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Parabolic cylindrical coordinates

Source šŸ“

2398: 1959: 2393:{\displaystyle \nabla \times \mathbf {A} =\left({\frac {1}{\sqrt {\sigma ^{2}+\tau ^{2}}}}{\frac {\partial A_{z}}{\partial \tau }}-{\frac {\partial A_{\tau }}{\partial z}}\right){\boldsymbol {\hat {\sigma }}}-\left({\frac {1}{\sqrt {\sigma ^{2}+\tau ^{2}}}}{\frac {\partial A_{z}}{\partial \sigma }}-{\frac {\partial A_{\sigma }}{\partial z}}\right){\boldsymbol {\hat {\tau }}}+{\frac {1}{\sigma ^{2}+\tau ^{2}}}\left({\frac {\partial \left({\sqrt {\sigma ^{2}+\tau ^{2}}}A_{\tau }\right)}{\partial \sigma }}-{\frac {\partial \left({\sqrt {\sigma ^{2}+\tau ^{2}}}A_{\sigma }\right)}{\partial \tau }}\right)\mathbf {\hat {z}} } 2824: 17: 1406: 2591: 1944: 102: 1193: 2819:{\displaystyle {\begin{aligned}{\boldsymbol {\hat {\sigma }}}&={\frac {\tau {\hat {\mathbf {x} }}-\sigma {\hat {\mathbf {y} }}}{\sqrt {\tau ^{2}+\sigma ^{2}}}}\\{\boldsymbol {\hat {\tau }}}&={\frac {\sigma {\hat {\mathbf {x} }}+\tau {\hat {\mathbf {y} }}}{\sqrt {\tau ^{2}+\sigma ^{2}}}}\\\mathbf {\hat {z}} &=\mathbf {\hat {z}} \end{aligned}}} 1219: 1599: 1723: 988: 999: 2580: 1401:{\displaystyle \nabla f={\frac {1}{\sqrt {\sigma ^{2}+\tau ^{2}}}}{\partial f \over \partial \sigma }{\boldsymbol {\hat {\sigma }}}+{\frac {1}{\sqrt {\sigma ^{2}+\tau ^{2}}}}{\partial f \over \partial \tau }{\boldsymbol {\hat {\tau }}}+{\partial f \over \partial z}\mathbf {\hat {z}} } 1421: 1939:{\displaystyle \nabla \cdot \mathbf {A} ={\frac {1}{\sigma ^{2}+\tau ^{2}}}\left({\partial ({\sqrt {\sigma ^{2}+\tau ^{2}}}A_{\sigma }) \over \partial \sigma }+{\partial ({\sqrt {\sigma ^{2}+\tau ^{2}}}A_{\tau }) \over \partial \tau }\right)+{\partial A_{z} \over \partial z}} 1708: 261: 846: 698: 3759: 3937: 105:
Parabolic coordinate system showing curves of constant σ and τ the horizontal and vertical axes are the x and y coordinates respectively. These coordinates are projected along the z-axis, and so this diagram will hold for any value of the z
1188:{\displaystyle d\mathbf {S} ={\sqrt {\sigma ^{2}+\tau ^{2}}}\,d\tau \,dz{\boldsymbol {\hat {\sigma }}}+{\sqrt {\sigma ^{2}+\tau ^{2}}}\,d\sigma \,dz{\boldsymbol {\hat {\tau }}}+\left(\sigma ^{2}+\tau ^{2}\right)\,d\sigma \,d\tau \mathbf {\hat {z}} } 835: 2452: 547: 3054: 4064: 1594:{\displaystyle \nabla ^{2}f={\frac {1}{\sigma ^{2}+\tau ^{2}}}\left({\frac {\partial ^{2}f}{\partial \sigma ^{2}}}+{\frac {\partial ^{2}f}{\partial \tau ^{2}}}\right)+{\frac {\partial ^{2}f}{\partial z^{2}}}} 1616: 336: 151: 421: 3498: 3238: 983:{\displaystyle d\mathbf {l} ={\sqrt {\sigma ^{2}+\tau ^{2}}}\,d\sigma \,{\boldsymbol {\hat {\sigma }}}+{\sqrt {\sigma ^{2}+\tau ^{2}}}\,d\tau \,{\boldsymbol {\hat {\tau }}}+dz\,\mathbf {\hat {z}} } 3579: 2596: 2457: 602: 156: 3394: 3116: 597: 4313: 3593: 2920: 3765: 23:
of parabolic cylindrical coordinates. The red parabolic cylinder corresponds to Ļƒ=2, whereas the yellow parabolic cylinder corresponds to Ļ„=1. The blue plane corresponds to
714: 3285: 2575:{\displaystyle {\begin{aligned}\rho \cos \varphi &=\sigma \tau \\\rho \sin \varphi &={\frac {1}{2}}\left(\tau ^{2}-\sigma ^{2}\right)\\z&=z\end{aligned}}} 4467: 76: 456: 4306: 3954:
are now the product of the solutions. The combination will reduce the number of constants and the general solution to Laplace's equation may be written:
2937: 4472: 4299: 4270: 3960: 568: 1703:{\displaystyle \mathbf {A} =A_{\sigma }{\boldsymbol {\hat {\sigma }}}+A_{\tau }{\boldsymbol {\hat {\tau }}}+A_{z}\mathbf {\hat {z}} } 4235: 4142: 256:{\displaystyle {\begin{aligned}x&=\sigma \tau \\y&={\frac {1}{2}}\left(\tau ^{2}-\sigma ^{2}\right)\\z&=z\end{aligned}}} 4417: 278: 4432: 360: 4407: 4075: 3423: 3144: 3504: 4402: 4382: 553: 4322: 4108: 3585: 3293: 4387: 4377: 4336: 693:{\displaystyle {\begin{aligned}h_{\sigma }&=h_{\tau }={\sqrt {\sigma ^{2}+\tau ^{2}}}\\h_{z}&=1\end{aligned}}} 32: 4361: 3071: 4356: 3754:{\displaystyle S_{mn}(\sigma )=A_{3}y_{1}(n^{2}/2m,\sigma {\sqrt {2m}})+A_{4}y_{2}(n^{2}/2m,\sigma {\sqrt {2m}})} 4397: 2866: 3932:{\displaystyle T_{mn}(\tau )=A_{5}y_{1}(n^{2}/2m,i\tau {\sqrt {2m}})+A_{6}y_{2}(n^{2}/2m,i\tau {\sqrt {2m}})} 4427: 4412: 4341: 4113: 4087: 2857: 2428: 2416: 48: 4351: 4345: 4103: 830:{\displaystyle dV=h_{\sigma }h_{\tau }h_{z}d\sigma d\tau dz=(\sigma ^{2}+\tau ^{2})d\sigma \,d\tau \,dz} 127: 55: 4079: 16: 4442: 4422: 4286: 4437: 3253: 2856:, Laplace's equation is separable in parabolic cylindrical coordinates. Using the technique of the 4265:(corrected 2nd ed., 3rd print ed.). New York: Springer-Verlag. pp. 21ā€“24 (Table 1.04). 4083: 1950: 557: 4263:
Field Theory Handbook, Including Coordinate Systems, Differential Equations, and Their Solutions
4172: 4266: 4231: 4214: 4197: 4176: 4148: 4138: 79: 51: 20: 90: 4189: 4130: 4126: 542:{\displaystyle r={\sqrt {x^{2}+y^{2}}}={\frac {1}{2}}\left(\sigma ^{2}+\tau ^{2}\right)} 4165: 4160: 4091: 61: 4461: 560: 89:
cylinders. Parabolic cylindrical coordinates have found many applications, e.g., the
433:. The foci of all these parabolic cylinders are located along the line defined by 4291: 3049:{\displaystyle {\frac {1}{\sigma ^{2}+\tau ^{2}}}\left+{\frac {\ddot {Z}}{Z}}=0} 40: 101: 1714: 4074:
The classic applications of parabolic cylindrical coordinates are in solving
1412: 564: 2853: 1210: 86: 83: 4261:
Moon P, Spencer DE (1988). "Parabolic-Cylinder Coordinates (Ī¼, Ī½, z)".
4059:{\displaystyle V(\sigma ,\tau ,z)=\sum _{m,n}A_{mn}S_{mn}T_{mn}Z_{m}} 2585:
Parabolic unit vectors expressed in terms of Cartesian unit vectors:
2415:
by substituting the scale factors into the general formulae found in
100: 15: 2403:
Other differential operators can be expressed in the coordinates
4218: 4201: 4180: 4152: 4295: 2860:, a separated solution to Laplace's equation may be written: 579:
The scale factors for the parabolic cylindrical coordinates
331:{\displaystyle 2y={\frac {x^{2}}{\sigma ^{2}}}-\sigma ^{2}} 4287:
MathWorld description of parabolic cylindrical coordinates
416:{\displaystyle 2y=-{\frac {x^{2}}{\tau ^{2}}}+\tau ^{2}} 3493:{\displaystyle {\ddot {S}}-(m^{2}\sigma ^{2}+n^{2})S=0} 3233:{\displaystyle Z_{m}(z)=A_{1}\,e^{imz}+A_{2}\,e^{-imz}} 3963: 3768: 3596: 3574:{\displaystyle {\ddot {T}}-(m^{2}\tau ^{2}-n^{2})T=0} 3507: 3426: 3296: 3256: 3147: 3074: 2940: 2869: 2594: 2455: 1962: 1726: 1619: 1424: 1222: 1002: 849: 717: 600: 459: 363: 281: 154: 64: 4370: 4329: 4094:surrounding a flat semi-infinite conducting plate. 426:that open in the opposite direction, i.e., towards 4242:Same as Morse & Feshbach (1953), substituting 4194:Mathematical Handbook for Scientists and Engineers 4164: 4058: 3931: 3753: 3573: 3492: 3389:{\displaystyle \left=m^{2}(\sigma ^{2}+\tau ^{2})} 3388: 3279: 3232: 3110: 3048: 2914: 2818: 2574: 2392: 1938: 1702: 1593: 1400: 1187: 982: 829: 692: 541: 415: 330: 255: 70: 3065:equation is separate from the rest, we may write 2806: 2787: 2696: 2605: 2384: 2196: 2082: 1694: 1669: 1644: 1392: 1357: 1290: 1179: 1117: 1061: 974: 952: 902: 54:that results from projecting the two-dimensional 4230:. Boston, MA: Jones and Bartlett. p. 114. 4307: 3111:{\displaystyle {\frac {\ddot {Z}}{Z}}=-m^{2}} 8: 840:The differential displacement is given by: 27:=2. These surfaces intersect at the point 4314: 4300: 4292: 993:The differential normal area is given by: 4213:. New York: Springer Verlag. p. 96. 4050: 4037: 4024: 4011: 3995: 3962: 3916: 3896: 3890: 3877: 3867: 3847: 3827: 3821: 3808: 3798: 3773: 3767: 3738: 3721: 3715: 3702: 3692: 3672: 3655: 3649: 3636: 3626: 3601: 3595: 3584:The solutions to these equations are the 3553: 3540: 3530: 3509: 3508: 3506: 3472: 3459: 3449: 3428: 3427: 3425: 3411:functions and introduce another constant 3377: 3364: 3351: 3324: 3322: 3304: 3302: 3295: 3287:, Laplace's equation may now be written: 3269: 3258: 3257: 3255: 3215: 3210: 3204: 3185: 3180: 3174: 3152: 3146: 3102: 3077: 3075: 3073: 3025: 3023: 3000: 2998: 2980: 2978: 2964: 2951: 2941: 2939: 2868: 2801: 2800: 2782: 2781: 2768: 2755: 2738: 2736: 2735: 2718: 2716: 2715: 2709: 2691: 2690: 2677: 2664: 2647: 2645: 2644: 2627: 2625: 2624: 2618: 2600: 2599: 2595: 2593: 2540: 2527: 2508: 2456: 2454: 2379: 2378: 2351: 2339: 2326: 2320: 2309: 2284: 2272: 2259: 2253: 2242: 2228: 2215: 2205: 2191: 2190: 2168: 2158: 2138: 2128: 2119: 2106: 2096: 2077: 2076: 2054: 2044: 2024: 2014: 2005: 1992: 1982: 1969: 1961: 1919: 1909: 1881: 1869: 1856: 1850: 1841: 1818: 1806: 1793: 1787: 1778: 1764: 1751: 1741: 1733: 1725: 1689: 1688: 1682: 1664: 1663: 1657: 1639: 1638: 1632: 1620: 1618: 1582: 1564: 1557: 1540: 1522: 1515: 1503: 1485: 1478: 1464: 1451: 1441: 1429: 1423: 1387: 1386: 1366: 1352: 1351: 1331: 1322: 1309: 1299: 1285: 1284: 1264: 1255: 1242: 1232: 1221: 1174: 1173: 1166: 1159: 1148: 1135: 1112: 1111: 1104: 1097: 1089: 1076: 1070: 1056: 1055: 1048: 1041: 1033: 1020: 1014: 1006: 1001: 969: 968: 967: 947: 946: 945: 938: 930: 917: 911: 897: 896: 895: 888: 880: 867: 861: 853: 848: 820: 813: 798: 785: 751: 741: 731: 716: 670: 654: 641: 635: 626: 609: 601: 599: 528: 515: 496: 485: 472: 466: 458: 407: 392: 382: 376: 362: 322: 307: 297: 291: 280: 221: 208: 189: 155: 153: 63: 4211:Mathematische Hilfsmittel des Ingenieurs 4167:The Mathematics of Physics and Chemistry 2915:{\displaystyle V=S(\sigma )T(\tau )Z(z)} 2423:Relationship to other coordinate systems 2693: 2602: 2193: 2079: 1666: 1641: 1354: 1287: 1114: 1058: 949: 899: 708:The infinitesimal element of volume is 4196:. New York: McGraw-Hill. p. 181. 4171:. New York: D. van Nostrand. pp.  4137:. New York: McGraw-Hill. p. 658. 4135:Methods of Theoretical Physics, Part I 2834:Since all of the surfaces of constant 110:The parabolic cylindrical coordinates 4086:, for which such coordinates allow a 3942:The parabolic cylinder harmonics for 31:(shown as a black sphere), which has 7: 4468:Three-dimensional coordinate systems 2925:and Laplace's equation, divided by 348:, whereas the surfaces of constant 4090:. A typical example would be the 2364: 2312: 2297: 2245: 2176: 2161: 2146: 2131: 2062: 2047: 2032: 2017: 1963: 1927: 1912: 1892: 1844: 1829: 1781: 1727: 1575: 1561: 1533: 1519: 1496: 1482: 1426: 1377: 1369: 1342: 1334: 1275: 1267: 1223: 552:that proves useful in solving the 354:form confocal parabolic cylinders 272:form confocal parabolic cylinders 14: 556:in parabolic coordinates for the 45:parabolic cylindrical coordinates 2803: 2784: 2739: 2719: 2648: 2628: 2381: 1970: 1734: 1691: 1621: 1389: 1176: 1007: 971: 854: 1610:be a vector field of the form: 567:; for further details, see the 4076:partial differential equations 3985: 3967: 3926: 3883: 3857: 3814: 3788: 3782: 3748: 3708: 3682: 3642: 3616: 3610: 3559: 3523: 3478: 3442: 3383: 3357: 3164: 3158: 2909: 2903: 2897: 2891: 2885: 2879: 2743: 2723: 2652: 2632: 1887: 1847: 1824: 1784: 804: 778: 1: 4473:Orthogonal coordinate systems 4323:Orthogonal coordinate systems 3280:{\displaystyle {\ddot {Z}}/Z} 450:has a simple formula as well 4109:Orthogonal coordinate system 3586:parabolic cylinder functions 2830:Parabolic cylinder harmonics 126:are defined in terms of the 56:parabolic coordinate system 4489: 4209:Sauer R, SzabĆ³ I (1967). 569:Laplaceā€“Rungeā€“Lenz vector 266:The surfaces of constant 3399:We may now separate the 1209:be a scalar field. The 554:Hamiltonā€“Jacobi equation 78:-direction. Hence, the 47:are a three-dimensional 4228:Handbook of Integration 4114:Curvilinear coordinates 4088:separation of variables 2858:separation of variables 2429:cylindrical coordinates 4060: 3933: 3755: 3575: 3494: 3390: 3281: 3234: 3112: 3050: 2916: 2820: 2576: 2417:orthogonal coordinates 2394: 1940: 1704: 1595: 1402: 1189: 984: 831: 694: 543: 417: 332: 257: 107: 72: 36: 4226:Zwillinger D (1992). 4104:Parabolic coordinates 4061: 3934: 3756: 3576: 3495: 3391: 3282: 3235: 3113: 3051: 2917: 2821: 2577: 2395: 1941: 1705: 1596: 1403: 1190: 985: 832: 704:Differential elements 695: 544: 418: 333: 258: 128:Cartesian coordinates 104: 73: 58:in the perpendicular 35:roughly (2, -1.5, 2). 33:Cartesian coordinates 19: 4418:Elliptic cylindrical 4163:, Murphy GM (1956). 3961: 3766: 3594: 3505: 3424: 3294: 3254: 3145: 3072: 2938: 2867: 2592: 2453: 1960: 1724: 1617: 1422: 1220: 1000: 847: 715: 598: 457: 361: 279: 152: 62: 4433:Bipolar cylindrical 80:coordinate surfaces 21:Coordinate surfaces 4408:Prolate spheroidal 4204:. ASIN B0000CKZX7. 4084:Helmholtz equation 4080:Laplace's equation 4056: 4006: 3929: 3751: 3571: 3490: 3386: 3277: 3230: 3138:has the solution: 3108: 3046: 2912: 2816: 2814: 2572: 2570: 2390: 1936: 1700: 1591: 1398: 1185: 980: 827: 690: 688: 539: 413: 341:that open towards 328: 253: 251: 108: 68: 37: 4455: 4454: 4403:Oblate spheroidal 4371:Three dimensional 4272:978-0-387-18430-2 3991: 3924: 3855: 3746: 3680: 3517: 3436: 3337: 3332: 3317: 3312: 3266: 3090: 3085: 3038: 3033: 3013: 3008: 2993: 2988: 2971: 2809: 2790: 2775: 2774: 2746: 2726: 2699: 2684: 2683: 2655: 2635: 2608: 2516: 2387: 2371: 2345: 2304: 2278: 2235: 2199: 2183: 2153: 2126: 2125: 2085: 2069: 2039: 2012: 2011: 1934: 1899: 1875: 1836: 1812: 1771: 1697: 1672: 1647: 1589: 1547: 1510: 1471: 1395: 1384: 1360: 1349: 1329: 1328: 1293: 1282: 1262: 1261: 1182: 1120: 1095: 1064: 1039: 977: 955: 936: 905: 886: 660: 504: 491: 398: 313: 197: 71:{\displaystyle z} 52:coordinate system 4480: 4316: 4309: 4302: 4293: 4276: 4241: 4222: 4205: 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Index


Coordinate surfaces
Cartesian coordinates
mathematics
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coordinate surfaces
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