
Fitts D.D. - Principles of Quantum Mechanics[c] As Applied to Chemistry and Chemical Physics (1999)(en)
.pdf
302 |
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Appendix E |
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1 M ( 1)á(2l |
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2á)!ìlÿ2á |
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g(ì, s) |
l |
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|
ÿ |
ÿ |
|
|
|
|
|
sl |
|
||
|
0 |
á |
|
0 2lá!(l ÿ á)!(l ÿ |
2á)! |
|
||||||||||||
|
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|
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|||||||||||||||
|
|
XX |
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|
|
l |
in the expansion (E.1) of |
|||||||||
Since the Legendre polynomials are the coef®cients of s |
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|||||||||||||||||
g(ì, s), we have |
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M |
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(ÿ1)á(2l ÿ 2á)! |
|
ìlÿ2á |
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|||||||||
P |
(ì) |
á |
|
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|
(E:2) |
|||||||||
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2lá!(l ÿ á)!(l ÿ 2á)! |
||||||||||||||
l |
|
|
0 |
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||||||||||
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|
X |
|
|
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|
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We see from equation (E.2) that Pl(ì) for even l is a polynomial with only even powers of ì, while for odd l only odd powers of ì are present.
The ®rst few Legendre polynomials may be readily obtained from equation (E.2)
and are |
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P0(ì) 1 |
P3(ì) 21(5ì3 ÿ 3ì) |
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P1(ì) ì |
P4(ì) 81(35ì4 |
ÿ 30ì2 |
3) |
P2(ì) 21(3ì2 ÿ 1) |
P5(ì) 81(63ì5 |
ÿ 70ì3 |
15ì) |
We observe that Pl(1) 1, which can be shown rigorously by setting ì 1 in
equation (E.1) and noting that |
X |
X |
l |
|
|||
g(1, s) (1 ÿ s)ÿ1 |
1 |
1 |
|
sl |
Pl(1)sl |
|
|
|
l 0 |
l 0 |
|
Since Pl(ì) is either even or odd in ì, it follows that Pl(ÿ1) (ÿ1) |
and that |
||
Pl(0) 0 for l odd. |
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Recurrence relations
We next derive some recurrence relations for the Legendre polynomials. Differentiation of the generating function g(ì, s) with respect to s gives
|
@ g |
|
ì ÿ s |
|
(ì ÿ s) g |
|
1 lP (ì)s lÿ1 |
(E:3) |
|||
|
@s |
(1 ÿ 2ì s2)3=2 |
|
||||||||
|
1 ÿ 2ì s2 l |
|
1 |
l |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
X |
|
|
||
The term with l 0 in the summation vanishes, so that the summation now begins |
|||||||||||
with the l 1 term. We may write equation (E.3) as |
1 |
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|
||||||
|
(ì ÿ s) |
1 |
|
|
|
lPl(ì)s lÿ1 |
|
||||
|
Pl(ì)sl (1 ÿ 2ìs s2) |
|
|
||||||||
|
|
|
l 0 |
|
|
|
l 1 |
|
|
|
|
|
|
|
X |
|
|
|
X |
|
|
|
|
If we equate coef®cients of s lÿ1 on each side of the equation, we obtain |
|
||||||||||
ìPlÿ1(ì) ÿ Plÿ2(ì) lPl(ì) ÿ 2(l ÿ 1)ìPlÿ1(ì) (l ÿ 2)Plÿ2(ì) |
|
||||||||||
or |
lPl(ì) ÿ (2l ÿ 1)ìPlÿ1(ì) (l ÿ 1)Plÿ2(ì) 0 |
|
|||||||||
|
|
(E:4) |
The recurrence relation (E.4) is useful for evaluating Pl(ì) when the two preceding polynomials are known.
Differentiation of the generating function g(ì, s) in equation (E.1) with respect to ì
yields |
|
|
|
@ g |
|
sg |
|
|
|
|
|
@ì |
1 ÿ 2ìs s2 |
which may be combined with equation (E.3) to give

Legendre and associated Legendre polynomials |
303 |
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|
|
s |
|
@ g |
(ì ÿ s) |
@ g |
|
|
|
||||
|
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|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
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|
@s |
@ì |
|
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||||||
so that |
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1 |
|
|
|
|
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|
1 dPl |
|
|||
|
|
lPl(ì)sl (ì ÿ s) |
|
|
|
sl |
|
|||||||
|
|
l 0 |
dì |
|
||||||||||
|
|
l 1 |
|
|
|
|
|
|
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||||
Equating coef®cients of s |
l |
X |
|
|
|
|
|
X |
|
|
|
|||
|
on each side of this equation yields a second recurrence |
|||||||||||||
relation |
|
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|
ì |
dPl |
ÿ |
dPlÿ1 |
ÿ lPl |
(ì) 0 |
|
(E:5) |
|||||
|
|
dì |
|
|
dì |
|
A third recurrence relation may be obtained by differentiating equation (E.4) to give
l |
dPl |
ÿ (2l ÿ 1)ì |
dPlÿ1 |
ÿ (2l ÿ 1)Plÿ1(ì) (l ÿ 1) |
dPlÿ2 |
0 |
dì |
dì |
dì |
and then eliminating dPlÿ2=dì by the substitution of equation (E.5) with l replaced by l ÿ 1. The result is
dPl |
ÿ ì |
dPlÿ1 |
ÿ lPlÿ1(ì) 0 |
(E:6) |
dì |
dì |
Differential equation
To ®nd the differential equation satis®ed by the polynomials Pl(ì), we ®rst multiply equation (E.5) by ÿì and add the result to equation (E.6) to give
(1 ÿ ì2) ddPìl lìPl(ì) ÿ lPlÿ1(ì) 0
We then differentiate to obtain |
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|||
2 |
|
d2 Pl |
|
|
dPl |
|
dPl |
|
dPlÿ1 |
|
(1 ÿ ì |
) |
dì2 |
ÿ 2 |
ì |
dì |
lì |
dì |
lPl(ì) ÿ l |
dì |
0 |
The third and last terms on the left-hand side may be eliminated by means of equation (E.5) to give Legendre's differential equation
(1 ÿ ì2) |
d2 Pl |
ÿ 2ì |
dPl |
l(l 1)Pl(ì) 0 |
(E:7) |
dì2 |
dì |
Rodrigues' formula
Rodrigues' formula for the Legendre polynomials may be derived as follows. Consider the expression
v (ì2 ÿ 1)l
The derivative of v is
ddvì 2lì(ì2 ÿ 1)lÿ1 2lìv(ì2 ÿ 1)ÿ1 which is just the differential equation
(1 ÿ ì2) ddvì 2lìv 0 If we differentiate this equation, we obtain


|
Legendre and associated Legendre polynomials |
305 |
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g(m)(ì, s) |
(1 ÿ ì2)m=2 |
dm g(ì, s) |
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|||||||||||||||||||
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dìm |
|
|
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||||||||||||||||
Since |
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dm g(ì, s) |
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1 |
|
||
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|
3 |
: 5 : : |
(2m ÿ 1)sm(1 ÿ 2ìs s2)ÿ(m 2) |
|
||||||||||||||||||||
|
dìm |
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
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|
(2m)! |
|
|
|
|
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|
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|
1 |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
sm(1 ÿ 2ìs s2)ÿ(m 2) |
|
|
|
|
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|||||||||||||||
|
|
|
2m m! |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
we have |
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g(m)(ì, s) |
|
1 |
Pm(ì)sl |
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|
(2m)!(1 ÿ ì2)m=2 sm |
|
(E:11) |
|||||||||||||||||
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|
|
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|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
1 |
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
l m |
|
l |
|
2m m!(1 2ìs s2)m 2 |
|
|||||||||||||||||
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|
|
ÿ |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
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|
|
X |
|
|
|
m |
|
|
|
|
|
|
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||||||
We can also write an explicit series for Pl |
(ì) by differentiating equation (E.2) m |
|||||||||||||||||||||||||
times |
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M9 ( 1)á(2l |
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2á)!ìlÿmÿ2á |
|
||||||||||
|
Pm(ì) |
|
(1 |
ÿ |
ì2)m=2 |
|
|
ÿ |
|
ÿ |
|
|
|
|
|
(E:12) |
||||||||||
|
l |
|
|
|
|
|
á 0 2l |
á!(l ÿ á)!(l ÿ m ÿ 2á)! |
|
|||||||||||||||||
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|
X |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
where M9 (l ÿ m)=2 or (l ÿ m ÿ 1)=2, whichever is an integer. Furthermore, |
|
|||||||||||||||||||||||||
combining equation (E.10) with Rodrigues' formula (E.9), we see that |
|
|||||||||||||||||||||||||
|
Plm(ì) |
1 |
(1 |
ÿ ì2)m=2 |
dl m |
|
(ì2 ÿ 1)l |
(E:13) |
||||||||||||||||||
|
2l l! |
dìl m |
||||||||||||||||||||||||
The ®rst few associated Legendre polynomials are |
|
|
|
|
|
|
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|
|
|||||||||||||||||
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|
P00(ì) P0(ì) 1 |
|
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|
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|
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||||||||||
|
|
|
|
|
|
P10(ì) ì |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
P11(ì) (1 ÿ ì2)1=2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
P20(ì) P2(ì) 21(3ì2 ÿ 1) |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
P21(ì) 3ì(1 ÿ ì2)1=2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
P22(ì) 3(1 ÿ ì2) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Differential equation |
|
|
|
|
||||||
The differential equation satis®ed by the polynomials Pm(ì) may be obtained as |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
l |
|
||
follows. Let r l m in equation (E.8) and de®ne wm as |
|
|||||||||
|
|
|
dl m |
|
dm Pl |
|
||||
|
|
wm |
|
|
(ì2 ÿ 1)l |
2l l! |
|
|
(E:14) |
|
|
|
dìl m |
dìm |
|||||||
so that |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
wm 2l l!(1 ÿ ì2)ÿm=2 Plm(ì) |
(E:15) |
|||||||
Equation (E.8) then becomes |
|
|
|
|
||||||
d2 wm |
|
|
dwm |
|
|
|
|
|||
(1 ÿ ì2) |
|
ÿ 2(m 1)ì |
|
[l(l 1) |
ÿ m(m 1)]wm 0 |
(E:16) |
||||
dì2 |
dì |
306 Appendix E
We then substitute equation (E.15) for wm and take the ®rst and second derivatives as indicated to obtain
(1 ÿ ì2) |
d2 Pm |
|
dPm |
"l(l 1) ÿ |
m2 |
#Plm(ì) 0 |
|
l |
ÿ 2ì |
l |
|
(E:17) |
|||
dì2 |
dì |
1 ÿ ì2 |
|||||
Equation (E.17) is the associated Legendre differential equation. |
|
Orthogonality |
|
|
|
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|
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||||
Equation (E.17) as satis®ed by Pm(ì) and by Pm(ì) may be written as |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
l |
|
|
|
|
|
|
|
|
l9 |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
d |
ì2) |
dPm |
|
|
|
"l(l 1) ÿ |
|
|
m2 |
|
#Plm(ì) 0 |
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(1 ÿ |
|
|
l |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
dì |
dì |
|
1 |
ÿ |
ì2 |
||||||||||||||||||||||||||
and |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
d |
|
|
dPm |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
m2 |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
(1 ÿ ì2) |
|
l9 |
"l9(l9 1) ÿ |
|
|
#Plm9 (ì) 0 |
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
dì |
dì |
1 ÿ ì2 |
||||||||||||||||||||||||||||||
If we multiply the ®rst by Pm(ì) and the second by Pm |
(ì) and then subtract, we have |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
dPm |
|
l9 |
|
|
|
|
|
|
|
|
dPm |
l |
|
|
|
|
|||||||||||||
|
d |
|
|
|
|
|
|
|
|
d |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
Plm9 |
|
|
(1 ÿ |
ì2) |
l |
|
ÿ Plm |
|
|
(1 ÿ ì2) |
|
|
l9 |
[l9(l9 1) ÿ l(l 1)]Plm Plm9 |
|||||||||||||||||||||||
dì |
dì |
dì |
dì |
||||||||||||||||||||||||||||||||||
We then add to and subtract from the left-hand side the term |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
dPlm dPlm9 |
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(1 ÿ ì |
) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dì dì |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
so as to obtain |
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
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|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
d |
|
|
|
|
|
|
|
dPm |
|
|
|
|
dPm |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
(1 |
ÿ ì2) Plm9 |
l |
ÿ Plm |
|
l9 |
[l9(l9 1) ÿ l(l 1)]Plm Plm9 |
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
dì |
dì |
dì |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
We next integrate with respect to ì from ÿ1 to 1 and note that |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dPm |
|
|
|
|
dPm |
|
1 |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(1 ÿ ì2) Plm9 |
l |
ÿ Plm |
l9 |
ÿ1 0 |
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dì |
dì |
|||||||||||||||||||||||||||
giving |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
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|
||||
|
|
|
|
|
|
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|
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|
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|
|
|
|
|
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|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
[l9(l9 1) ÿ l(l 1)]…ÿ1 Plm Plm9 |
dì 0 |
|||||||||||||||||||||||||||
If l9 6l, then the integral must vanish |
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
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|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
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…ÿ1 Plm(ì)Plm9 (ì) dì 0 |
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(E:18) |
so that the associated Legendre polynomials Pml (ì) with ®xed m form an orthogonal set of functions. Since equation (E.18) is valid for m 0, the Legendre polynomials Pl(ì) are also an orthogonal set.
Normalization
We next wish to evaluate the integral Ilm
…1
Ilm [Pml (ì)]2 dì
ÿ1
As a ®rst step, we evaluate I l0

Legendre and associated Legendre polynomials |
307 |
…1
I l0 [Pl(ì)]2 dì
ÿ1
We solve the recurrence relation (E.4) for Pl(ì), multiply both sides by Pl(ì), integrate with respect to ì from ÿ1 to 1, and note that one of the integrals vanishes according to the orthogonality relation (E.18), so that
1 |
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1 |
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…ÿ1[Pl(ì)]2 dì |
2l ÿ |
1 |
…ÿ1 ìPl(ì)Plÿ1(ì) dì |
l |
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Replacing l by l 1 in equation (E.4), we can substitute for ìPl(ì) on the right-hand side. Again applying equation (E.18), we ®nd that
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1 |
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[P (ì)]2 dì |
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2l ÿ 1 |
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1 |
[P |
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(ì)]2 dì |
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…ÿ1 |
l |
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2l 1 |
…ÿ1 |
lÿ1 |
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This relationship can then be applied successively to obtain |
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1 |
[P (ì)]2 dì |
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(2l ÿ 1)(2l ÿ 3) |
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1 |
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[P |
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(ì)]2 dì |
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…ÿ1 |
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…ÿ1 |
lÿ2 |
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l |
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(2l 1)(2l ÿ 1) |
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. |
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(2l ÿ |
1)(2l ÿ 3) 1 |
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1 |
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[P (ì)]2 dì |
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(2l 1)(2l ÿ 1)(2l ÿ 3) 3 |
…ÿ1 |
0 |
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1 |
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1 |
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…ÿ1[P0(ì)]2 dì |
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2l 1 |
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Since P0(1) 1, the desired result is |
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1 |
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1 |
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1 |
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2 |
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…ÿ1 |
[Pl(ì)]2 dì |
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…ÿ1 dì |
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(E:19) |
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2l 1 |
2l 1 |
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We are now ready to evaluate Ilm. From equation (E.10) we have |
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|
Ilm …ÿ1(1 ÿ ì2)m dìm |
|
2 |
dì |
…ÿ1(1 ÿ ì2)m |
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dìm |
dì |
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|
dìmÿ1 ! dì |
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1 |
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dm Pl |
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1 |
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dm Pl |
d dmÿ1 Pl |
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Integration by parts gives |
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||||||||||
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dm Pl |
dmÿ1 Pl |
1 |
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1 dmÿ1 Pl d |
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dm Pl |
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ÿ |
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Ilm (1 ÿ ì2)m dìm |
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dìmÿ1 |
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1 |
ÿ |
…ÿ1 d |
ìmÿ1 dì |
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(1 ÿ ì2)m dìm dì (E:20) |
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(1 |
ÿ |
ì ) |
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0 at ì |
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1. |
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The integrated part vanishes because |
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To evaluate the integral on the right-hand side of equation (E.20), we replace m by |
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m ÿ 1 in (E.16) and multiply by (1 ÿ ì2)mÿ1 to obtain |
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(1 |
ÿ |
ì2)m |
d2 wmÿ1 |
ÿ |
2mì(1 |
ÿ |
ì2)mÿ1 |
dwmÿ1 |
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dì2 |
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dì |
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|||||||||
which can be rewritten as |
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[l(l 1) ÿ m(m ÿ 1)](1 ÿ ì2)mÿ1 wmÿ1 0 |
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d |
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dwm 1 |
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|||||||||
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(1 |
ÿ ì2)m |
|
dìÿ |
ÿ(l m)(l ÿ m 1)(1 ÿ ì2)mÿ1 wmÿ1 0 |
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|
|
dì |
|
From equation (E.14) we see that


Legendre and associated Legendre polynomials |
309 |
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|
|
a |
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2l 1 |
(l ÿ m)! |
1 |
Pm(ì) f (ì) dì |
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lm |
2 |
|
(l m)! |
…ÿ1m |
l |
|
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||||
The completeness relation for the polynomials Pl |
(ì) is |
|
|
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||||||||||||||
X |
|
|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
1 |
|
2l 1 |
(l ÿ m)! |
Pm(ì)Pm(ì9) |
|
ä(ì |
ÿ |
ì9) |
|||||||||
l |
|
m |
|
2 |
|
(l |
|
m)! |
l |
|
l |
|
|
|
||||
|
|
|
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|||||
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