3/2}$ 이므로
$$(1-2xt+t^2)\,\partial_tg=(x-t)\,g.$$양변에 $g=\sum P_lt^l$, $\partial_tg=\sum lP_lt^{l-1}$을 넣고 $t^l$의 계수만 모읍니다.
$$\begin{aligned}&(l+1)P_{l+1}-2x\,lP_l+(l-1)P_{l-1}\\&=xP_l-P_{l-1}.\end{aligned}$$정리하면 $(l+1)P_{l+1}=(2l+1)xP_l-lP_{l-1}$입니다. $2l+1$은 왼쪽의 $2l$과 오른쪽의 $1$이 합쳐진 것입니다.
$P_4$ ($l=3$):
$$\begin{aligned}4P_4&=7x\cdot\frac{5x^3-3x}{2}\\&\quad-3\cdot\frac{3x^2-1}{2}\\&=\frac{35x^4-21x^2-9x^2+3}{2}=\frac{35x^4-30x^2+3}{2},\\ P_4&=\frac{35x^4-30x^2+3}{8}.\end{aligned}$$확인: $\frac{35-30+3}{8}=1$.
$P_5$ ($l=4$): 분모를 8로 맞춥니다.
$$\begin{aligned}9xP_4&=\frac{315x^5-270x^3+27x}{8},\\ 4P_3&=\frac{80x^3-48x}{8},\\ 5P_5&=9xP_4-4P_3=\frac{315x^5-350x^3+75x}{8},\\ P_5&=\frac{63x^5-70x^3+15x}{8}.\end{aligned}$$확인: $\frac{63-70+15}{8}=1$.
미분 점화식은 $\partial_x$와 $\partial_t$를 섞어서 나옵니다. $x$로 미분하면 $(1-2xt+t^2)\,\partial_xg=t\,g$ 입니다. 3절 상자의 식과 비교하면
$$t\,\partial_tg=(x-t)\,\partial_xg.$$$t^l$의 계수: $lP_l=xP_l'-P_{l-1}'$. 한편 점화식을 $x$로 미분하면
$$(l+1)P_{l+1}'=(2l+1)\big(P_l+xP_l'\big)-lP_{l-1}'.$$여기에 $xP_l'=lP_l+P_{l-1}'$을 넣으면 $(l+1)P'_{l+1}=(2l+1)(l+1)P_l+(l+1)P'_{l-1}$. 양변을 $l+1$로 나누면 끝입니다.
확인. $P_3'=\frac{15x^2-3}{2}$, $P_1'=1$ 이므로
$$\begin{aligned}P_3'-P_1'&=\frac{15x^2-3-2}{2}=\frac{15x^2-5}{2}\\&=5\cdot\frac{3x^2-1}{2}=5P_2.\ \checkmark\end{aligned}$$적분. 레시피 3에 $l=3$을 넣고 예제 2-1의 $P_2(0)=-\frac12$, $P_4(0)=\frac38$을 씁니다.
$$\begin{aligned}\int_0^1P_3\,dx&=\frac{P_2(0)-P_4(0)}{7}=\frac{-\frac12-\frac38}{7}\\&=\frac{-\frac78}{7}=-\frac18.\end{aligned}$$직접 계산과 비교: $\int_0^1\frac{5x^3-3x}{2}dx=\frac12\big(\frac54-\frac32\big)=-\frac18$. 같습니다.
(a) 직교: 로드리게스 공식과 부분적분 $l$번. $m<l$이라 하고 $\int_{-1}^1P_m\,\frac{d^l}{dx^l}(x^2-1)^l\,dx$를 봅니다. $(x^2-1)^l=(x-1)^l(x+1)^l$은 $x=\pm1$에서 $l$중 영점이라, $l-1$번까지 미분한 것은 끝점에서 0입니다. 그래서 부분적분할 때마다 경계항이 사라지고 미분이 $P_m$으로 넘어갑니다.
$$\begin{aligned}&\int_{-1}^1P_m\,\frac{d^l(x^2-1)^l}{dx^l}dx\\&=(-1)^l\int_{-1}^1\frac{d^lP_m}{dx^l}\,(x^2-1)^l\,dx=0.\end{aligned}$$$P_m$은 $m$차라서 $l>m$번 미분하면 0이기 때문입니다.
(b) 정규화 $\frac{2}{2l+1}$: 생성함수를 제곱해 적분.
$$\begin{aligned}\int_{-1}^1g^2\,dx&=\int_{-1}^1\frac{dx}{1-2xt+t^2}=\frac1t\ln\frac{1+t}{1-t}\\&=\sum_{l=0}^\infty\frac{2}{2l+1}t^{2l}.\end{aligned}$$(마지막은 L01의 $\ln\frac{1+u}{1-u}$ 급수입니다.) 왼쪽에 $g^2=\sum_{l,m}P_lP_mt^{l+m}$을 넣으면 (a) 때문에 $l=m$ 항만 남아 $\sum_lt^{2l}\int P_l^2\,dx$가 됩니다. $t^{2l}$의 계수를 비교하면 $\int_{-1}^1P_l^2\,dx=\frac{2}{2l+1}$.
(a) $P_2^2=\frac14(9x^4-6x^2+1)$ 이고 $\int_{-1}^1x^4=\frac25$, $\int_{-1}^1x^2=\frac23$, $\int_{-1}^11=2$ 이므로
$$\begin{aligned}\int_{-1}^1P_2^2\,dx&=\frac14\Big(\frac{18}{5}-4+2\Big)=\frac14\cdot\frac85\\&=\frac25=\frac{2}{2\cdot2+1}.\ \checkmark\end{aligned}$$또 $\int_{-1}^1P_1P_3\,dx=\frac12\int_{-1}^1(5x^4-3x^2)dx=\frac12(2-2)=0$.
(b) 레시피 2로 $xP_l$을 바꾸고 $P_{l+1}$을 곱해 적분합니다. $P_{l-1}P_{l+1}$ 항은 0입니다.
$$\begin{aligned}\int_{-1}^1xP_lP_{l+1}\,dx&=\frac{l+1}{2l+1}\int_{-1}^1P_{l+1}^2\,dx\\&=\frac{l+1}{2l+1}\cdot\frac{2}{2l+3}\\&=\frac{2(l+1)}{(2l+1)(2l+3)}.\end{aligned}$$$l=1$로 확인: 공식은 $\frac{4}{15}$. 직접 하면 $\int_{-1}^1x\cdot x\cdot\frac{3x^2-1}{2}dx=\frac12\big(\frac65-\frac23\big)=\frac4{15}$.
$x^2$: $x^2=\frac13P_0+\frac23P_2$. (계수 합 $\frac13+\frac23=1$)
$x^3$: $P_3=\frac{5x^3-3x}{2}$ 에서 $x^3=\frac{2P_3+3x}{5}$ 이므로 $x^3=\frac25P_3+\frac35P_1$.
$x^4$: $P_4=\frac{35x^4-30x^2+3}{8}$ 에서 $x^4=\frac{8P_4+30x^2-3}{35}$. 여기에 $30x^2=10P_0+20P_2$를 넣습니다.
$$\begin{aligned}x^4&=\frac{8P_4+20P_2+10P_0-3P_0}{35}\\&=\frac{8}{35}P_4+\frac47P_2+\frac15P_0.\end{aligned}$$확인: $\frac{8}{35}+\frac{20}{35}+\frac{7}{35}=1$.
$x=0$에서는 홀수 $P_l$이 전부 0이라 급수가 $\frac12$, 즉 점프의 중간값을 줍니다.
짝함수이므로 $a_l=(2l+1)\int_0^1xP_l\,dx$ (짝수 $l$만).
생성함수에 $t=r_</r_>$, $x=\cos\gamma$를 넣으면 거리의 역수가 전개됩니다($\gamma$는 $\mathbf r$과 $\mathbf r'$ 사이의 각).
$$\frac{1}{|\mathbf r-\mathbf r'|}=\sum_{l=0}^\infty\frac{r_<^l}{r_>^{l+1}}P_l(\cos\gamma)$$여기서 $r_<=\min(r,r')$, $r_>=\max(r,r')$입니다.
다중극 전개는 생성함수 그 자체입니다. 코사인 법칙으로
$$\begin{aligned}|\mathbf r-\mathbf r'|^2&=r^2+r'^2-2rr'\cos\gamma\\&=r_>^2\big(1-2xt+t^2\big),\end{aligned}$$여기서 $t=r_</r_>$, $x=\cos\gamma$입니다. 따라서 $\frac{1}{|\mathbf r-\mathbf r'|}=\frac{1}{r_>}\,g(x,t)$이고, 생성함수 전개를 그대로 쓰면 위 식이 됩니다. $t<1$이 되도록 작은 쪽을 분자에 둔 것이 $r_<$, $r_>$입니다.
지름길이 맞는 이유: 축 대칭 퍼텐셜은 바깥에서 $\sum_l\frac{B_l}{r^{l+1}}P_l(\cos\theta)$ 꼴입니다. $\theta=0$에서는 $P_l(1)=1$이라 $\sum_l\frac{B_l}{r^{l+1}}$이 되므로, 축 위 전개의 계수가 바로 $B_l$입니다.
$+q$는 $\gamma=\theta$, $-q$는 $\gamma=\pi-\theta$입니다.
$$\begin{aligned}\Phi&=kq\sum_l\frac{a^l}{r^{l+1}}P_l(\cos\theta)\\&\quad-kq\sum_l\frac{a^l}{r^{l+1}}(-1)^lP_l(\cos\theta)\\&=kq\sum_l\big[1-(-1)^l\big]\frac{a^l}{r^{l+1}}P_l(\cos\theta).\end{aligned}$$$1-(-1)^l$은 짝수 $l$에서 0, 홀수 $l$에서 2입니다.
$$\begin{aligned}\Phi&=2kq\Big[\frac{a}{r^2}P_1(\cos\theta)+\frac{a^3}{r^4}P_3(\cos\theta)+\cdots\Big]\\&\approx\frac{k\,p\cos\theta}{r^2},\qquad p=2qa.\end{aligned}$$첫 항이 익숙한 쌍극자 퍼텐셜이고, 다음 보정은 $(a/r)^2$만큼 작습니다.
그림 표기로 보기: G3 3절 예제 3-2 — ℓ=2 항을 변환기 하나로: Φ₂ = (k/r³)[(3/2)n·Mn − ½ tr M], M = Σq r r. 연습 D1과 축 대칭이 아닌 사중극자.
축 위에서 정확히 ($z=r>L$):
$$\Phi(r,0)=k\lambda\int_{-L}^{L}\frac{ds}{r-s}=k\lambda\ln\frac{r+L}{r-L}.$$L01의 $\ln\frac{1+u}{1-u}=2u+\frac{2u^3}{3}+\frac{2u^5}{5}+\cdots$에 $u=L/r$을 넣습니다.
$$\Phi(r,0)=k\lambda\Big[\frac{2L}{r}+\frac{2L^3}{3r^3}+\frac{2L^5}{5r^5}+\cdots\Big].$$$P_l$ 붙이기: $\frac1r$ 항은 $l=0$, $\frac1{r^3}$ 항은 $l=2$, $\frac1{r^5}$ 항은 $l=4$입니다.
$$\begin{aligned}\Phi(r,\theta)=\frac{kQ}{r}\Big[1&+\frac{L^2}{3r^2}P_2(\cos\theta)\\&+\frac{L^4}{5r^4}P_4(\cos\theta)+\cdots\Big].\end{aligned}$$다중극 전개로 직접 해도 같습니다. $s<0$ 쪽은 $|s|^l(-1)^l=s^l$이 되어 계수가 $\lambda\int_{-L}^Ls^l\,ds$이고, 홀수 $l$은 0입니다.
두 번째 해는 차수 내림법(L16)으로 나옵니다. $y''+p\,y'+q\,y=0$의 한 해가 $y_1$이면 $y_2=y_1\int\frac{e^{-\int p\,dx}}{y_1^2}dx$입니다. 르장드르 방정식을 $1-x^2$으로 나누면 $p=-\frac{2x}{1-x^2}$, 그래서 $e^{-\int p\,dx}=\frac{1}{1-x^2}$입니다.
$$Q_l=P_l\int\frac{dx}{(1-x^2)P_l^2}.$$$l=0$이면 $\int\frac{dx}{1-x^2}$가 바로 $Q_0$입니다. 적분상수는 $P_l$의 배수를 더할 뿐이므로, 표준 $Q_l$은 $P_l$ 성분이 섞이지 않게(패리티가 $(-1)^{l+1}$이 되게) 고른 것입니다. 피적분함수가 $x=\pm1$에서 $\frac{1}{1-x^2}$처럼 커지니 $Q_l$이 로그로 발산하는 것도 여기서 보입니다.
론스키안: $Q_l=P_lF$, $F'=\frac{1}{(1-x^2)P_l^2}$로 두면 $P_lQ_l'-P_l'Q_l=P_l^2F'=\frac{1}{1-x^2}$입니다. (아벨 공식 $W=Ce^{-\int p\,dx}$에서 $C=1$인 경우)
$Q_0$ ($P_0=1$): $Q_0=\int\frac{dx}{1-x^2}$. 부분분수 $\frac{1}{1-x^2}=\frac12\big(\frac1{1-x}+\frac1{1+x}\big)$로 적분하면 $\frac12\big[-\ln(1-x)+\ln(1+x)\big]=\frac12\ln\frac{1+x}{1-x}$.
$Q_1$ ($P_1=x$): 부분분수 $\frac{1}{x^2(1-x^2)}=\frac1{x^2}+\frac{1}{1-x^2}$ 이므로
$$\begin{aligned}Q_1&=x\int\Big(\frac1{x^2}+\frac1{1-x^2}\Big)dx\\&=x\Big(-\frac1x+Q_0\Big)=xQ_0-1.\end{aligned}$$확인 ($l=1$이면 $l(l+1)=2$). $Q_0'=\frac1{1-x^2}$을 쓰면
$$\begin{aligned}Q_1'&=Q_0+\frac{x}{1-x^2},\\ Q_1''&=\frac{1}{1-x^2}+\frac{1+x^2}{(1-x^2)^2}=\frac{2}{(1-x^2)^2}.\end{aligned}$$ $$\begin{aligned}&(1-x^2)Q_1''-2xQ_1'+2Q_1\\&=\frac{2}{1-x^2}-2xQ_0-\frac{2x^2}{1-x^2}+2xQ_0-2\\&=\frac{2-2x^2}{1-x^2}-2=0.\ \checkmark\end{aligned}$$$Q_2$: 점화식에 $l=1$을 넣습니다.
$$\begin{aligned}2Q_2&=3xQ_1-Q_0=3x(xQ_0-1)-Q_0\\&=(3x^2-1)Q_0-3x,\\ Q_2&=P_2Q_0-\frac32x.\end{aligned}$$패리티 확인: $Q_0$이 홀함수, $P_2$가 짝함수라 $Q_2$는 홀함수입니다. $(-1)^{2+1}=-1$과 맞습니다.
론스키안 ($l=1$):
$$\begin{aligned}P_1Q_1'-P_1'Q_1&=x\Big(Q_0+\frac{x}{1-x^2}\Big)-(xQ_0-1)\\&=\frac{x^2}{1-x^2}+1=\frac{1}{1-x^2}.\ \checkmark\end{aligned}$$$x\to1$ 근처에서 $Q_2\approx\frac12\ln\frac{2}{1-x}-\frac32$로 발산합니다. $z$축을 포함하는 문제에서 $Q_l$을 버리는 이유입니다.
종이에 먼저 풀고 답을 여세요. 모든 답은 SymPy로 검산했습니다.
A1. 로드리게스 공식으로 $P_4$를 구하세요.
A2. 점화식으로 $P_6$을 구하세요.
A3. $P_5(1)$, $P_5(-1)$, $P_6(0)$, $P_8(0)$
A4. 르장드르 방정식에 $x=1$을 넣어 $P'_l(1)=\frac{l(l+1)}{2}$를 보이고, $P'_4(1)$을 구하세요.
A5. $P_3(\cos\theta)$를 $\cos3\theta$와 $\cos\theta$로 쓰세요.
B1. $l=3$에서 미분 점화식 $P_4'-P_2'=7P_3$을 확인하세요.
B2. $\displaystyle\int_0^1P_5\,dx$
B3. $\displaystyle\int_{-1}^1xP_2P_3\,dx$
B4. $\displaystyle\int_{-1}^1xP_1P_3\,dx$
B5. $\displaystyle\int_{-1}^1x^2P_2\,dx$
B6. $\displaystyle\int_{-1}^1x^2P_2^2\,dx$
B7. $\displaystyle\int_{-1}^1P_l\,P'_{l+1}\,dx$ (모든 $l$에 대해)
C1. $1+x+x^2$를 $P_l$로 전개하세요.
C2. $x^5$를 $P_l$로 전개하세요.
C3. $f(x)=0$ ($-1<x<0$), $f(x)=x$ ($0<x<1$)의 $a_0$, $a_1$, $a_2$
C4. 부호함수 $\mathrm{sgn}\,x$의 $a_1$, $a_3$, $a_5$
C5. $e^x$의 $a_0$, $a_1$
C6. $|x|$의 $a_6$ (예제 7-2에 이어서)
D1. 선형 사중극자(quadrupole): $z=\pm a$에 $q$, 원점에 $-2q$. $r>a$에서 퍼텐셜의 첫 항
D2. 반지름 $a$, 총전하 $Q$인 고리가 $xy$평면에 원점 중심으로 놓여 있습니다. $r>a$에서 퍼텐셜 (축 위 지름길 사용)
D3. 예제 8-1의 쌍극자에서 안쪽 영역 $r<a$의 퍼텐셜
D4. $z$축 위 $0\le z\le L$에만 있는 선전하(선밀도 $\lambda$). $r>L$에서 퍼텐셜
E1. 점화식으로 $Q_3$을 구하세요.
E2. $Q_0$, $Q_1$을 $x=0$ 근처에서 $x^5$까지 전개하세요.
E3. $l=2$에서 론스키안 $P_2Q_2'-P_2'Q_2=\dfrac{1}{1-x^2}$을 확인하세요. (어려움)
E4. $(1-x^2)y''-2xy'=0$ ($l=0$)을 직접 풀어 일반해를 쓰고, $Q_0(\cos\theta)=\ln\cot\frac\theta2$임을 보이세요.