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Equazione di Laplace

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

(Immagine generata a solo scopo illustrativo)

Un'ellittica lineare di secondo ordine differenziale parziale Equazione che descrive sistemi in condizioni di stato stazionario o di equilibrio. Si scrive come [latex]nabla^2 u = 0[/latex] o [latex]Delta u = 0[/latex], dove [latex]nabla^2[/latex] (o [latex]Delta[/latex]) è l'operatore di Laplace. Le soluzioni, chiamate funzioni armoniche, sono le funzioni più regolari possibili e rappresentano potenziali in campi come l'elettrostatica, la gravitazione e la fluidodinamica.

L'equazione di Laplace è l'equazione differenziale parziale ellittica canonica. Essa si presenta in numerosi contesti fisici in cui una grandezza è in equilibrio e il suo valore in un punto è la media dei suoi valori nell'intorno circostante. Questa proprietà di media è una caratteristica distintiva delle sue soluzioni, note come funzioni armoniche. Una conseguenza diretta è il "principio del massimo" per le funzioni armoniche, che afferma che una soluzione non costante non può raggiungere il suo valore massimo o minimo all'interno del suo dominio; questi estremi devono trovarsi sul bordo. Ciò impedisce, ad esempio, l'esistenza di un punto caldo in una regione di flusso di calore stazionario a meno che non vi sia una sorgente in quel punto (il che violerebbe [latex]nabla^2 u = 0[/latex]).

Le soluzioni dell'equazione di Laplace sono infinitamente differenziabili (analitiche) anche se le condizioni al contorno non lo sono. Questa è una notevole proprietà di regolarizzazione, ancora più forte di quella dell'equazione di Laplace. equazione del caloreIl problema di trovare una soluzione all'equazione di Laplace in un dominio dati i valori della soluzione sul contorno è noto come Dirichlet problema. Il problema di Neumann correlato specifica la derivata normale sul contorno.

A differenza delle equazioni del calore e delle onde, che dipendono dal tempo, l'equazione di Laplace viene tipicamente risolta per problemi ai valori al contorno, dove l'intero contorno di un dominio spaziale influenza simultaneamente la soluzione in ogni punto interno. Questa dipendenza "globale" contrasta con la natura causale e temporale delle equazioni paraboliche e iperboliche.

UNESCO Nomenclature: 1208
- Fisica matematica

Tipo

Sistema astratto

Interruzione

Fondamento

Utilizzo

Uso diffuso

Precursori

  • legge di Newton gravitazione universale
  • legge di Coulomb dell'elettrostatica
  • concetto di campo potenziale di Lagrange
  • sviluppo del calcolo multivariabile e dell'operatore di Laplace

Applicazioni

  • elettrostatica per il calcolo del potenziale elettrico in regioni prive di carica
  • gravitazione per determinare il potenziale gravitazionale
  • conduzione del calore in stato stazionario
  • flusso di fluido incomprimibile e irrotazionale
  • descrivere la forma di un sapone film teso su una struttura metallica

Brevetti:

NA

Idee e potenziali innovazioni

  • algoritmi per generare percorsi fluidi per robot autonomi che navigano in ambienti complessi
  • tecniche di computer grafica per la creazione di mappe di luci e ombre realistiche
  • progettazione di lenti elettrostatiche per microscopi elettronici
  • modellazione del flusso delle acque sotterranee per gestire le falde acquifere e prevedere la diffusione dei contaminanti
  • interfacce cervello-computer that interpret eeg data by solving laplace’s equation on the scalp
  • ottimizzazione del posizionamento degli elettrodi nei dispositivi medici come i pacemaker
  • generazione automatizzata di superfici 3D lisce nel software CAD
  • modelli finanziari per la determinazione del prezzo di opzioni esotiche in cui le condizioni di non arbitraggio portano a equazioni di stato stazionario
Argomenti correlati: equazione di Laplace, equazione differenziale parziale ellittica, funzione armonica, teoria del potenziale, stato stazionario, elettrostatica, problema ai valori al contorno, problema di Dirichlet.

Contesto storico

Equazione di Laplace

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

(se la data è sconosciuta o non rilevante, ad esempio "meccanica dei fluidi", viene fornita una stima approssimativa della sua notevole comparsa)

decimo anno anniversario

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