在Python中可视化球谐函数

Question

我正在尝试为我的大学项目绘制球谐。我要描述以下公式，

Y = cos(theta)

为此，我写了这段代码

import numpy as np
from mpl_toolkits.mplot3d import axes3d
import matplotlib.pyplot as plt

def sph2cart(r, phi, tta):
   ''' r is from 0 to infinity '''
   ''' phi is from 0 to 2*pi '''
   ''' tta is from 0 to pi '''
   x = r* np.sin(tta)* np.cos(phi)
   y = r* np.sin(tta)* np.sin(phi)
   z = r* np.cos(tta)
   return x, y, z

# phi running from 0 to pi and tta from 0 to pi
phi = np.linspace(0, 2* np.pi, 25)
tta = np.linspace(0, np.pi, 25)
# meshgrid to generate points
phi, tta = np.meshgrid(phi, tta)

# THIS IS THE FUNCTION
Y = np.cos(tta)
# finally all things in cartesian co-ordinate system
# Note that "Y" is acting as "r"
x, y, z = sph2cart( Y, phi, tta)

# plotting :-
fig = plt.figure()
ax = fig.add_subplot( 111 , projection='3d')
ax.plot_surface(x, y, z, linewidth = 0.5, edgecolors = 'k')

并且，结果得到球体。这是不正确的，因为实际结果是哑铃般的形状。请参见此图像的第二行，

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/62/Spherical_Harmonics.png/1024px-Spherical_Harmonics.png

Answer 1

维基百科文章Spherical harmonics中的图片是通过使用球谐波的绝对值作为r坐标，然后根据谐波的符号对表面着色来获得的。这是一个近似值。

x, y, z = sph2cart(np.abs(Y), phi, tta)

fig = plt.figure()
ax = fig.add_subplot( 111 , projection='3d')

from matplotlib import cm
ax.set_aspect('equal')
ax.plot_surface(x, y, z, linewidth = 0.5, facecolors = cm.jet(Y), edgecolors = 'k')

当你使用Y本身作为r时，两个半球（正Y和负Y）最终映射到上面表面的同一半。

Answer 2

你传递给函数的Y需要是一个绝对值才能使它成为r，否则z = cos（theta）^ 2总是正的。如果r是半径，那么你应该这样做。

x, y, z = sph2cart(np.abs(Y), phi, tta)