представим себе точку M на поверхности шара, центр которого есть точка C. Предположим, что дана точка O вне шара (I) или внутри его (II).
Введем обозначения: МС=R, СО=ρ, МО=r, угол МСО=ω.
Из треугольника MCO следует, что
Это выражение можно представить:
(в случае I) или
(в случае II).
Полагая cosω = x, R/ρ или ρ/R равным α, получим, что r выражается в обоих случаях через
, где α < 1.
Во многих вопросах математической физики приходится 1/
r разлагать в ряд.Этот вопрос приводится к разложению функции
по степеням α. Выполнив это разложение, получим:
где
P0 = 1,
P1 =
x,
P2 =
3/
2x2-
1/
2,
P3 =
5/
2x3-
3/
2x,...
Pn =
Полученные здесь целые функции от x называются Лежандровыми функциями или, по Гауссу, шаровыми функциями.
При помощи строки Лагранжа доказывается, что Рn(x) есть n-ая производная целой функции:
(x2-1)n/1∙2∙3∙...n∙2n.
Уравнение Рn(x) = 0 имеет все корни вещественные, лежащие между -1 и +1.
Функция Рn(x) удовлетворяет дифференциальному уравнению:
(1-x2)y"-2xy' + n(n + 1)y = 0.
Между тремя последовательными функциями Pn, Pn-1 и Pn-2 имеет место соотношение:
nPn - (2n-1)xPn-1 + (n-1)Pn-2 = 0.
Из сочинений, посвященных рассматриваемому вопросу, отметим следующие: Р. G. Lejeune-Dirichlet, "Vorlesungen über die im umgekehrten Verhältniss des Quadrats der Entfernung wirkende Kräfte" (изд. доктора F. Grube'a, Лейпциг, 1876); Dr. E. Heine, "Handbuch der Kugelfunctionen. Theorie und Anwendungen" (2 т., Б., 1878, 1881).
Д. С.