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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 P(x,y,z) de degré l forment un espace vectoriel de dimension 2l+1, et peuvent s'exprimer en coordonnées sphériques (r,θ,φ) à l'aide de 2l+1 combinaisons :

,

avec .

Les coordonnées sphériques (r,θ,φ) 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 S2.

Définition — Les fonctions sur la sphère obtenues par restriction de polynômes homogènes harmoniques sont des harmoniques sphériques.

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 SO(3)) et que le laplacien entre en jeu :

Résolution de l'équation de LaplaceModifier

On cherche les fonctions Yl,m(θ,φ) sous la forme d'un produit de deux fonctions d'une seule variable :

 

k 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 Pl,m(cos θ) :

 
 
Représentations des premières harmoniques sphériques "réelles" (combinaisons linéaires des   de même  ). Les parties en bleu correspondent aux valeurs négatives, celles en jaune aux valeurs positives des harmoniques.

On fait le changement de variable :   qui conduit à l'équation différentielle généralisée de Legendre :

 

Les valeurs propres de cette équation sont indépendantes de m :

 

Les fonctions propres Pl,m(x) sont les polynômes associés de Legendre. Ils se construisent à partir des polynômes de Legendre Pl(x) qui sont les fonctions propres de l'équation différentielle ordinaire de Legendre, correspondant au cas m = 0 :

 

On a la formule génératrice d'Olinde Rodrigues :

 

On construit alors les fonctions propres Pl,m(x) par la formule :

 

soit explicitement :

 

Remarque : il suffit en pratique de calculer les fonctions Pl,m(x) pour m ≥ 0, car il existe une relation simple entre Pl,m(x) et Pl, –m(x) :

 

Expression des harmoniques sphériquesModifier

On obtient alors l'expression inscrite plus bas. Une manière simple de retenir cette expression est la suivante :

 ,

Pl(x) est le polynôme de Legendre de degré l.

On obtient ensuite :

 

 

est l'opérateur « d'échelle montante ».

Pour m négatif,  

Souvent cette base se note   :

toute fonction sur la sphère S2 pourra donc s'écrire :

 

(en convention de sommation d'Einstein), les coefficients complexes f l,m jouant le rôle de composantes de f 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 mathématiqueModifier

Les harmoniques sphériques formant une base orthogonale sur la sphère unité, toute fonction continue f(θ,φ) se décompose en une série d'harmoniques sphériques :

 

l et m sont des indices entiers, Cm
l
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.

Ym
l
est la partie réelle d'une fonction complexe Ym
l

 

Ym
l
est appelée « fonction associée de Legendre » et est définie par

 

i est l'imaginaire et Pm
l
est le polynôme associé de Legendre :

 

On a donc

 

On a par exemple :

  •   (Y0
    0
    est isotrope) ;
  •   ;
  •   ;
  •   ;

Les fonctions Ym
l
(θ, φ)
présentent de plus en plus de symétries au fur et à mesure que l croît (sauf lorsque l = 0, puisque Y0
0
est une fonction constante et décrit donc une sphère).

Polynômes de LegendreModifier

Pour les harmoniques circulaires, on utilise des polynômes Pl de la fonction cosinus :

 

Les polynômes Pl utilisés sont les polynômes de Legendre :

  (formule de Rodrigues, mathématicien français)

On obtient :

  •   (fonction isotrope) ;
  •   ;
  •   ;
  •   ;

Harmoniques sphériques normaliséesModifier

Base orthonormale des harmoniques sphériquesModifier

Parmi les 2l +1 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 propres[1] :

 

où l'opérateur laplacien s'écrit en coordonnées sphériques sur la sphère de rayon unité J2 :

 

Elles sont fonctions propres de l'opérateur   :

 

Celles-ci, une fois normées sur la sphère sont alors notées usuellement Yl,m(θ , φ), où les angles (θ , φ) sont les coordonnées sphériques sur la sphère de rayon unité, et l et m sont deux nombres entiers tels que 0 ≤ l et lm ≤ +l

NormalisationModifier

Les harmoniques sphériques constituent une base orthonormale de fonctions propres de l'opérateur laplacien sur la sphère de rayon unité S2 au sens où :

Elles sont orthogonales pour le produit scalaire suivant :

 

Dans cette formule, dΩ(θ, φ) représente l'angle solide élémentaire :

 

Toute fonction f(θ , φ) suffisamment régulière admet un développement en série :

 

où les coefficients complexes al,m se calculent par :

 

Expression des harmoniques sphériques normaliséesModifier

Les harmoniques sphériques généralisées sont définies sur la sphère S3. La normalisation des harmoniques sphériques conduit à l'expression finale :

 

Forme "réelle" des harmoniques sphériquesModifier

Si m ≠ 0 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 graphiquesModifier

Représentation sphériqueModifier

Si l'on utilise la représentation sphérique

 

alors la surface représentatrice est une sphère bosselée ; les bosses correspondent aux parties où Ym
l
est positif, les creux aux parties où Ym
l
est négatif. Lorsque θ et φ décrivent l'intervalle [0 ; 2π[, Ym
l
(θ, φ)
s'annule selon l cercles :

  • m cercles suivant un méridien, une iso-longitude (intersection entre un plan contenant Oz et la sphère) ;
  • lm cercles suivant un parallèle, une iso-latitude (intersection entre un plan parallèle à Oxy et la sphère).

Le paramètre l est appelé le « degré », m 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 Y2
3
 :

Comme précédemment, on peut représenter la fonction par la courbe en coordonnées sphériques :

 
   
 
les parties en blanc sont positives, en bleu négatives
 

Représentation en coupeModifier

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 suivant[2]. 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 l = 3. Les quatre valeurs de m 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 m > 0. Pour montrer la concordance avec les harmoniques, leur plus simple expression est donnée sous chaque sphère.

On reconnaît les nombres quantiques secondaire l, correspondant aux sous-couches s, p, d, f et m, magnétique, de l'atome d'hydrogène. Le nombre quantique principal n 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 exp(i), de module unité, utilisée habituellement au lieu des sinus et cosinus, donne le nombre de méridiens. Les valeurs de l ≥ 4 ne s’observent que dans les états excités ou les atomes de Rydberg où la valeur habituelle de l est 50 et dont l'orbitale est représentée non par une sphère mais par un anneau[3].

Représentation cartésienne et polaireModifier

On peut représenter les harmoniques circulaires de trois manières :

Trois premières harmoniques circulaires
Représentation cartésienne Représentations polaires (tracé manuel) Représentations polaires (tracé exact)
Y1      
Y2    
Y3    

Autres harmoniquesModifier

Harmoniques circulairesModifier

Dans le plan, la décomposition s'écrit :

 

Y0 est une fonction constante, la courbe représentatrice en coordonnées polaires r = Y0(θ) est donc un cercle de rayon r0.

Yl est une fonction invariante par une rotation d'un angle de 1/l+1 tour, c'est-à-dire que

 

on dit que Yl admet une symétrie d'ordre l + 1.

Harmoniques sphériques généraliséesModifier

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 (ψ, θ, φ).

Considérons une fonction continue de l'orientation f(ψ, θ, φ) ; comme précédemment, cette fonction peut être décomposée en harmoniques sphériques généralisées

 

Cmn
l
est une constante. La fonction Ymn
l
s'écrit :

 

Le polynôme Pmn
l
est le polynôme de Legendre généralisé

  

Quand X décrit l'intervalle [-1 ; 1], cette fonction Pmn
l
est soit réelle, soit imaginaire pure. Y00
0
(ψ, θ, φ)
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 l = 1 :

 
m n
-1 0 +1
-1      
0      
1      

Pour l = 2 :

 
m n
-2 -1 0 +1 +2
-2          
-1          
0          
1          
2          

Notes et référencesModifier

  1. On 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 ϕ lisse à support compact, on a :
     

    Cette égalité se démontre en utilisant la relation Δ = div grad et en intégrant par parties.

  2. Bernard Schaeffer, Relativités et quanta clarifiés, Publibook, 2007
  3. Atomes circulaires : propriétés et préparation

Voir aussiModifier

Articles connexesModifier

Liens externesModifier

BibliographieModifier