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拉普拉斯算子.docx

文档介绍

文档介绍:拉普拉斯算子
在数学和物理中,拉普拉斯算子或拉普拉斯算符(Laplaceoperator,Laplacian)
个微分算子,通常写成△或▽?;拉普拉斯算子有许多用途,此外也是椭圆型算子中的一个重要例子。在物理中,常用干波方程的数学模型、拉普拉斯算子
在数学和物理中,拉普拉斯算子或拉普拉斯算符(Laplaceoperator,Laplacian)
个微分算子,通常写成△或▽?;拉普拉斯算子有许多用途,此外也是椭圆型算子中的一个重要例子。在物理中,常用干波方程的数学模型、热传导方程以及亥姆霍兹方程。在静电学中,拉普拉斯方程和泊松方程的应用随处可见。在量子力学中,其代表薛定谔方程式中的动能项。在数学中,经拉普拉斯算子运算为零的函数称为调和函数:拉普拉斯算子是霍奇理论的核心,并且是德拉姆上同调的结果。
定义
拉普拉斯算子是n维欧几里得空间中的一个二阶微分算子,定义为梯度(勺)的散度(▽・f)。因此如果f是二阶可微的实函数,则f的拉普拉斯算子定义为:
S二丁,(1)

(2)
作为一个二阶微分算子,拉普拉斯算子把0函数映射到0-2函数,对于k三2。表达式(1)(或(2))定义了一个算子A:O(Rn)-O-2(Rn),或更一般地,定义了一个算子A:O(Q)fCk-2(Q),对于任何开集Q。
函数的拉普拉斯算子也是该函数的黑塞矩阵的迹:
△f=职职小
坐标表示式
二维空间
其中x与y代表x-y平面上的笛卡儿坐标另外极坐标的表示法为:
三维空间
笛卡儿坐标系下的表示法
圆柱坐标系下的表示法
球坐标系下的表示法
N维空间
在参数方程为x=rO^Rn(其中rU[O,+w)以及B^Sn-i)的N维球坐标系中,拉普拉斯算子为:
心忤薯4
其中△SN-1是N-1维球面上的拉普拉斯-贝尔特拉米算子。我们也可以把旳1榔心财
八;'I.'.的项写成"I
恒等式
如果f和g是两个函数,则它们的乘积的拉普拉斯算子为:
A(fg)=(Af)ff+2((Vf)•(Vg))+f(Ag).
f是径向函数f(r)且g是球谐函数Y加(0),是一个特殊情况。这个情况在许多物理模型中有所出现。f(r)的梯度是一个径向矢量,而角函数的梯度与径向矢量相切,因此:2(v/w)(vyim^^))=o.
球谐函数还是球坐标系中的拉普拉斯算子的角部分的特征函数:
△爲“,血=—"牛“丫心他莎
因此
△屮讥W))=(学计-智W))瞎财
推广复杂空间上的实值函数
拉普拉斯算子可以用一定的方法推广到非欧几里得空间,这时它就有可能是椭圆型算子双曲型算子,或超双曲型算子。
在闵可夫斯基空间中,拉普拉斯算子变为达朗贝尔算子:聖兰塁丄坐
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