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Ecuación de Laplace

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

(Imagen generada únicamente con fines ilustrativos)

Una elíptica lineal de segundo orden diferencial parcial Ecuación que describe sistemas en estado estacionario o de equilibrio. Se escribe como [latex]nabla^2 u = 0[/latex] o [latex]Delta u = 0[/latex], donde [latex]nabla^2[/latex] (o [latex]Delta[/latex]) es el operador de Laplace. Las soluciones, llamadas funciones armónicas, son las funciones más suaves posibles y representan potenciales en campos como la electrostática, la gravitación y el flujo de fluidos.

La ecuación de Laplace es la ecuación diferencial parcial elíptica canónica. Surge en numerosos contextos físicos donde una magnitud está en equilibrio y su valor en un punto es el promedio de sus valores en el entorno circundante. Esta propiedad de promediación es una característica definitoria de sus soluciones, conocidas como funciones armónicas. Una consecuencia directa es el «principio del máximo» para las funciones armónicas, que establece que una solución no constante no puede alcanzar su valor máximo o mínimo en el interior de su dominio; estos extremos deben estar en la frontera. Esto impide, por ejemplo, que exista un punto caliente en una región de flujo de calor en estado estacionario a menos que haya una fuente allí (lo que violaría [latex]nabla^2 u = 0[/latex]).

Las soluciones a la ecuación de Laplace son infinitamente diferenciables (analíticas) incluso si las condiciones de contorno no lo son. Esta es una propiedad de suavizado notable, incluso más fuerte que la de la ecuación del calorEl problema de encontrar una solución a la ecuación de Laplace en un dominio dados los valores de la solución en la frontera se conoce como la ecuación de Laplace. Dirichlet problema. El problema de Neumann relacionado especifica la derivada normal en el contorno.

A diferencia de las ecuaciones de calor y de onda dependientes del tiempo, la ecuación de Laplace se suele resolver para problemas de contorno, donde todo el límite de un dominio espacial influye en la solución en cada punto interior simultáneamente. Esta dependencia «global» contrasta con la naturaleza causal y dependiente del tiempo de las ecuaciones parabólicas e hiperbólicas.

UNESCO Nomenclature: 1208
- Física matemática

Tipo

Sistema abstracto

Ruptura

Fundacional

Uso

Uso generalizado

Precursores

  • Ley de Newton gravitación universal
  • Ley de electrostática de Coulomb
  • concepto de campo potencial de Lagrange
  • Desarrollo del cálculo multivariable y del operador de Laplace

Aplicaciones

  • Electrostática para calcular el potencial eléctrico en regiones sin carga
  • gravitación para determinar el potencial gravitacional
  • conducción de calor en estado estacionario
  • flujo de fluido incompresible e irrotacional
  • describiendo la forma de un jabón película estirado sobre una estructura de alambre

Patentes:

NA

Ideas para posibles innovaciones

  • Algoritmos para generar trayectorias suaves para robots autónomos que navegan en entornos complejos
  • Técnicas de gráficos por computadora para crear mapas de iluminación y sombras realistas
  • Diseño de lentes electrostáticas para microscopios electrónicos
  • Modelado del flujo de aguas subterráneas para gestionar acuíferos y predecir la propagación de contaminantes
  • interfaces cerebro-ordenador that interpret eeg data by solving laplace’s equation on the scalp
  • Optimización de la colocación de electrodos en dispositivos médicos como marcapasos
  • Generación automatizada de superficies 3D suaves en software CAD
  • Modelos financieros para fijar precios de opciones exóticas donde las condiciones sin arbitraje conducen a ecuaciones de estado estacionario.
Relacionado con: ecuación de Laplace, EDP elíptica, función armónica, teoría del potencial, estado estacionario, electrostática, problema de valores en la frontera, problema de Dirichlet.

Contexto histórico

Ecuación de Laplace

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

(Si la fecha es desconocida o no es relevante, por ejemplo "mecánica de fluidos", se proporciona una estimación redondeada de su aparición notable)

décimo año aniversario

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