Оператор Лапласа

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Опера́тор Лапла́са (лапласиа́н, оператор дельта) — дифференциальный оператор, действующий в линейном пространстве гладких функций и обозначаемый символом . Функции он ставит в соответствие функцию

в n-мерном пространстве.

Оператор Лапласа эквивалентен последовательному взятию операций градиента и дивергенции: , таким образом, значение оператора Лапласа в точке может быть истолковано как плотность источников (стоков) потенциального векторного поля в этой точке. В декартовой системе координат оператор Лапласа часто обозначается следующим образом [1], то есть в виде скалярного произведения оператора набла на себя. Оператор Лапласа симметричен.

Другое определение оператора Лапласа[править | править вики-текст]

Оператор Лапласа является естественным обобщением на функции нескольких переменных обычной второй производной функции одной переменной. В самом деле, если функция имеет в окрестности точки непрерывную вторую производную , то, как это следует из формулы Тейлора

при ,
при

вторая производная есть предел

Если, переходя к функции от переменных, поступить таким же образом, то есть для заданной точки рассматривать её -мерную шаровую окрестность радиуса и разность между средним арифметическим

функции на границе такой окрестности с площадью границы и значением в центре этой окрестности , то в случае непрерывности вторых частных производных функции в окрестности точки значение лапласиана в этой точке есть предел

Одновременно с предыдущим представлением для оператора Лапласа функции , имеющей непрерывные вторые производные, справедлива формула

где  — объём окрестности

Эта формула выражает непосредственную связь лапласиана функции с её объёмным средним в окрестности данной точки.

Доказательство этих формул можно найти, например, в[2].

Вышеизложенные пределы, во всех случаях, когда они существуют, могут служить определением оператора Лапласа функции Такое определение предпочтительнее обычного определения лапласиана, предполагающего существование вторых производных рассматриваемых функций, и совпадает с обычным определением в случае непрерывности этих производных.

Выражения для оператора Лапласа в различных криволинейных системах координат[править | править вики-текст]

В произвольных ортогональных криволинейных координатах в трёхмерном пространстве :

где  — коэффициенты Ламе.

Цилиндрические координаты[править | править вики-текст]

В цилиндрических координатах вне прямой :

Сферические координаты[править | править вики-текст]

В сферических координатах вне начала отсчёта (в трёхмерном пространстве):

или

В случае если в n-мерном пространстве:

Параболические координаты[править | править вики-текст]

В параболических координатах (в трёхмерном пространстве) вне начала отсчёта:

Цилиндрические параболические координаты[править | править вики-текст]

В координатах параболического цилиндра вне начала отсчёта:

Общие криволинейные координаты и римановы пространства[править | править вики-текст]

Пусть на гладком многообразии задана локальная система координат и  — риманов метрический тензор на , то есть метрика имеет вид

.

Обозначим через элементы матрицы и

.

Дивергенция векторного поля , заданного координатами (и представляющего дифференциальный оператор первого порядка ) на многообразии X вычисляется по формуле

,

а компоненты градиента функции f — по формуле

Оператор Лапласа — Бельтрами на :

Значение является скаляром, то есть не изменяется при преобразовании координат.

Применение[править | править вики-текст]

С помощью данного оператора удобно записывать уравнения Лапласа, Пуассона и волновое уравнение. В физике оператор Лапласа применим в электростатике и электродинамике, квантовой механике, во многих уравнениях физики сплошных сред, а также при изучении равновесия мембран, плёнок или поверхностей раздела фаз с поверхностным натяжением (см. Лапласово давление), в стационарных задачах диффузии и теплопроводности, которые сводятся, в непрерывном пределе, к обычным уравнениям Лапласа или Пуассона или к некоторым их обобщениям.

Вариации и обобщения[править | править вики-текст]

См. также[править | править вики-текст]

Литература[править | править вики-текст]

  1. Стоит избегать обозначения для оператора Лапласа в виде квадрата оператора набла, поскольку из такой записи непонятно, скалярное или векторное произведение подразумевается под возведением в квадрат.
  2. Тиман А. Ф., Трофимов В. Н. Введение в теорию гармонических функций. М. Наука. 1968 г. 208с.

Ссылки[править | править вики-текст]