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Laplace’s Equation

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

(图片仅供参考)

二阶线性椭圆 partial differential 描述系统处于稳态或平衡状态的方程。它可以写成 [latex]nabla^2 u = 0[/latex] 或 [latex]Delta u = 0[/latex],其中 [latex]nabla^2[/latex](或 [latex]Delta[/latex])是拉普拉斯算子。方程的解称为调和函数,是最光滑的函数,用于表示静电学、引力和流体流动等领域中的势能。

拉普拉斯方程是典型的椭圆型偏微分方程。它出现在许多物理情境中,在这些情境中,某个量处于平衡状态,其在某一点的值是周围邻域内各点值的平均值。这种平均性质是其解(称为调和函数)的一个决定性特征。一个直接的推论是调和函数的“最大值原理”,该原理指出,非恒定解在其定义域内部不可能达到其最大值或最小值;这些极值必须位于边界上。例如,这可以防止在稳态热流区域中出现热点,除非该区域存在热源(这将违反∇²u = 0)。

即使边界条件不可微(解析),拉普拉斯方程的解也是无限可微的(解析的)。这是一个非凡的平滑性质,甚至比……更强。 heat equation在已知边界解的值的情况下,求区域内拉普拉斯方程的解的问题被称为…… 狄利克雷 问题。相关的诺伊曼问题描述了边界上的法向导数。

与时变热方程和波动方程不同,拉普拉斯方程通常用于求解边值问题,其中空间域的整个边界同时影响每个内部点的解。这种“全局”依赖性与抛物型方程和双曲型方程的因果性、时间推进性形成对比。

UNESCO Nomenclature: 1208
– Mathematical physics

类型

抽象系统

中断

Foundational

用法

广泛使用

前体

  • 牛顿定律 universal gravitation
  • 库仑静电定律
  • 拉格朗日的势场概念
  • 多元微积分和拉普拉斯算子的发展

应用程序

  • 静电学用于计算无电荷区域的电势
  • 引力用于确定重力势能
  • 稳态热传导
  • 不可压缩、无旋流体流动
  • 描述肥皂的形状 电影 拉伸在金属框架上

专利:

NA

潜在创新理念

  • 为自主机器人在复杂环境中导航生成平滑路径的算法
  • 用于创建逼真的光照和阴影图的计算机图形技术
  • 电子显微镜静电透镜的设计
  • 地下水流模型用于管理含水层和预测污染物扩散
  • brain-computer interfaces that interpret eeg data by solving laplace’s equation on the scalp
  • 优化起搏器等医疗设备中的电极放置
  • 在 CAD 软件中自动生成光滑的 3D 曲面
  • 用于定价奇异期权的金融模型,其中无套利条件导致稳态方程
相关内容:拉普拉斯方程、椭圆型偏微分方程、调和函数、势理论、稳态、静电学、边值问题、狄利克雷问题。

历史背景

Laplace’s Equation

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

(如果日期未知或不相关,例如“流体力学”,则提供其显著出现的近似估计)

第十年 周年纪念日

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