ラプラス方程式

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ラプラス方程式のスカラー形式は、部分微分方程式です

 デル^2psi=0,
(1)

ここで、del^2はラプラシアンです。

演算子del^2は数学者によってDeltaと書かれていることに注意してください(Krantz1999,p.16)。 ラプラス方程式はヘルムホルツ微分方程式の特殊な場合である

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

k=0、またはポアソンの方程式

 デル^2psi=-4pirho
(3)

rho=0

ベクトルラプラスの方程式は次式で与えられます

 del^2F=0.
(4)

ラプラスの方程式を満たす関数psiは高調波であると言われています。 ラプラス方程式の解は、球面上の平均値が球の中心の値に等しいという性質を持つ(ガウスの調和関数定理)。 解には極大値や極小値はありません。 ラプラス方程式は線形であるため、任意の2つの解の重ね合わせも解である。

ラプラス方程式の解は、(1)関数の値がすべての境界で指定されている場合(ディリクレ境界条件)、または(2)関数の正規導関数がすべての境界で指定されている場合(ノイマン境界条件)に一意的に決定されます。

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, 循環関数
放物面 U(u)V(v)シータ(シータ) 循環関数
長楕円体 ラムダ(lambda)M(mu)N(nu) ルジャンドル多項式、循環関数
球面 R(r)Theta(theta)Phi(phi) ルジャンドル多項式,べき乗,循環関数

ラプラス方程式は、ヘルムホルツ微分方程式ができるすべての11座標系における変数の分離によって解くことができる。 これらの解決策の形式は、上の表に要約されています。 これらの11の座標系に加えて、乗法因子を導入することによって、2つの追加の座標系で分離を達成することができる。 これらの座標系では、分離された形式は次のようになります

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

と設定

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

ここで、h_iはスケール係数であり、ラプラスの方程式を与える

 (i=1)sum31/(h_i^2x_i)=sum_(i=1)/31/(h_i^2R)です。
(7)

右辺が-k_1^2/F(u_1,u_2,u_3)に等しい場合、k_1は定数であり、Fは任意の関数であり、次の場合

 h_1h_2h_3=Sf_1F_2F_3r^2F,
(8)

ここで、SはStäckel行列式であり、この方程式はHelmholtz微分方程式の方法を使用して解くことができます。 これが当てはまる2つの系は二球型とトロイダル型であり、ラプラス方程式の分離可能な系の総数は13になる(Morse and Feshbach1953,pp.665-666)。

二次元バイポーラ座標では、ヘルムホルツ微分方程式はそうではないが、ラプラスの方程式は分離可能である。

Zwillinger(1997,p.128)calls

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

ラプラス方程式

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