泊松方程解法


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泊松方程是數學中一個常見於靜電學、機械工程和理論物理的偏微分方程。是從法國數學家、幾何學家及物理學家泊松而得名的。 泊松方程為

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在這里 Δ 代表的是拉普拉斯算子,而 f 和 φ 可以是在流形上的實數或復數值的方程。 當流形屬於歐幾里得空間,而拉普拉斯算子通常表示為 泊松方程解法 - jim chen - 我的博客,因此泊松方程通常寫成

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在三維直角坐標系,可以寫成

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如果沒有f, 這個方程就會變成拉普拉斯方程

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另外

在數學以及物理中, 拉普拉斯算子或是拉普拉斯算符(Laplace operator 或 Laplacian)是一個微分算子,通常寫成 Δ 或 泊松方程解法 - jim chen - 我的博客;這是為了紀念皮埃爾-西蒙·拉普拉斯而命名的。

拉普拉斯算子有許多用途,此外也是橢圓型算子中的一個重要例子。

在物理中,常用於波方程的數學模型、熱傳導方程以及亥姆霍茲方程。

在靜電學中,拉普拉斯方程和泊松方程的應用隨處可見。在量子力學中,其代表薛定諤方程式中的動能項。

在數學中,經拉普拉斯算子運算為零的函數稱為調和函數;拉普拉斯算子是霍奇理論的核心,並且是德拉姆上同調的結果。

[編輯] 定義

拉普拉斯算子是 n 維歐幾里得空間中的一個二階微分算子,定義為梯度(泊松方程解法 - jim chen - 我的博客)的散度(泊松方程解法 - jim chen - 我的博客)。因此如果 f 是二階可微的實函數,則f的拉普拉斯算子定義為:

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f 的拉普拉斯算子也是笛卡兒坐標系xi中的所有非混合二階偏導數:

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作為一個二階微分算子,拉普拉斯算子把 Ck 函數映射到 Ck-2 函數,對於k ≥ 2。表達式(1)(或(2))定義了一個算子Δ : Ck(Rn) → Ck-2(Rn),或更一般地,定義了一個算子Δ : Ck(Ω) → Ck-2(Ω),對於任何開集Ω。

函數的拉普拉斯算子也是該函數的黑塞矩陣的跡:

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坐標表示式

二維空間

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其中x與y代表 x-y 平面上的笛卡兒坐標
另外極坐標的表示法為:
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三維空間

笛卡兒坐標系下的表示法
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圓柱坐標系下的表示法
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球坐標系下的表示法
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