圆环坐标系 (英语:Toroidal coordinates )是一种三维正交坐标系 。设定二维椭圆坐标系 包含于 xz-平面;两个焦点
F
1
{\displaystyle F_{1}}
与
F
2
{\displaystyle F_{2}}
的直角坐标 分别为
(
−
a
,
0
,
0
)
{\displaystyle (-a,\ 0,\ 0)}
与
(
a
,
0
,
0
)
{\displaystyle (a,\ 0,\ 0)}
。将双极坐标系绕着 z-轴旋转,则可以得到圆环坐标系。双极坐标系的两个焦点,变为一个半径为
a
{\displaystyle a}
的圆圈,包含于圆环坐标系的 xy-平面。称这圆圈为焦圆 ,又称为参考圆 。
图 1 )圆环坐标系的几个坐标曲面 。红色圆球面的
σ
=
30
∘
{\displaystyle \sigma =30^{\circ }}
。蓝色环面的
τ
=
0.5
{\displaystyle \tau =0.5}
。黄色半平面的
ϕ
=
60
∘
{\displaystyle \phi =60^{\circ }}
。z-轴是垂直的,以白色表示。 x-轴以绿色表示。三个坐标曲面相交于点 P (以黑色的圆球表示),直角坐标 大约为
(
0.996
,
−
1.725
,
1.911
)
{\displaystyle (0.996,\ -1.725,\ 1.911)}
。
图 2 )双极坐标系绘图。红色圆圈变成上图的红色圆球面(
σ
{\displaystyle \sigma }
-坐标曲面),而蓝色圆圈则变成蓝色环面(
τ
{\displaystyle \tau }
-坐标曲面)。
在三维空间里,一个点 P 的圆环坐标
(
σ
,
τ
,
ϕ
)
{\displaystyle (\sigma ,\ \tau ,\ \phi )}
最常见的定义是
x
=
a
sinh
τ
cosh
τ
−
cos
σ
cos
ϕ
{\displaystyle x=a\ {\frac {\sinh \tau }{\cosh \tau -\cos \sigma }}\cos \phi }
、
y
=
a
sinh
τ
cosh
τ
−
cos
σ
sin
ϕ
{\displaystyle y=a\ {\frac {\sinh \tau }{\cosh \tau -\cos \sigma }}\sin \phi }
、
z
=
a
sin
σ
cosh
τ
−
cos
σ
{\displaystyle z=a\ {\frac {\sin \sigma }{\cosh \tau -\cos \sigma }}}
;
其中,
(
x
,
y
,
z
)
{\displaystyle (x,\ y,\ z)}
是直角坐标 ,
σ
{\displaystyle \sigma }
坐标是
∠
F
1
P
F
2
{\displaystyle \angle F_{1}PF_{2}}
的弧度 ,
τ
{\displaystyle \tau }
坐标是点 P 离两个焦点的距离
d
1
{\displaystyle d_{1}}
与
d
2
{\displaystyle d_{2}}
的比例的自然对数:
τ
=
ln
d
1
d
2
{\displaystyle \tau =\ln {\frac {d_{1}}{d_{2}}}}
。
圆环坐标的值域为
−
π
<
σ
≤
π
{\displaystyle -\pi <\sigma \leq \pi }
,
τ
≥
0
{\displaystyle \tau \geq 0}
,
0
≤
ϕ
<
2
π
{\displaystyle 0\leq \phi <2\pi }
。
每一个
σ
{\displaystyle \sigma }
-坐标曲面 都是包含了焦圆,而不同心的圆球面。圆球半径为
x
2
+
y
2
+
(
z
−
a
cot
σ
)
2
=
a
2
sin
2
σ
{\displaystyle x^{2}+y^{2}+(z-a\cot \sigma )^{2}={\frac {a^{2}}{\sin ^{2}\sigma }}}
。
正值
σ
{\displaystyle \sigma }
的圆球面的圆心都在正 z-轴;而负值
σ
{\displaystyle \sigma }
的圆球面的圆心则在负 z-轴。当绝对值
|
σ
|
{\displaystyle \left|\sigma \right|}
增加时,圆球半径会减小,圆心会靠近原点。当圆心与原点同点时,
|
σ
|
{\displaystyle \left|\sigma \right|}
达到最大值
π
/
2
{\displaystyle \pi /2}
。
每一个
τ
{\displaystyle \tau }
-坐标曲面 都是不相交的环面。每一个环面都包围着焦圆。环面半径为
z
2
+
(
x
2
+
y
2
−
a
coth
τ
)
2
=
a
2
sinh
2
τ
{\displaystyle z^{2}+\left({\sqrt {x^{2}+y^{2}}}-a\coth \tau \right)^{2}={\frac {a^{2}}{\sinh ^{2}\tau }}}
。
τ
=
0
{\displaystyle \tau =0}
曲线与 z-轴同轴。当
τ
{\displaystyle \tau }
值增加时,圆球面的半径会减少,圆球心会靠近焦点。
图 3 )点 P 的坐标
σ
{\displaystyle \sigma }
与
τ
{\displaystyle \tau }
的几何诠释。在一个方位角
ϕ
{\displaystyle \phi }
为常数的平面里,圆环坐标系变成双极坐标系。
F
1
P
¯
{\displaystyle {\overline {F_{1}P}}}
与
F
2
P
¯
{\displaystyle {\overline {F_{2}P}}}
的夹角
∠
F
1
P
F
2
{\displaystyle \angle F_{1}PF_{2}}
的弧度是
σ
{\displaystyle \sigma }
。
F
1
P
{\displaystyle F_{1}P}
与
F
2
P
{\displaystyle F_{2}P}
的比例的自然对数 是
τ
{\displaystyle \tau }
。
σ
{\displaystyle \sigma }
与
τ
{\displaystyle \tau }
的等值曲线都是圆圈,分别以红色与蓝色表示。两条等值曲线以直角相交(以洋红色表示)。
τ
{\displaystyle \tau }
是
d
1
{\displaystyle d_{1}}
与
d
2
{\displaystyle d_{2}}
的比例的自然对数 :
τ
=
ln
d
1
d
2
{\displaystyle \tau =\ln {\frac {d_{1}}{d_{2}}}}
。
圆环坐标
(
σ
,
τ
,
ϕ
)
{\displaystyle (\sigma ,\ \tau ,\ \phi )}
可以用直角坐标
(
x
,
y
,
z
)
{\displaystyle (x,\ y,\ z)}
来表达。方位角
ϕ
{\displaystyle \phi }
的公式为
tan
ϕ
=
y
x
{\displaystyle \tan \phi ={\frac {y}{x}}}
。
点 P 与两个焦点之间的距离是
d
1
2
=
(
x
2
+
y
2
+
a
)
2
+
z
2
{\displaystyle d_{1}^{2}=({\sqrt {x^{2}+y^{2}}}+a)^{2}+z^{2}}
、
d
2
2
=
(
x
2
+
y
2
−
a
)
2
+
z
2
{\displaystyle d_{2}^{2}=({\sqrt {x^{2}+y^{2}}}-a)^{2}+z^{2}}
。
如图 3 ,
∠
F
1
P
F
2
{\displaystyle \angle F_{1}PF_{2}}
是两条从点 P 到两个焦点的线段
F
1
P
¯
{\displaystyle {\overline {F_{1}P}}}
与
F
2
P
¯
{\displaystyle {\overline {F_{2}P}}}
的夹角。这夹角的弧度是
σ
{\displaystyle \sigma }
。用余弦定理 来计算:
cos
σ
=
d
1
2
+
d
2
2
−
4
a
2
2
d
1
d
2
{\displaystyle \cos \sigma ={\frac {d_{1}^{2}+d_{2}^{2}-4a^{2}}{2d_{1}d_{2}}}}
。
圆环坐标
σ
{\displaystyle \sigma }
与
τ
{\displaystyle \tau }
的标度因子相等:
h
σ
=
h
τ
=
a
cosh
τ
−
cos
σ
{\displaystyle h_{\sigma }=h_{\tau }={\frac {a}{\cosh \tau -\cos \sigma }}}
。
方位角的标度因子为
h
ϕ
=
a
sinh
τ
cosh
τ
−
cos
σ
{\displaystyle h_{\phi }={\frac {a\sinh \tau }{\cosh \tau -\cos \sigma }}}
。
无穷小体积元素是
d
V
=
a
3
sinh
τ
(
cosh
τ
−
cos
σ
)
3
d
σ
d
τ
d
ϕ
{\displaystyle dV={\frac {a^{3}\sinh \tau }{\left(\cosh \tau -\cos \sigma \right)^{3}}}d\sigma d\tau d\phi }
。
拉普拉斯算子 是
∇
2
Φ
=
(
cosh
τ
−
cos
σ
)
3
a
2
sinh
τ
[
∂
∂
σ
(
sinh
τ
cosh
τ
−
cos
σ
∂
Φ
∂
σ
)
+
∂
∂
τ
(
sinh
τ
cosh
τ
−
cos
σ
∂
Φ
∂
τ
)
+
1
sinh
τ
(
cosh
τ
−
cos
σ
)
∂
2
Φ
∂
ϕ
2
]
{\displaystyle \nabla ^{2}\Phi ={\frac {\left(\cosh \tau -\cos \sigma \right)^{3}}{a^{2}\sinh \tau }}\left[{\frac {\partial }{\partial \sigma }}\left({\frac {\sinh \tau }{\cosh \tau -\cos \sigma }}{\frac {\partial \Phi }{\partial \sigma }}\right)+{\frac {\partial }{\partial \tau }}\left({\frac {\sinh \tau }{\cosh \tau -\cos \sigma }}{\frac {\partial \Phi }{\partial \tau }}\right)+{\frac {1}{\sinh \tau \left(\cosh \tau -\cos \sigma \right)}}{\frac {\partial ^{2}\Phi }{\partial \phi ^{2}}}\right]}
。
其它微分算子,像
∇
⋅
F
{\displaystyle \nabla \cdot \mathbf {F} }
、
∇
×
F
{\displaystyle \nabla \times \mathbf {F} }
,都可以用
(
σ
,
τ
,
z
)
{\displaystyle (\sigma ,\ \tau ,\ z)}
坐标表示,只要将标度因子代入在正交坐标系 条目内对应的一般公式。
Arfken G. Mathematical Methods for Physicists 2nd ed. Orlando, FL: Academic Press. 1970: pp. 112–115.
Andrews, Mark. Alternative separation of Laplace’s equation in toroidal coordinates and its application to electrostatics. Journal of Electrostatics. 2006, 64 : 664–672.
Morse PM, Feshbach H. Methods of Theoretical Physics, Part I. New York: McGraw-Hill. 1953: p. 666.
Korn GA, Korn TM. Mathematical Handbook for Scientists and Engineers. New York: McGraw-Hill. 1961: p. 182.
Margenau H, Murphy GM. The Mathematics of Physics and Chemistry. New York: D. van Nostrand. 1956: pp. 190–192.
Moon PH, Spencer DE. Toroidal Coordinates (η, θ, ψ). Field Theory Handbook, Including Coordinate Systems, Differential Equations, and Their Solutions 2nd ed., 3rd revised printing. New York: Springer Verlag. 1988: pp. 112–115 (Section IV, E4Ry). ISBN 0-387-02732-7 .