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Laplace-Gleichung

1780
  • Pierre-Simon Laplace
Mathematician solving Laplace's Equation in a historical laboratory setting.

(Abbildung dient nur zur Veranschaulichung)

Eine lineare elliptische Lösung zweiter Ordnung partielles Differential Gleichung, die Systeme in einem stabilen Zustand oder Gleichgewichtszustand beschreibt. Sie wird geschrieben als [latex]nabla^2 u = 0[/latex] oder [latex]Delta u = 0[/latex], wobei [latex]nabla^2[/latex] (oder [latex]Delta[/latex]) der Laplace-Operator ist. Lösungen, so genannte harmonische Funktionen, sind die glattesten möglichen Funktionen und stellen Potenziale in Bereichen wie Elektrostatik, Gravitation und Flüssigkeitsströmung dar.

Die Laplace-Gleichung ist die kanonische elliptische PDE. Sie taucht in zahlreichen physikalischen Zusammenhängen auf, in denen sich eine Größe im Gleichgewicht befindet und ihr Wert an einem Punkt der Durchschnitt ihrer Werte in der Umgebung ist. Diese Mittelungseigenschaft ist ein bestimmendes Merkmal ihrer Lösungen, die als harmonische Funktionen bekannt sind. Eine direkte Folge davon ist das ‘Maximalprinzip’ für harmonische Funktionen, das besagt, dass eine nicht konstante Lösung ihren Maximal- oder Minimalwert nicht im Inneren ihres Bereichs erreichen kann; diese Extrema müssen am Rand liegen. Dies verhindert z. B., dass ein heißer Punkt in einer Region mit stationärem Wärmestrom existiert, es sei denn, es gibt dort eine Quelle (was gegen [latex]nabla^2 u = 0[/latex] verstoßen würde).

Die Lösungen der Laplace-Gleichung sind unendlich differenzierbar (analytisch), auch wenn die Randbedingungen es nicht sind. Dies ist eine bemerkenswerte Glättungseigenschaft, die noch stärker ist als die der WärmegleichungDas Problem, eine Lösung der Laplace-Gleichung in einem Gebiet zu finden, wenn die Werte der Lösung auf dem Rand bekannt sind, wird als das Problem der Laplace-Gleichung bezeichnet. Dirichlet Das zugehörige Neumann-Problem spezifiziert die Normalenableitung auf dem Rand.

Im Gegensatz zu den zeitabhängigen Wärme- und Wellengleichungen wird die Laplace-Gleichung in der Regel für Randwertprobleme gelöst, bei denen der gesamte Rand eines räumlichen Bereichs die Lösung an jedem inneren Punkt gleichzeitig beeinflusst. Diese ‘globale’ Abhängigkeit steht im Gegensatz zur kausalen, zeitlich verlaufenden Natur der parabolischen und hyperbolischen Gleichungen.

UNESCO Nomenclature: 1208
- Mathematische Physik

Typ

Abstraktes System

Störung

Grundlegendes

Verwendung

Weitverbreitete Verwendung

Vorläufer

  • Das Newtonsche Gesetz der universelle Gravitation
  • Coulombsches Gesetz der Elektrostatik
  • Konzept eines Potentialfeldes durch Lagrange
  • Entwicklung der mehrdimensionalen Analysis und des Laplace-Operators

Anwendungen

  • Elektrostatik zur Berechnung des elektrischen Potenzials in ladungsfreien Bereichen
  • Gravitation zur Bestimmung des Gravitationspotentials
  • stationäre Wärmeleitung
  • inkompressible und rotationsfreie Fluidströmung
  • die Form einer Seife beschreiben Film über einen Drahtrahmen gespannt

Patente:

NA

Potenzielle Innovationsideen

  • Algorithmen zur Generierung glatter Pfade für autonome Roboter, die in komplexen Umgebungen navigieren
  • Computergrafiktechniken zum Erstellen realistischer Licht- und Schattenkarten
  • Design elektrostatischer Linsen für Elektronenmikroskope
  • Grundwasserströmungsmodellierung zur Verwaltung von Grundwasserleitern und zur Vorhersage der Schadstoffausbreitung
  • Gehirn-Computer-Schnittstellen that interpret eeg data by solving laplace’s equation on the scalp
  • Optimierung der Elektrodenplatzierung in medizinischen Geräten wie Herzschrittmachern
  • Automatisierte Generierung glatter 3D-Oberflächen in CAD-Software
  • Finanzmodelle zur Preisgestaltung exotischer Optionen, bei denen Arbitragefreiheit zu Steady-State-Gleichungen führt
Verwandte Themen: Laplace-Gleichung, elliptische pde, harmonische Funktion, Potentialtheorie, stationärer Zustand, Elektrostatik, Randwertproblem, Dirichlet-Problem.

Historischer Kontext

Laplace-Gleichung

1736
1750
1763-12-23
1780
1805
1822
1822
1650
1747
1758
1777
1799
1812
1822
1827

(wenn das Datum unbekannt oder nicht relevant ist, z. B. „Strömungsmechanik“, wird eine gerundete Schätzung seines bemerkenswerten Auftretens bereitgestellt)

10. Jahr Jubiläum

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