Ecuación de Laplace

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La forma escalar de la ecuación de Laplace es la ecuación diferencial parcial

 del ^2psi=0,
(1)

donde del ^2 es el laplaciano.

Tenga en cuenta que el operador del ^2 se escribe comúnmente como Delta por matemáticos (Krantz 1999, p. 16). La ecuación de Laplace es un caso especial de la ecuación diferencial de Helmholtz

 del ^2psi+k^2psi=0
(2)

con  k = 0, o ecuación de Poisson

 del ^2psi= - 4pirho
(3)

con  rho = 0.

La ecuación del vector de Laplace viene dada por

 del ^2F = 0.
(4)

Una función psi que satisface la ecuación de Laplace se dice que es armónica. Una solución a la ecuación de Laplace tiene la propiedad de que el valor promedio sobre una superficie esférica es igual al valor en el centro de la esfera (teorema de la función armónica de Gauss). Las soluciones no tienen máximos ni mínimos locales. Debido a que la ecuación de Laplace es lineal, la superposición de dos soluciones cualesquiera es también una solución.

Una solución a la ecuación de Laplace se determina únicamente si (1) el valor de la función se especifica en todos los límites (condiciones de límite de Dirichlet) o (2) la derivada normal de la función se especifica en todos los límites (condiciones de límite de Neumann).

Coordinate System Variables Solution Functions
Cartesian X(x)Y(y)Z(z) exponential functions, circular functions, hyperbolic functions
circular cylindrical R(r)Theta(theta)Z(z) Bessel functions, exponential functions, circular functions
conical ellipsoidal harmonics, power
confocal ellipsoidal Lambda(lambda)M(mu)N(nu) ellipsoidal harmonics of the first kind
elliptic cylindrical U(u)V(v)Z(z) Mathieu function, circular functions
oblate spheroidal Lambda(lambda)M(mu)N(nu) Legendre polynomial, circular functions
parabolic Bessel functions, circular functions
parabolic cylindrical parabolic cylinder functions, Bessel functions, funciones circulares
paraboloidal  U(u)V (v)Theta (theta) funciones circulares
esferoidal prolato Lambda (lambda) M (mu)N (nu) Polinomio de Legendre, funciones circulares
esférico  R (r)Theta (theta)Phi (phi) Polinomio, potencia, funciones circulares de Legendre

La ecuación de Laplace se puede resolver separando variables en los 11 sistemas de coordenadas que puede resolver la ecuación diferencial de Helmholtz. La forma que adoptan estas soluciones se resume en el cuadro anterior. Además de estos 11 sistemas de coordenadas, la separación se puede lograr en dos sistemas de coordenadas adicionales mediante la introducción de un factor multiplicativo. En estos sistemas de coordenadas, los separados formulario

 psi=(X_1(u_1)X_2(u_2)X_3(u_3))/(R(u_1,u_2,u_3)),
(5)

y la configuración de

 (h_1h_2h_3)/(h_i^2)=g_i(u_(i+1),u_(i+2))f_i(u_i)R^2,
(6)

donde h_i son factores de escala, da la ecuación de Laplace

 sum_(i=1)^31/(h_i^2X_i)=sum_(i=1)^31/(h_i^2R).
(7)

Si el lado derecho es igual a  - k_1^2 / F (u_1,u_2,u_3), donde  k_1 es una constante y  F es cualquier función, y si

 h_1h_2h_3 = Sf_1f_2f_3R^2F,
(8)

donde  S es el determinante de Stäckel, entonces la ecuación se puede resolver utilizando los métodos de la ecuación diferencial de Helmholtz. Los dos sistemas donde este es el caso son bisféricos y toroidales, llevando el número total de sistemas separables para la ecuación de Laplace a 13 (Morse y Feshbach 1953, pp.665-666).

En coordenadas bipolares bidimensionales, la ecuación de Laplace es separable, aunque la ecuación diferencial de Helmholtz no lo es.

Llamadas de Zwillinger (1997, p. 128)

 (a_0x + b_0) y^((n))+(a_1x+b_1) y^((n-1))+...+(a_nx+b_n)y=0
(9)

las ecuaciones de Laplace.

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