Ogólne rozwiązanie można wyrazić za pomocą kombinacji liniowej dwóch lub większej liczby funkcji o różnych wartościach parametrów Zazwyczaj rozwiązanie takie znajduje się żądając, aby były spełnione odpowiednie warunki początkowe lub brzegowe.
Stowarzyszone funkcje Legendre’a są najbardziej użyteczne, gdy ich argument wyrazi się w funkcji kąta: podstawiając do równania Legendre’a (por. wstęp do artykułu) wielkość oraz używając relacji otrzymuje się równanie różniczkowe zależne od dwóch parametrów postaci
Rozwiązaniami tego równania są funkcje zmiennej takie że
gdzie wielomianami Legendre’a z argumentem przy czym rozwiązania są nieosobliwe tylko gdy spełnione są warunki:
Ogólne rozwiązanie można wyrazić za pomocą kombinacji liniowej dwóch lub większej liczby funkcji o różnych wartościach parametrów Zazwyczaj rozwiązanie takie znajduje się żądając, aby były spełnione odpowiednie warunki początkowe lub brzegowe.
Stowarzyszone wielomiany Legendre’a są głównymi składnikami rozwiązań równań fizycznych w wielu sytuacjach, gdy układy i pola mają symetrią sferyczną. Np. równanie Schrödingera zapisane dla atomu wodoru, gdy na atom nie działa żadne pole zewnętrzne (np. pole magnetyczne) ma symetrię sferyczną. W takich sytuacjach wygodnie jest zapisać równanie różniczkowe w układzie współrzędnych sferycznych i rozwiązać je metodą separacji zmiennych. Część równania, która zostaje po odrzuceniu części radialnej zależnej od ma zwykle postać przy czym oznacza operator Laplace’a zapisany we współrzędnych sferycznych, przy założeniu stałości współrzędnej radialnej Rozwiązaniami tego równania są tzw. harmoniki sferyczne, będące iloczynami wielomianów Legendre’a (zależnych od kąta ) i funkcji zależnych od kąta
Wielomiany Legendre’a stanowią główny składnik rozwiązania równania określonego na powierzchni sfery dla zmiennych Zapisując operator Laplace’a we współrzędnych sferycznych dla stałej współrzędnej radialnej równanie to przyjmie postać
które rozwiązuje się metodą separacji zmiennych, tj. przyjmując Otrzymuje się stąd dwa równania:
(1) równanie zależne od
– jego rozwiązania są postaci lub przy czym aby rozwiązania były jednoznaczne dla powtarzających się wartości kąta co tj.
(2) równanie zależne od
– jego rozwiązaniami są wielomiany Legendre’a mnożone przez dowolną stałą, przy czym oraz aby rozwiązania nie były osobliwe.
Równanie posiada więc nieosobliwe rozwiązania tylko dla liczb takich że przy czym rozwiązania te są proporcjonalne do
i
Dla każdej liczby mamy funkcji o różnych wartościach oraz dwie funkcje sin i cos. Funkcje te są ortogonalne zarówno dla różnych wartości liczb oraz jeżeli całkuje się je po całej powierzchni sfery.
Funkcje nazywa się harmonikami sferycznymi; wielkość pod pierwiastkiem jest czynnikiem normalizacyjnym. Z powyższego wzoru wynika, że zależność między harmonikami sferycznymi o tych samych wartościach a przeciwnych wartościach spełnia zależność