• 1.摘要
  • 2.定义
  • 3.边界条件
  • 4.二维拉普拉斯方程
  • 4.1.解析函数
  • 4.2.流体动力学
  • 4.3.静电学
  • 5.三维拉普拉斯方程
  • 5.1.基本解
  • 5.2.格林函数
  • 5.3.圆球壳案例

拉普拉斯方程

拉普拉斯方程,又名调和方程位势方程,是一种偏微分方程。因为由法国数学家皮埃尔-西蒙·拉普拉斯首先提出而得名。求解拉普拉斯方程是电磁学、天文学、热力学和流体力学等领域经常遇到的一类重要的数学问题,因为这种方程以势函数的形式描写了电场、引力场和流场等物理对象(一般统称为“保守场”或“有势场”)的性质。

定义

三维情况下,拉普拉斯方程可由下面的形式描述,问题归结为求解对实自变量x、y、z二阶可微的实函数φ:

使用笛卡尔坐标,

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使用柱坐标,

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使用球面坐标,

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使用曲线坐标,

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这组方程常常又写为

image或者image

其中,div表示矢量场的散度(结果是一个标量场),grad表示标量场的梯度(结果是一个矢量场)。

这方程又可写为

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其中,Δ称为拉普拉斯算子。

拉普拉斯方程的解称为调和函数。如果等号右边是一个给定的函数f(x, y, z),即

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