En mathématiques, les harmoniques sphériques sont des fonctions harmoniques particulières, c'est-à-dire des fonctions dont le laplacien est nul. Les harmoniques sphériques sont particulièrement utiles pour résoudre des problèmes invariants par rotation, car elles sont les vecteurs propres de certains opérateurs liés aux rotations.
Les polynômes harmoniques de degré forment un espace vectoriel de dimension , et peuvent s'exprimer en coordonnées sphériques comme des combinaisons linéaires des () fonctions : , avec . Les coordonnées sphériques sont, respectivement, la distance au centre de la sphère, la colatitude et la longitude.
Tout polynôme homogène est entièrement déterminé par sa restriction à la sphère unité .
C'est pourquoi la partie radiale de l'équation de Laplace, différente selon le problème étudié n'apparaît pas ici.
Les harmoniques sphériques sont utilisées en physique mathématique, dès qu'intervient la notion d'orientation (anisotropie) et donc de rotation (groupe de symétrie orthogonal ) et que le laplacien entre en jeu : en acoustique (reconstitution de l'effet d'espace par plusieurs haut-parleurs) ; en théorie du potentiel newtonien (électrostatique, mécanique, gravimétrie) ; en géophysique (représentation du globe terrestre, météorologie, champ magnétique terrestre) ; en cristallographie pour la texture ; en physique quantique (développement d'une fonction d'onde, densité du nuage électronique, description des orbitales atomiques de l'atome d'hydrogène) ; en cosmologie (représentation du ciel, en particulier pour l'analyse du fond diffus cosmologique) Elles sont également utilisées pour des problématiques de rendu 3D, notamment en réalité augmentée afin d'encoder des données d'éclairage ambiant.
Résolution de l'équation de Laplace
On cherche les fonctions sous la forme d'un produit de deux fonctions d'une seule variable :
où est une constante, qui sera fixée ultérieurement par la normalisation. L'équation aux valeurs propres devient une équation différentielle linéaire d'ordre deux pour la fonction :
On fait le changement de variable : qui conduit à l'équation différentielle généralisée de Legendre :
Les valeurs propres de cette équation sont indépendantes de :
Les fonctions propres sont les polynômes associés de Legendre. Ils se construisent à partir des polynômes de Legendre qui sont les fonctions propres de l'équation différentielle ordinaire de Legendre, correspondant au cas :
On a la formule génératrice d'Olinde Rodrigues :
On construit alors les fonctions propres par la formule :
soit explicitement :
Remarque : il suffit en pratique de calculer les fonctions pour , car il existe une relation simple entre et :
Expression des harmoniques sphériques On obtient alors l'expression inscrite plus bas. Une manière simple de retenir cette expression est la suivante :
,
où est le polynôme de Legendre de degré .
On obtient ensuite :
où
est l'opérateur « d'échelle montante ».
Pour négatif,
Souvent cette base se note :
toute fonction sur la sphère pourra donc s'écrire :
(en convention de sommation d'Einstein), les coefficients complexes jouant le rôle de composantes de dans la base des (on dit parfois coefficients de Fourier généralisés).
En chimie ou en géophysique, il arrive qu'on préfère utiliser les harmoniques sphériques « réelles » et des coefficients de Fourier réels.
Expression mathématique Les harmoniques sphériques formant une orthogonale sur la sphère unité, une série d'harmoniques sphériques :
où et sont des indices entiers, est un coefficient constant et souvent en mathématiques prend le nom de coefficient de Fourier généralisé relativement à cette base.
Le développement en harmoniques sphériques est l'équivalent, appliqué aux fonctions angulaires, du développement en séries de Fourier pour les fonctions périodiques.
est la partie réelle d'une fonction complexe
est appelée « fonction associée de Legendre » et est définie par
où est l'imaginaire et est le polynôme associé de Legendre :
On a donc
On a par exemple : ( est isotrope) ;
Les fonctions présentent de plus en plus de symétries au fur et à mesure que croît (sauf lorsque , puisque est une fonction constante et décrit donc une sphère).
Polynômes de Legendre
Pour les harmoniques circulaires, on utilise des polynômes de la fonction cosinus :
Les polynômes utilisés sont les polynômes de Legendre : (formule de Rodrigues, mathématicien français) On obtient : (fonction isotrope) ;
Harmoniques sphériques normalisées Base orthonormale des harmoniques sphériques
Parmi les fonctions, l'habitude a été prise de sélectionner une base orthonormale sur la sphère munie de la mesure
,
soit le produit scalaire (hermitien en fait) :
Les harmoniques sphériques sont les solutions de l'équation aux valeurs propresOn a introduit un signe moins pour avoir des valeurs propres positives. En effet, l'opérateur laplacien est un opérateur négatif au sens où, pour toute fonction lisse à support compact, on a :
Cette égalité se démontre en utilisant la relation et en intégrant par parties. :
où l'opérateur laplacien s'écrit en coordonnées sphériques sur la sphère de rayon unité :
Elles sont fonctions propres de l'opérateur :
Celles-ci, une fois normées sur la sphère sont alors notées usuellement , où les angles sont les coordonnées sphériques sur la sphère de rayon unité, et et sont deux nombres entiers tels que et
Normalisation
Les harmoniques sphériques constituent une base orthonormale de fonctions propres de l'opérateur laplacien sur la sphère de rayon unité au sens où :
Elles sont orthogonales pour le produit scalaire suivant :
Dans cette formule, représente l'angle solide élémentaire :
Toute fonction suffisamment régulière admet un développement en série :
où les coefficients complexes se calculent par :
Expression des harmoniques sphériques normalisées Les harmoniques sphériques généralisées sont définies sur la sphère . La normalisation des harmoniques sphériques conduit à l'expression finale :
Forme « réelle » des harmoniques sphériques Si les harmoniques sphériques ont des valeurs complexes. Il est cependant possible, pour une valeur donnée de de définir des combinaisons linéaires des qui soient réelles, tout en constituant toujours une base normalisée sur la sphère unité.
Il suffit pour cela de prendre les combinaisons linéaires suivantes :
Il est facile de vérifier que ces expressions sont bien normalisées à l'unité. Ces relations s'inversent sans difficulté pour donner :
En substituant les expressions précédentes des harmoniques sphériques, on obtient les expressions générales suivantes :
Ces fonctions sont utilisées fréquemment en chimie quantique pour représenter les parties angulaires des différentes orbitales atomiques associées aux différents électrons du cortège électronique des atomes.
Représentations graphiques Représentation sphérique Si l'on utilise la représentation sphérique
alors la surface représentatrice est une sphère bosselée ; les bosses correspondent aux parties où est positif, les creux aux parties où est négatif. Lorsque et décrivent l'intervalle , s'annule selon cercles : cercles suivant un méridien, une iso-longitude (intersection entre un plan contenant et la sphère) ; cercles suivant un parallèle, une iso-latitude (intersection entre un plan parallèle à et la sphère). Le paramètre est appelé le « degré », est appelé l'« ordre azimutal ». Entre les cercles d'annulation, la fonction est alternativement positive ou négative.
Ci-dessous sont représentées quatre coupes de l'harmonique sphérique :
Comme précédemment, on peut représenter la fonction par la courbe en coordonnées sphériques :
+ les parties en blanc sont positives, en bleu négatives
Représentation en coupe Les harmoniques sphériques peuvent être représentées de façon plus simple sans les ventres de vibration, en ne gardant que les nœuds, comme le montre le tableau suivantBernard Schaeffer, Relativités et quanta clarifiés, Publibook, 2007. Ce sont les sphères de la figure du haut, projetées sur un plan vertical. On retrouve sur la dernière ligne les quatre sphères de la première figure ci-dessus où . Les quatre valeurs de y varient de 0 à 3 en valeur absolue. Sur la figure ci-après, on distingue les valeurs négatives pour tenir compte de ce que la rotation peut se faire dans un sens ou dans l'autre pour . Pour montrer la concordance avec les harmoniques, leur plus simple expression est donnée sous chaque sphère.
On reconnaît les nombres quantiques secondaire , correspondant aux sous-couches , , , et , magnétique, de l'atome d'hydrogène. Le nombre quantique principal n'apparaît pas car les modes radiaux sont différents selon le problème étudié, résonance acoustique, atome d'hydrogène ou autre.
Pour montrer la concordance avec la littérature, l’expression des harmoniques sphériques est donnée sous chaque sphère. Le nombre et la valeur des zéros des polynômes de Legendre associés, non normalisés, donne le nombre de parallèles et leur position sur l’axe vertical. L’exponentielle imaginaire , de module unité, utilisée habituellement au lieu des sinus et cosinus, donne le nombre de méridiens. Les valeurs de ne s’observent que dans les états excités ou les atomes de Rydberg où la valeur habituelle de est 50 et dont l'orbitale est représentée non par une sphère mais par un anneauAtomes circulaires : propriétés et préparation.
Représentation cartésienne et polaire On peut représenter les harmoniques circulaires de trois manières : en coordonnées cartésiennes : ; en coordonnées polaires : avec , utilisé par exemple pour un objet circulaire ; la courbe coupe le cercle de centre et de rayon lorsque la fonction s'annule ; en coordonnées polaires : utilisé par exemple pour les fonctions d'onde en physique quantique.
+ Trois premières harmoniques circulaires Représentation cartésienne Représentations polaires (tracé manuel) Représentations polaires (tracé exact)
Autres harmoniques Harmoniques circulaires
Dans le plan, la décomposition s'écrit :
est une fonction constante, la courbe représentatrice en coordonnées polaires est donc un cercle de rayon .
est une fonction invariante par une rotation d'un angle de tour, c'est-à-dire que
on dit que admet une symétrie d'ordre .
Harmoniques sphériques généralisées Lorsque l'on considère l'orientation d'un objet dans l'espace, il faut faire appel à trois angles ; on utilise en général les angles d'Euler .
Considérons une fonction continue de l'orientation ; comme précédemment, cette fonction peut être décomposée en harmoniques sphériques généralisées
où est une constante. La fonction s'écrit :
Le polynôme est le polynôme de Legendre généralisé
Quand décrit l'intervalle , cette fonction est soit réelle, soit imaginaire pure. est la fonction isotrope (symétrie sphérique).
D'après la loi de composition des rotations, on a :
et en particulier
On a de manière générale :
Par exemple pour : + -1 0 +1 -1 0 1
Pour :
+ -2 -1 0 +1 +2 -2 -1 0 1 2
Utilisation en physique Les harmoniques sphériques sont d'une grande utilité pour la représentation mathématique des orbitales électroniques en physique quantique. En effet les représente les fonction d'ondes des électrons dans le potentiel électrostatique crée par le noyau de l'atome. Dans ce cadre, les nombres et représentes les nombres quantiques azimutaux et magnétiques.
Notes et références
Voir aussi Articles connexes Équation de Laplace Atome Mécanique quantique Atome d'hydrogène Orbitale atomique, orbitale moléculaire Opérateur laplacien Polynôme de Legendre Géoïde Ambisonie Fonction spéciale
Liens externes Champs géophysiques, . Vigny, cours de l'École normale supérieure La prévision numérique avec le modèle ARPEGE sur le site de Météo-France rubrique Comprendre la météo > Dossiers thématiques > La prévision numérique