Equazione di Laplace

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scalare forma di equazione di Laplace è il partialdifferential equazione

 del ^2psi=0,
(1)

dove del ^2 è il Laplaciano.

Si noti che l’operatoredel ^2 è comunemente scritto comeDelta dai matematici (Krantz 1999, p. 16). Equazione di Laplace è un caso particolare dell’equazione di Helmholtz

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

con k=0, o l’equazione di Poisson

 del ^2psi=-4pirho
(3)

con rho=0.

L’equazione di Laplace vettoriale è data da

 del ^2F=0.
(4)

Si dice che una funzione psi che soddisfa l’equazione di Laplace sia armonica. Una soluzione all’equazione di Laplace ha la proprietà che il valore medio su una superficie sferica è uguale al valore al centro della sfera (teorema della funzione armonica di Gauss). Le soluzioni non hanno massimi o minimi locali. Poiché l’equazione di Laplace è lineare, anche la sovrapposizione di due soluzioni qualsiasi è una soluzione.

Una soluzione all’equazione di Laplace è determinata in modo univoco se (1) il valore della funzione è specificato su tutti i confini (condizioni al contorno di Dirichlet) o (2) la derivata normale della funzione è specificata su tutti i confini (condizioni al contorno di 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, funzioni circolari
paraboloidal U(u)V(v)Theta(theta) funzioni circolari
prolato sferoidale Lambda(lambda)M(mu)N(nu) il polinomio di Legendre, funzioni circolari
sferica R(r)Theta(theta)Phi(phi) il polinomio di Legendre, potenza, funzioni circolari

equazione di Laplace può essere risolto mediante separazione di variabili in tutti e 11 i sistemi di coordinate che Helmholtz equazione differenziale può. La forma che queste soluzioni assumono è riassunta nella tabella sopra. Oltre a questi 11 sistemi di coordinate, la separazione può essere ottenuta in due sistemi di coordinate aggiuntive introducendo un fattore moltiplicativo. In questi sistemi di coordinate, la separazione di forma è

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

e impostazione

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

dove h_i sono fattori di scala, dà l’equazione di Laplace

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

Se il lato destro è uguale a -k_1^2/F(u_1,u_2,u_3), dove k_1 è una costante e F qualsiasi funzione, e se

 h_1h_2h_3=Sf_1f_2f_3R^2F,
(8)

dove S è il Stäckel determinante, quindi l’equazione può essere risolta usando i metodi di Helmholtz equazione differenziale. I due sistemi in cui questo è il caso sono bisferici e toroidali, portando il numero totale di sistemi separabili per l’equazione di Laplace a 13 (Morse e Feshbach 1953, pp. 665-666).

In coordinate bipolari bidimensionali, l’equazione di Laplace è separabile, sebbene l’equazione differenziale di Helmholtz non lo sia.

Zwillinger (1997, p. 128) chiama

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

le equazioni di Laplace.

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