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Equation de Laplace

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

(Image générée à titre d'illustration uniquement)

Une elliptique linéaire du second ordre différentielle partielle L'équation qui décrit les systèmes à l'état stationnaire ou à l'équilibre s'écrit ∇²u = 0 ou Δu = 0, où ∇² (ou Δ) désigne l'opérateur de Laplace. Les solutions, appelées fonctions harmoniques, sont les fonctions les plus régulières possibles et représentent des potentiels dans des domaines tels que l'électrostatique, la gravitation et la mécanique des fluides.

L'équation de Laplace est l'équation aux dérivées partielles elliptique canonique. Elle apparaît dans de nombreux contextes physiques où une grandeur est à l'équilibre et sa valeur en un point est la moyenne de ses valeurs dans son voisinage. Cette propriété de moyennage est une caractéristique essentielle de ses solutions, appelées fonctions harmoniques. Il en découle directement le « principe du maximum » pour les fonctions harmoniques, qui stipule qu'une solution non constante ne peut atteindre sa valeur maximale ou minimale à l'intérieur de son domaine ; ces extrema se situent nécessairement sur la frontière. Ceci empêche, par exemple, l'existence d'un point chaud dans une région de flux de chaleur stationnaire, sauf en présence d'une source (ce qui violerait l'équation ∇²u = 0).

Les solutions de l'équation de Laplace sont infiniment différentiables (analytiques) même si les conditions aux limites ne le sont pas. Il s'agit d'une propriété de régularisation remarquable, encore plus forte que celle de l'équation de Laplace. équation thermiqueLe problème consistant à trouver une solution à l'équation de Laplace dans un domaine connaissant les valeurs de la solution sur la frontière est connu sous le nom de Dirichlet Le problème de Neumann associé spécifie la dérivée normale sur la frontière.

Contrairement aux équations de la chaleur et des ondes dépendantes du temps, l'équation de Laplace est généralement résolue pour des problèmes aux limites, où la solution en tout point intérieur est influencée simultanément par la frontière entière du domaine spatial. Cette dépendance « globale » contraste avec la nature causale et temporelle des équations paraboliques et hyperboliques.

UNESCO Nomenclature: 1208
- Physique mathématique

Taper

Système abstrait

Perturbation

Fondamentaux

Usage

Utilisation généralisée

Précurseurs

  • la loi de Newton gravitation universelle
  • la loi de Coulomb en électrostatique
  • concept de champ potentiel de Lagrange
  • développement du calcul multivariable et de l'opérateur de Laplace

Applications

  • électrostatique pour le calcul du potentiel électrique dans les régions sans charge
  • gravitation pour déterminer le potentiel gravitationnel
  • conduction thermique en régime permanent
  • écoulement de fluide incompressible et irrotationnel
  • décrire la forme d'un savon film tendu sur une structure métallique

Brevets:

NA

Idées d'innovations potentielles

  • algorithmes permettant de générer des trajectoires fluides pour les robots autonomes naviguant dans des environnements complexes
  • techniques d'infographie pour créer des cartes d'éclairage et d'ombre réalistes
  • conception de lentilles électrostatiques pour microscopes électroniques
  • modélisation de l'écoulement des eaux souterraines pour gérer les aquifères et prédire la propagation des contaminants
  • interfaces cerveau-ordinateur that interpret eeg data by solving laplace’s equation on the scalp
  • optimisation du placement des électrodes dans les dispositifs médicaux tels que les stimulateurs cardiaques
  • génération automatisée de surfaces 3D lisses dans un logiciel de CAO
  • modèles financiers pour la tarification des options exotiques où les conditions de non-arbitrage conduisent à des équations à l'état stationnaire
Lié à : l'équation de Laplace, l'EDP elliptique, la fonction harmonique, la théorie du potentiel, l'état stationnaire, l'électrostatique, le problème aux limites, le problème de Dirichlet.

Contexte historique

Equation de Laplace

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

(si la date est inconnue ou non pertinente, par exemple « mécanique des fluides », une estimation arrondie de son émergence notable est fournie)

10e année anniversaire

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