ラプラス方程式のスカラー形式は、部分微分方程式です
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ここで、はラプラシアンです。
演算子は数学者によって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
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、またはポアソンの方程式
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と。
ベクトルラプラスの方程式は次式で与えられます
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ラプラスの方程式を満たす関数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 | exponential functions, circular functions, hyperbolic functions | |
circular cylindrical | Bessel functions, exponential functions, circular functions | |
conical | ellipsoidal harmonics, power | |
confocal ellipsoidal | ellipsoidal harmonics of the first kind | |
elliptic cylindrical | Mathieu function, circular functions | |
oblate spheroidal | Legendre polynomial, circular functions | |
parabolic | Bessel functions, circular functions | |
parabolic cylindrical | parabolic cylinder functions, Bessel functions, 循環関数 | |
放物面 | 循環関数 | |
長楕円体 | ルジャンドル多項式、循環関数 | |
球面 | 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
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と設定
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ここで、はスケール係数であり、ラプラスの方程式を与える
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右辺がに等しい場合、は定数であり、は任意の関数であり、次の場合
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ここで、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
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ラプラス方程式