Laplaces ekvation

bidra till denna post

den skalära formen av Laplaces ekvation är den partiella differentialekvationen

 del ^2psi=0,
(1)

där  del ^2 är Laplacian.

Observera att operatören  del ^2ofta skrivs som  Delta av matematiker (Krantz 1999, s. 16). Laplaces ekvation är ett speciellt fall av Helmholtz differentialekvation

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

med  k = 0 , eller Poissons ekvation

 del ^2psi= - 4pirho
(3)

med  rho = 0.

vektorn Laplaces ekvation ges av

 del ^2F = 0.
(4)

en funktion  psi som uppfyller Laplaces ekvation sägs vara harmonisk. En lösning på Laplaces ekvation har egenskapen att medelvärdet över en sfärisk yta är lika med värdet i mitten av sfären (Gauss ’ s harmonic function theorem). Lösningar har inga lokala maxima eller minima. Eftersom Laplaces ekvation är linjär är superpositionen av två lösningar också en lösning.

en lösning på Laplaces ekvation bestäms unikt om (1) värdet på funktionen anges på alla gränser (Dirichlet-gränsvillkor) eller (2) det normala derivatet av funktionen anges på alla gränser (Neumann-gränsvillkor).

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, cirkulära funktioner
paraboloid  U (u)V (v)Theta (theta) cirkulära funktioner
prolate sfäroidal  Lambda (lambda)M (mu) N(nu) Legendre polynom, cirkulära funktioner
sfärisk  r (r) Theta (theta)Phi (phi) Legendre polynom, kraft, cirkulära funktioner

Laplaces ekvation kan lösas genom separation av variabler i alla 11 koordinatsystem som Helmholtz differentialekvation kan. Formen som dessa lösningar tar sammanfattas i tabellen ovan. Förutom dessa 11 koordinatsystem kan separation uppnås i ytterligare två koordinatsystem genom att införa en multiplikativ faktor. I dessa koordinatsystem är den separerade formen

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

och inställning

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

där  h_i är skalfaktorer, ger Laplaces ekvation

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

om den högra sidan är lika med  - k_1^2 / F (u_1, u_2, u_3), där k_1 är en konstant och  F är någon funktion, och om

 h_1h_2h_3=Sf_1f_2f_3R^2F,
(8)

där  S är determinanten för St-Occylckel, kan ekvationen lösas med hjälp av metoderna för Helmholtz-differentialekvationen. De två systemen där detta är fallet är bisfäriska och toroidala, vilket ger det totala antalet separerbara system för Laplaces ekvation till 13 (Morse och Feshbach 1953, s.665-666).

i tvådimensionella bipolära koordinater är Laplaces ekvation separerbar, även om Helmholtz differentialekvation inte är det.

Zwillinger (1997, s. 128) samtal

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

Laplace ekvationer.

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte publiceras.

Previous post Three-Named Actors of the 90s: en undersökning
Next post Mount Elliott Cemetery