Operátor Laplace - Laplace operator
Část série článků o | |||||
Počet | |||||
---|---|---|---|---|---|
| |||||
Specializované | |||||
v matematika, Operátor Laplace nebo Laplacian je operátor diferenciálu dané divergence z spád a funkce na Euklidovský prostor. Obvykle se označuje symboly ∇·∇, ∇2 (kde ∇ je operátor nabla ) nebo Δ. V Kartézský souřadnicový systém, Laplacian je dán součtem sekund částečné derivace funkce vzhledem ke každému nezávislé proměnné. V jiných souřadnicové systémy, jako válcovitý a sférické souřadnice, Laplacian má také užitečnou formu. Neformálně Laplacian ΔF(str) funkce F v určitém okamžiku str měří o kolik průměrná hodnota F přes malé koule nebo koule se středem na str se odchyluje od F(str).
Operátor Laplace je pojmenován po francouzském matematikovi Pierre-Simon de Laplace (1749–1827), který nejprve aplikoval operátora na studium nebeská mechanika, kde operátor udává konstantní násobek hustoty hmoty, když je aplikován na gravitační potenciál kvůli distribuci hmoty s danou hustotou. Řešení rovnice ΔF = 0, nyní volal Laplaceova rovnice, jsou tzv harmonické funkce a představují možné gravitační pole v regionech vakuum.
Laplacian se vyskytuje v diferenciální rovnice které popisují mnoho fyzikálních jevů, jako např elektrický a gravitační potenciály, difúzní rovnice pro teplo a proudění tekutin, šíření vln, a kvantová mechanika. Laplacian představuje magneticka indukce z gradientní tok funkce. Například čistá rychlost, při které se chemická látka rozpuštěná v kapalině pohybuje směrem k určitému bodu nebo od něj, je úměrná Laplaciánu chemické koncentrace v tomto bodě; vyjádřeno symbolicky, výsledná rovnice je rovnice difúze. Z těchto důvodů je ve vědách široce používán pro modelování různých fyzikálních jevů. Laplacian je nejjednodušší eliptický operátor a je jádrem Hodgeova teorie stejně jako výsledky de Rhamova kohomologie. v zpracování obrazu a počítačové vidění, Laplaciánský operátor se používá pro různé úkoly, jako např kapka a Detekce hrany.
Definice
Operátor Laplace je a operátor diferenciálu druhého řádu v n-dimenzionální Euklidovský prostor, definovaný jako divergence (∇·) z spád (∇F ). Tedy pokud F je dvakrát rozlišitelné funkce se skutečnou hodnotou, pak Laplacian z F je definováno:
(1)
kde tyto notace pocházejí z formálního psaní:
Ekvivalentně Laplacian z F je součet všech nemíchaný druhý částečné derivace v Kartézské souřadnice Xi:
(2)
Jako operátor diferenciálního řádu druhého řádu mapuje operátor Laplace Ck funkce do Ck−2 funkce pro k ≥ 2. Výraz (1) (nebo ekvivalentně (2)) definuje operátora Δ: Ck(ℝn) → Ck−2(ℝn)nebo obecněji operátor Δ: Ck(Ω) → Ck−2(Ω) pro všechny otevřená sada Ω.
Motivace
Difúze
V fyzický teorie difúze, operátor Laplace (přes Laplaceova rovnice ) vzniká přirozeně v matematickém popisu rovnováha.[1] Konkrétně pokud u je hustota v rovnováze určitého množství, jako je chemická koncentrace, pak čistý tok z u přes hranici jakékoli hladké oblasti PROTI je nula, za předpokladu, že uvnitř není žádný zdroj nebo jímka PROTI:
kde n je navenek jednotka normální na hranici PROTI. Podle věta o divergenci,
Protože to platí pro všechny hladké oblasti PROTI, lze ukázat, že to znamená:
Levá strana této rovnice je Laplaceův operátor. Samotný Laplaceův operátor má fyzickou interpretaci pro nerovnovážnou difúzi jako míru, v jaké bod představuje zdroj nebo propad chemické koncentrace, ve smyslu upřesněném difúzní rovnice.
Průměry
Vzhledem k dvakrát nepřetržitě diferencovatelné funkci , bod a skutečné číslo , nechali jsme být průměrná hodnota přes míč s poloměrem se středem na , a být průměrná hodnota přes kouli s poloměrem se středem na . Pak máme:[2]
a
Hustota spojená s potenciálem
Li φ označuje elektrostatický potenciál spojené s a distribuce poplatků q, pak je samotné rozdělení náboje dáno záporem Laplaciana z φ:
kde ε0 je elektrická konstanta.
To je důsledek Gaussův zákon. Opravdu, pokud PROTI je libovolná hladká oblast, pak podle Gaussova zákona tok elektrostatického pole E je úměrná přiloženému poplatku:
kde první rovnost je způsobena věta o divergenci. Protože elektrostatické pole je (záporný) gradient potenciálu, dává to nyní:
Protože to platí pro všechny regiony PROTI, musíme mít
Stejný přístup naznačuje, že zápor Laplacian z gravitační potenciál je distribuce hmoty. Často je uvedeno rozložení náboje (nebo hmotnosti) a související potenciál není znám. Nalezení potenciální funkce podléhající vhodným okrajovým podmínkám je ekvivalentní řešení Poissonova rovnice.
Minimalizace energie
Další motivací pro Laplaciany, kteří se objevují ve fyzice, je řešení ΔF = 0 v regionu U jsou funkce, díky nimž Dirichletova energie funkční stacionární:
Chcete-li to vidět, předpokládejme F : U → ℝ je funkce a u : U → ℝ je funkce, která mizí na hranici U. Pak:
kde poslední rovnost následuje pomocí Greenova první identita. Tento výpočet ukazuje, že pokud ΔF = 0, pak E stojí kolem F. Naopak, pokud E stojí kolem F, pak ΔF = 0 podle základní lemma variačního počtu.
Souřadnicové výrazy
Dva rozměry
Operátor Laplace ve dvou rozměrech je dán vztahem:
kde X a y jsou standardem Kartézské souřadnice z xy-letadlo.
kde r představuje radiální vzdálenost a θ úhel.
Tři rozměry
Ve třech rozměrech je běžné pracovat s Laplaciany v celé řadě různých souřadnicových systémů.
kde představuje radiální vzdálenost, φ úhel azimutu a z výška.
kde φ představuje azimutální úhel a θ the zenitový úhel nebo společná zeměpisná šířka.
Obecně křivočaré souřadnice (ξ1, ξ2, ξ3):
kde předpokládá se součet nad opakovanými indexy,Gmn je inverzní metrický tenzor a Γl mn jsou Christoffel symboly pro vybrané souřadnice.
N rozměry
Libovolně křivočaré souřadnice v N rozměry (ξ1, …, ξN), můžeme Laplacian napsat jako inverzní metrický tenzor, :
- ,
z Voss - Weyl vzorec[3] pro divergence.
v sférické souřadnice v N rozměry, s parametrizací X = rθ ∈ ℝN s r představující kladný skutečný poloměr a θ prvek jednotková koule SN−1,
kde ΔSN−1 je Operátor Laplace – Beltrami na (N − 1)- koule, známá jako sférický Laplacian. Dva radiální derivační výrazy lze ekvivalentně přepsat jako:
V důsledku toho byl sférický Laplacian funkce definované na SN−1 ⊂ ℝN lze vypočítat jako obyčejný Laplacian funkce rozšířené na ℝN∖{0} takže je konstantní podél paprsků, tj. homogenní stupně nula.
Euklidovská invariance
Laplacian je pod všemi invariantní Euklidovské transformace: rotace a překlady. Například ve dvou dimenzích to znamená, že:
pro všechny θ, A, a b. V libovolných rozměrech,
kdykoli ρ je rotace a podobně:
kdykoli τ je překlad. (Obecněji to platí, když ρ je ortogonální transformace jako a odraz.)
Ve skutečnosti je algebra všech skalárních lineárních diferenciálních operátorů s konstantními koeficienty, které dojíždějí se všemi euklidovskými transformacemi, polynomiální algebra generovaná Laplaceovým operátorem.
Spektrální teorie
The spektrum Laplaceova operátora se skládá ze všech vlastní čísla λ pro které existuje odpovídající vlastní funkce F s:
Toto je známé jako Helmholtzova rovnice.
Li Ω je ohraničená doména v ℝn, pak vlastní funkce Laplacian jsou ortonormální základ pro Hilbertův prostor L2(Ω). Tento výsledek v zásadě vyplývá z spektrální věta na kompaktní operátoři s vlastním nastavením, aplikovaný na inverzi Laplacian (který je kompaktní, podle Poincarého nerovnost a Rellich – Kondrachovova věta ).[4] Lze také ukázat, že vlastní funkce jsou nekonečně diferencovatelné funkce.[5] Obecněji platí, že tyto výsledky platí pro operátor Laplace – Beltrami na jakémkoli kompaktním Riemannově varietě s hranicí, nebo dokonce pro problém Dirichletova vlastního čísla libovolného eliptický operátor s hladkými koeficienty na ohraničené doméně. Když Ω je n-koule, vlastní funkce Laplacian jsou sférické harmonické.
Vektor Laplacian
The vektorový operátor Laplace, také označeno , je operátor diferenciálu definované nad a vektorové pole.[6] Vektor Laplacian je podobný skalární Laplacian; zatímco skalární Laplacian platí pro a skalární pole a vrátí skalární veličinu, vektor Laplacian platí pro a vektorové pole, vrací vektorové množství. Při výpočtu ortonormální Kartézské souřadnice, vrácené vektorové pole se rovná vektorovému poli skalární Laplacian aplikován na každou vektorovou složku.
The vektor Laplacian a vektorové pole je definován jako
v Kartézské souřadnice, to se redukuje na mnohem jednodušší formu:
kde , , a jsou komponenty . Toto lze považovat za zvláštní případ Lagrangeova vzorce; vidět Vektorový trojitý produkt.
Výrazy vektoru Laplacian v jiných souřadnicových systémech viz Del ve válcových a sférických souřadnicích.
Zobecnění
Laplacián každého tenzorové pole ("tensor" zahrnuje skalární a vektorový) je definován jako divergence z spád tenzoru:
Pro zvláštní případ, kdy je skalární (tenzor stupně nula), Laplacian nabývá známé formy.
Li je vektor (tenzor prvního stupně), gradient je a kovarianční derivace což má za následek tenzor druhého stupně a divergence je opět vektor. Vzorec pro vektor Laplacian výše lze použít, aby se zabránilo tenzorové matematice, a může se ukázat, že je ekvivalentní divergenci Jacobian matrix níže pro gradient vektoru:
Stejným způsobem lze na bodový součin vektoru, který se vyhodnotí jako vektor, gradientem jiného vektoru (tenzor 2. stupně), pohlížet jako na produkt matic:
Tato identita je výsledkem závislým na souřadnicích a není obecná.
Použití ve fyzice
Příkladem použití vektoru Laplacian je Navier-Stokesovy rovnice pro Newtonian nestlačitelný tok:
kde termín s vektorem Laplacian z rychlost pole představuje viskózní zdůrazňuje v tekutině.
Dalším příkladem je vlnová rovnice pro elektrické pole, ze které lze odvodit Maxwellovy rovnice při absenci poplatků a proudů:
Předchozí rovnici lze také zapsat jako:
kde
je D'Alembertian, použitý v Klein-Gordonova rovnice.
Zobecnění
Verze Laplacian může být definována kdekoli Dirichletova energie funkční dává smysl, což je teorie Dirichletské formy. U prostorů s dodatečnou strukturou lze uvést jasnější popis Laplacian, a to následovně.
Operátor Laplace – Beltrami
Laplacian lze také zobecnit na eliptický operátor zvaný Operátor Laplace – Beltrami definované na a Riemannovo potrubí. Operátor d'Alembert zobecňuje na hyperbolický operátor pseudoriemanianské rozdělovače. Operátor Laplace – Beltrami, pokud je použit na funkci, je stopa (tr) funkce Hesián:
kde je stopa vzata s ohledem na inverzní k metrický tenzor. Operátor Laplace – Beltrami lze také zobecnit na operátora (nazývaného také operátor Laplace – Beltrami), který pracuje na tenzorová pole podobným vzorcem.
Další zobecnění Laplaceova operátoru, které je k dispozici na pseudoriemanských varietách, používá vnější derivace „Termíny Laplacian“ jsou vyjádřeny jako
Tady δ je codifferential, což lze vyjádřit také pomocí Hodge hvězda a vnější derivát. Tento operátor se liší znaménkem od výše definovaného „Laplacianova analytika“. Obecněji je „Hodge“ Laplacian definován na diferenciální formy α podle
Toto je známé jako Operátor Laplace – de Rham, který je spojen s operátorem Laplace – Beltrami Weitzenböck identita.
D'Alembertian
Laplacian lze určitými způsoby zobecnit neeuklidovský prostory, kde to může být eliptický, hyperbolický nebo ultrahyperbolický.
V Minkowského prostor the Operátor Laplace – Beltrami se stává D'Alembertův operátor ⧠ nebo D'Alembertian:
Jedná se o zobecnění Laplaceova operátoru v tom smyslu, že je to diferenciální operátor, který je neměnný pod izometrická skupina podkladového prostoru a redukuje se na Laplaceův operátor, pokud je omezen na časově nezávislé funkce. Celkové znaménko metriky je zde zvoleno tak, aby prostorové části operátoru připustily záporné znaménko, což je obvyklá konvence u vysokoenergetických částicová fyzika. D'Alembertův operátor je také známý jako vlnový operátor, protože je diferenciálním operátorem, který se objevuje v vlnové rovnice, a je také součástí Klein-Gordonova rovnice, což se redukuje na vlnovou rovnici v nehmotném případě.
Další faktor C v metrice je potřeba ve fyzice, pokud se prostor a čas měří v různých jednotkách; podobný faktor by byl vyžadován, pokud by například X směr byl měřen v metrech, zatímco y směr byly měřeny v centimetrech. Ve skutečnosti teoretičtí fyzici obvykle pracují v takových jednotkách C = 1 za účelem zjednodušení rovnice.
Viz také
- Operátor Laplace – Beltrami, zobecnění na submanifolds v euklidovském prostoru a Riemannian a pseudo-Riemannian potrubí.
- The vektor Laplacian operátor, zobecnění Laplacian na vektorová pole.
- The Laplacian v diferenciální geometrii.
- The diskrétní Laplaceův operátor je konečný rozdíl analoga spojitého Laplacian, definovaný v grafech a mřížkách.
- Laplacian je běžným operátorem v zpracování obrazu a počítačové vidění (viz Laplacian z Gaussian, detektor blobů, a měřítko prostoru ).
- The seznam vzorců v Riemannově geometrii obsahuje výrazy pro Laplacian, pokud jde o symboly Christoffel.
- Weylovo lemma (Laplaceova rovnice).
- Earnshawova věta což ukazuje, že stabilní statické gravitační, elektrostatické nebo magnetické odpružení je nemožné.
- Del ve válcových a sférických souřadnicích.
- Další situace, ve kterých je definován Laplacian, jsou: analýza fraktálů, kalkul časové stupnice a diskrétní vnější počet.
Poznámky
- ^ Evans 1998, §2.2
- ^ Ovall, Jeffrey S. (01.03.2016). „Laplacián a střední a extrémní hodnoty“ (PDF). Americký matematický měsíčník. 123 (3): 287–291.
- ^ Grinfeld, Pavel. „Voss-Weylův vzorec“. Citováno 9. ledna 2018.
- ^ Gilbarg & Trudinger 2001, Věta 8.6
- ^ Gilbarg & Trudinger 2001, Dodatek 8.11
- ^ MathWorld. „Vector Laplacian“.
Reference
- Evans, L. (1998), Parciální diferenciální rovniceAmerická matematická společnost, ISBN 978-0-8218-0772-9
- Feynman, R .; Leighton, R; Sands, M. (1970), „Kapitola 12: Elektrostatické analogy“, Feynmanovy přednášky z fyziky, 2, Addison-Wesley-Longman
- Gilbarg, D .; Trudinger, N. (2001), Eliptické parciální diferenciální rovnice druhého řáduSpringer, ISBN 978-3-540-41160-4.
- Schey, H. M. (1996), Div, Grad, Curl a tak dáleW. W. Norton, ISBN 978-0-393-96997-9.