圖 1 ）雙球坐標系的幾個坐標曲面 。紅色環面的
σ
=
45
∘
{\displaystyle \sigma =45^{\circ }}
τ
=
0.5
{\displaystyle \tau =0.5}
ϕ
=
60
∘
{\displaystyle \phi =60^{\circ }}
直角坐標 大約為
(
0.841
,
−
1.456
,
1.239
)
{\displaystyle (0.841,\ -1.456,\ 1.239)}
圖 2 ）雙極坐標系繪圖。紅色圓圈變成上圖的紅色環面（
σ
{\displaystyle \sigma }
τ
{\displaystyle \tau }
雙球坐標系 （英語：Bispherical coordinates ）是一種三維正交坐標系 。設定二維雙極坐標系 包含於 xz-平面。設定這雙極坐標系的兩個焦點
F
1
{\displaystyle F_{1}}
F
2
{\displaystyle F_{2}}
σ
{\displaystyle \sigma }
環心圓 。稱環心圓至環面的距離為環小半徑 。
在三維空間裏，一個點 P 的雙球坐標
(
σ
,
τ
,
ϕ
)
{\displaystyle (\sigma ,\ \tau ,\ \phi )}
x
=
a
sin
σ
cosh
τ
−
cos
σ
cos
ϕ
{\displaystyle x=a\ {\frac {\sin \sigma }{\cosh \tau -\cos \sigma }}\cos \phi }
y
=
a
sin
σ
cosh
τ
−
cos
σ
sin
ϕ
{\displaystyle y=a\ {\frac {\sin \sigma }{\cosh \tau -\cos \sigma }}\sin \phi }
z
=
a
sinh
τ
cosh
τ
−
cos
σ
{\displaystyle z=a\ {\frac {\sinh \tau }{\cosh \tau -\cos \sigma }}}
其中，
(
x
,
y
,
z
)
{\displaystyle (x,\ y,\ z)}
直角坐標 ，
σ
{\displaystyle \sigma }
∠
F
1
P
F
2
{\displaystyle \angle F_{1}PF_{2}}
弧度 ，
τ
{\displaystyle \tau }
d
1
{\displaystyle d_{1}}
d
2
{\displaystyle d_{2}}
自然對數 ：
τ
=
ln
d
1
d
2
{\displaystyle \tau =\ln {\frac {d_{1}}{d_{2}}}}
每一個紅色的
σ
{\displaystyle \sigma }
坐標曲面 都是包含了兩個焦點
F
1
{\displaystyle F_{1}}
F
2
{\displaystyle F_{2}}
z
2
+
(
x
2
+
y
2
−
a
cot
σ
)
2
=
a
2
sin
2
σ
{\displaystyle z^{2}+\left({\sqrt {x^{2}+y^{2}}}-a\cot \sigma \right)^{2}={\frac {a^{2}}{\sin ^{2}\sigma }}}
當絕對值
|
σ
|
{\displaystyle \left|\sigma \right|}
|
σ
|
{\displaystyle \left|\sigma \right|}
π
/
2
{\displaystyle \pi /2}
每一個藍色的
τ
{\displaystyle \tau }
坐標曲面 都是不相交的圓球面。每一個圓球面都包圍著一個焦點；圓球心都包含於 z-軸。圓球半徑為
x
2
+
y
2
+
(
z
−
a
coth
τ
)
2
=
a
2
sinh
2
τ
{\displaystyle x^{2}+y^{2}+(z-a\coth \tau )^{2}={\frac {a^{2}}{\sinh ^{2}\tau }}}
它們的圓球心都包含於 z-軸。正值
τ
{\displaystyle \tau }
z
>
0
{\displaystyle z>0}
τ
{\displaystyle \tau }
z
<
0
{\displaystyle z<0}
τ
=
0
{\displaystyle \tau =0}
τ
{\displaystyle \tau }
圖 3 ）點 P 的坐標
σ
{\displaystyle \sigma }
τ
{\displaystyle \tau }
ϕ
{\displaystyle \phi }
σ
{\displaystyle \sigma }
∠
F
1
P
F
2
{\displaystyle \angle F_{1}PF_{2}}
τ
{\displaystyle \tau }
d
1
{\displaystyle d_{1}}
d
2
{\displaystyle d_{2}}
自然對數 。
σ
{\displaystyle \sigma }
τ
{\displaystyle \tau }
雙球坐標
(
σ
,
τ
,
ϕ
)
{\displaystyle (\sigma ,\ \tau ,\ \phi )}
(
x
,
y
,
z
)
{\displaystyle (x,\ y,\ z)}
ϕ
{\displaystyle \phi }
tan
ϕ
=
y
x
{\displaystyle \tan \phi ={\frac {y}{x}}}
點 P 與兩個焦點之間的距離是
d
1
2
=
x
2
+
y
2
+
(
z
+
a
)
2
{\displaystyle d_{1}^{2}=x^{2}+y^{2}+(z+a)^{2}}
d
2
2
=
x
2
+
y
2
+
(
z
−
a
)
2
{\displaystyle d_{2}^{2}=x^{2}+y^{2}+(z-a)^{2}}
τ
{\displaystyle \tau }
d
1
{\displaystyle d_{1}}
d
2
{\displaystyle d_{2}}
自然對數 ：
τ
=
ln
d
1
d
2
{\displaystyle \tau =\ln {\frac {d_{1}}{d_{2}}}}
如圖 3 ，
∠
F
1
P
F
2
{\displaystyle \angle F_{1}PF_{2}}
σ
{\displaystyle \sigma }
餘弦定理 來計算：
cos
σ
=
d
1
2
+
d
2
2
−
4
a
2
2
d
1
d
2
{\displaystyle \cos \sigma ={\frac {d_{1}^{2}+d_{2}^{2}-4a^{2}}{2d_{1}d_{2}}}}
雙球坐標
σ
{\displaystyle \sigma }
τ
{\displaystyle \tau }
h
σ
=
h
τ
=
a
cosh
τ
−
cos
σ
{\displaystyle h_{\sigma }=h_{\tau }={\frac {a}{\cosh \tau -\cos \sigma }}}
方位角的標度因子為
h
ϕ
=
a
sin
σ
cosh
τ
−
cos
σ
{\displaystyle h_{\phi }={\frac {a\sin \sigma }{\cosh \tau -\cos \sigma }}}
無窮小體積元素是
d
V
=
a
3
sin
σ
(
cosh
τ
−
cos
σ
)
3
d
σ
d
τ
d
ϕ
{\displaystyle dV={\frac {a^{3}\sin \sigma }{(\cosh \tau -\cos \sigma )^{3}}}d\sigma d\tau d\phi }
拉普拉斯算子 是
∇
2
Φ
=
(
cosh
τ
−
cos
σ
)
3
a
2
sin
σ
[
∂
∂
σ
(
sin
σ
cosh
τ
−
cos
σ
∂
Φ
∂
σ
)
+
sin
σ
∂
∂
τ
(
1
cosh
τ
−
cos
σ
∂
Φ
∂
τ
)
+
1
sin
σ
(
cosh
τ
−
cos
σ
)
∂
2
Φ
∂
ϕ
2
]
{\displaystyle \nabla ^{2}\Phi ={\frac {\left(\cosh \tau -\cos \sigma \right)^{3}}{a^{2}\sin \sigma }}\left[{\frac {\partial }{\partial \sigma }}\left({\frac {\sin \sigma }{\cosh \tau -\cos \sigma }}{\frac {\partial \Phi }{\partial \sigma }}\right)+\sin \sigma {\frac {\partial }{\partial \tau }}\left({\frac {1}{\cosh \tau -\cos \sigma }}{\frac {\partial \Phi }{\partial \tau }}\right)+{\frac {1}{\sin \sigma \left(\cosh \tau -\cos \sigma \right)}}{\frac {\partial ^{2}\Phi }{\partial \phi ^{2}}}\right]}
其它微分算子，像
∇
⋅
F
{\displaystyle \nabla \cdot \mathbf {F} }
∇
×
F
{\displaystyle \nabla \times \mathbf {F} }
(
σ
,
τ
,
z
)
{\displaystyle (\sigma ,\ \tau ,\ z)}
正交坐標系 條目內對應的一般公式。
雙球坐標有一個經典的應用，這是在解析像拉普拉斯方程 或亥姆霍茲方程 這類的偏微分方程式 。在這些方程式裏，雙球坐標允許分離變數法 的使用。一個典型的例題是，有兩個不同半徑的圓球導體 ，請問其周圍的電位 與電場 為什麼？應用雙球坐標，我們可以精緻地分析這个问題。
Morse PM, Feshbach H. Methods of Theoretical Physics, Part I. New York: McGraw-Hill. 1953: p. 665–666. Korn GA, Korn TM. Mathematical Handbook for Scientists and Engineers. New York: McGraw-Hill. 1961: p. 182. Zwillinger D. Handbook of Integration. Boston, MA: Jones and Bartlett. 1992: p. 113. ISBN 0-86720-293-9 Moon PH, Spencer DE. Toroidal Coordinates (η, θ, ψ). Field Theory Handbook, Including Coordinate Systems, Differential Equations, and Their Solutions 2nd ed., 3rd revised printing. New York: Springer Verlag. 1988: pp. 110–112 (Section IV, E4Ry). ISBN 0-387-02732-7 
![{\displaystyle \nabla ^{2}\Phi ={\frac {\left(\cosh \tau -\cos \sigma \right)^{3}}{a^{2}\sin \sigma }}\left[{\frac {\partial }{\partial \sigma }}\left({\frac {\sin \sigma }{\cosh \tau -\cos \sigma }}{\frac {\partial \Phi }{\partial \sigma }}\right)+\sin \sigma {\frac {\partial }{\partial \tau }}\left({\frac {1}{\cosh \tau -\cos \sigma }}{\frac {\partial \Phi }{\partial \tau }}\right)+{\frac {1}{\sin \sigma \left(\cosh \tau -\cos \sigma \right)}}{\frac {\partial ^{2}\Phi }{\partial \phi ^{2}}}\right]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/d4cf647df653a77be2f7d81a9ffc2c3c0d31820c)
