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과학

구면 조화 함수

구면 조화 함수과학
영문명
Spherical harmonics
대표 표기
Y_l^m(θ,φ)
지표 범위
l≥0, −l≤m≤l인 정수
같은 l의 함수 수
2l+1개
구면 조화 함수는 구면 위에서 방향에 따라 달라지는 값을 표현하는 기본 함수다. 두 각도와 정수 지표로 나타내며, 차수별로 서로 다른 방향 패턴을 구성한다.

구면의 두 각도

이 문서에서 θ는 북극 방향에서 내려오는 극각으로 0부터 π까지이고, φ는 축 주위를 도는 방위각이다. 반지름은 각도 함수의 입력에 들어가지 않는다. 극각은 적도에서 재는 위도와 다르다. 북극은 θ=0이고 적도는 θ=π/2다. 자료에 따라 θ와 φ의 역할을 바꾸기도 하므로 기호보다 좌표의 정의를 먼저 확인한다.

가장 낮은 차수의 모양

정규화한 복소 구면 조화 함수에서 Y₀⁰=1/√(4π)로 방향과 무관한 상수다. Y₁⁰=√(3/(4π))cos θ는 북극에서 양수, 적도에서 0, 남극에서 음수가 된다. 이는 값의 부호가 있는 함수이며 그대로 확률밀도라고 해석하지 않는다. l=1에서는 m이 −1,0,1이므로 세 함수가 있고 l=2에서는 다섯 함수가 있다.

각도와 복소 위상

표준적인 정의는 르장드르 연관함수 P_l^m(cos θ)에 exp(imφ)와 정규화 계수를 곱한 형태다. m=0이면 방위각 인자가 1이므로 φ에 의존하지 않는다. m이 0이 아니면 복소 위상이 방위각에 따라 변한다. 같은 l,m이라는 이름을 쓰더라도 위상 부호나 정규화 관례가 다를 수 있다. 서로 다른 계산 결과를 비교할 때는 이 조건을 맞춰야 한다.

계수 수와 방향 표현

차수를 0부터 L까지만 사용하는 전개에는 Σ(2l+1)=(L+1)²개의 기본 함수가 포함된다. 예를 들어 L=2이면 1+3+5=9개다. 실수값 자료를 표현할 때는 복소 함수의 실수부와 허수부를 조합한 실수 기저를 사용할 수도 있다. 기저를 바꾸면 계수의 의미도 함께 바뀐다. 구면 위의 각도 패턴과 반지름 방향 변화는 서로 구분해 다룬다.

관련 문서

르장드르 다항식 / 구면 좌표계 / 복소수 / 직교기저 / 푸리에 급수 / 구면 베셀 함수