В математике оператор Лапласа или лапласиан — это дифференциальный оператор , заданный дивергенцией градиента скалярной функции на евклидовом пространстве . Обычно он обозначается символами , (где — оператор набла ), или . В декартовой системе координат лапласиан задается суммой вторых частных производных функции по каждой независимой переменной . В других системах координат , таких как цилиндрические и сферические координаты , лапласиан также имеет полезную форму. Неформально, лапласиан Δ f ( p ) функции f в точке p измеряет, насколько среднее значение f по малым сферам или шарам с центром в точке p отклоняется от f ( p ) .
Оператор Лапласа назван в честь французского математика Пьера-Симона де Лапласа (1749–1827), который впервые применил оператор к изучению небесной механики : лапласиан гравитационного потенциала , обусловленного заданным распределением плотности массы, является постоянным кратным этого распределения плотности. Решения уравнения Лапласа Δ f = 0 называются гармоническими функциями и представляют возможные гравитационные потенциалы в областях вакуума .
Лапласиан встречается во многих дифференциальных уравнениях, описывающих физические явления. Уравнение Пуассона описывает электрический и гравитационный потенциалы ; уравнение диффузии описывает поток тепла и жидкости ; волновое уравнение описывает распространение волн ; а уравнение Шредингера описывает волновую функцию в квантовой механике . В обработке изображений и компьютерном зрении оператор Лапласа использовался для различных задач, таких как обнаружение пятен и краев . Лапласиан является простейшим эллиптическим оператором и лежит в основе теории Ходжа , а также результатов когомологий де Рама .
Оператор Лапласа — это дифференциальный оператор второго порядка в n -мерном евклидовом пространстве , определяемый как дивергенция ( ) градиента ( ). Таким образом, если — дважды дифференцируемая действительная функция , то лапласиан — это действительная функция, определяемая как:
где последние обозначения вытекают из формальной записи: Таким образом, лапласиан функции f представляет собой сумму всех несмешанных вторых частных производных в декартовых координатах x i :
Как дифференциальный оператор второго порядка, оператор Лапласа отображает функции C k в функции C k −2 для k ≥ 2. Это линейный оператор Δ : C k ( R n ) → C k −2 ( R n ) или, в более общем смысле, оператор Δ : C k (Ω) → C k −2 (Ω) для любого открытого множества Ω ⊆ R n .
В физической теории диффузии оператор Лапласа естественным образом возникает при математическом описании равновесия . [1] В частности, если u — плотность в равновесии некоторой величины, такой как химическая концентрация, то чистый поток u через границу ∂ V (также называемую S ) любой гладкой области V равен нулю, при условии, что внутри V нет источника или стока : где n — внешняя единица, нормальная к границе V . По теореме о расходимости ,
Поскольку это справедливо для всех гладких областей V , можно показать, что это подразумевает: Левая часть этого уравнения — оператор Лапласа, а все уравнение Δ u = 0 известно как уравнение Лапласа . Решения уравнения Лапласа, т. е. функции, лапласиан которых тождественно равен нулю, таким образом, представляют возможные равновесные плотности при диффузии.
Сам оператор Лапласа имеет физическую интерпретацию для неравновесной диффузии как степени, в которой точка представляет собой источник или сток химической концентрации, в смысле, уточненном уравнением диффузии . Эта интерпретация Лапласа также объясняется следующим фактом о средних значениях.
Если задана дважды непрерывно дифференцируемая функция и точка , то среднее значение по шару с радиусом в центре равно: [2]
Аналогично, среднее значение по сфере (границе шара) с радиусом в центре равно:
Если φ обозначает электростатический потенциал, связанный с распределением заряда q , то само распределение заряда задается отрицательным значением лапласиана φ : где ε 0 — электрическая постоянная .
Это следствие закона Гаусса . Действительно, если V — любая гладкая область с границей ∂ V , то по закону Гаусса поток электростатического поля E через границу пропорционален заключенному в ней заряду: где первое равенство обусловлено теоремой о расходимости . Поскольку электростатическое поле — это (отрицательный) градиент потенциала, это дает:
Поскольку это справедливо для всех регионов V , мы должны иметь
Тот же подход подразумевает, что отрицание Лапласа гравитационного потенциала является распределением массы . Часто распределение заряда (или массы) задано, а связанный с ним потенциал неизвестен. Нахождение потенциальной функции при соответствующих граничных условиях эквивалентно решению уравнения Пуассона .
Другой мотивацией появления Лапласа в физике является то, что решения Δ f = 0 в области U являются функциями, которые делают функционал энергии Дирихле стационарным :
Чтобы увидеть это, предположим, что f : U → R — функция, а u : U → R — функция, которая обращается в нуль на границе U. Тогда:
где последнее равенство следует из первого тождества Грина . Это вычисление показывает, что если Δ f = 0 , то E стационарно вокруг f . Наоборот, если E стационарно вокруг f , то Δ f = 0 по фундаментальной лемме вариационного исчисления .
Оператор Лапласа в двух измерениях задается выражением:
В декартовых координатах , где x и y — стандартные декартовы координаты плоскости xy .
В полярных координатах , где r представляет собой радиальное расстояние, а θ — угол.
В трехмерном пространстве принято работать с лапласианом в различных системах координат.
В цилиндрических координатах , где представляет собой радиальное расстояние, φ — азимутальный угол, а z — высоту.
В сферических координатах : или путем раскрытия первого и второго члена эти выражения записываются так, где φ представляет азимутальный угол , а θ — зенитный угол или кошироту .
В общих криволинейных координатах ( ξ 1 , ξ 2 , ξ 3 ):
где подразумевается суммирование по повторяющимся индексам , g mn — обратный метрический тензор , а Γ l mn — символы Кристоффеля для выбранных координат.
В произвольных криволинейных координатах в N измерениях ( ξ 1 , ..., ξ N ) мы можем записать лапласиан через обратный метрический тензор , : из формулы Фосса- Вейля [3] для дивергенции .
В сферических координатах в N измерениях с параметризацией x = rθ ∈ RN , где r представляет собой положительный действительный радиус, а θ — элемент единичной сферы S N −1 , где Δ S N −1 — оператор Лапласа–Бельтрами на ( N − 1) -сфере, известный как сферический лапласиан. Два радиальных производных члена можно эквивалентно переписать как:
Как следствие, сферический лапласиан функции, определенной на S N −1 ⊂ RN , можно вычислить как обычный лапласиан функции, расширенной на RN ∖ {0} так, чтобы он был постоянным вдоль лучей, т.е. однородным степени нуль.
Лапласиан инвариантен относительно всех евклидовых преобразований : вращений и переносов . Например, в двух измерениях это означает, что: для всех θ , a и b . В произвольных измерениях, когда ρ является вращением, и аналогично: когда τ является переносом. (В более общем смысле, это остается верным, когда ρ является ортогональным преобразованием, таким как отражение .)
Фактически, алгебра всех скалярных линейных дифференциальных операторов с постоянными коэффициентами, коммутирующих со всеми евклидовыми преобразованиями, представляет собой алгебру полиномов, порожденную оператором Лапласа.
Спектр оператора Лапласа состоит из всех собственных значений λ , для которых существует соответствующая собственная функция f с:
Это известно как уравнение Гельмгольца .
Если Ω — ограниченная область в R n , то собственные функции лапласиана являются ортонормированным базисом для гильбертова пространства L 2 (Ω) . Этот результат по существу следует из спектральной теоремы о компактных самосопряженных операторах , примененной к обратному оператору лапласиана (который является компактным по неравенству Пуанкаре и теореме Реллиха–Кондрахова ). [4] Можно также показать, что собственные функции являются бесконечно дифференцируемыми функциями. [5] В более общем случае эти результаты справедливы для оператора Лапласа–Бельтрами на любом компактном римановом многообразии с границей или, в действительности, для задачи Дирихле на собственные значения любого эллиптического оператора с гладкими коэффициентами на ограниченной области. Когда Ω — n -сфера , собственными функциями лапласиана являются сферические гармоники .
Векторный оператор Лапласа , также обозначаемый как , является дифференциальным оператором, определенным над векторным полем . [6] Векторный лапласиан похож на скалярный лапласиан; в то время как скалярный лапласиан применяется к скалярному полю и возвращает скалярную величину, векторный лапласиан применяется к векторному полю , возвращая векторную величину. При вычислении в ортонормальных декартовых координатах возвращаемое векторное поле равно векторному полю скалярного лапласиана, примененного к каждому компоненту вектора.
Векторный лапласиан векторного поля определяется как Это определение можно рассматривать как разложение Гельмгольца векторного лапласиана.
В декартовых координатах это сводится к гораздо более простой форме, где , , и являются компонентами векторного поля , а слева от каждой компоненты векторного поля находится (скалярный) оператор Лапласа. Можно видеть, что это частный случай формулы Лагранжа; см. Вектор тройного произведения .
Выражения векторного Лапласа в других системах координат см. в разделе Del в цилиндрических и сферических координатах .
Лапласиан любого тензорного поля (тензор включает скаляр и вектор) определяется как дивергенция градиента тензора:
Для особого случая, когда — скаляр (тензор нулевой степени), лапласиан принимает знакомую форму.
Если — вектор (тензор первой степени), градиент — ковариантная производная , которая приводит к тензору второй степени, а дивергенция этого — снова вектор. Формула для векторного лапласиана выше может быть использована, чтобы избежать тензорной математики, и может быть показано, что она эквивалентна дивергенции матрицы Якоби , показанной ниже для градиента вектора:
И, таким же образом, скалярное произведение вектора на градиент другого вектора (тензор 2-й степени), которое вычисляется как вектор, можно рассматривать как произведение матриц: это тождество является результатом, зависящим от координат, и не является общим.
Примером использования векторного лапласиана являются уравнения Навье-Стокса для ньютоновского несжимаемого потока : где член с векторным лапласианом поля скорости представляет вязкие напряжения в жидкости.
Другим примером является волновое уравнение для электрического поля, которое можно вывести из уравнений Максвелла при отсутствии зарядов и токов:
Это уравнение можно также записать как: где — даламбертиан , используемый в уравнении Клейна–Гордона .
Версия Лапласа может быть определена везде, где функционал энергии Дирихле имеет смысл, что является теорией форм Дирихле . Для пространств с дополнительной структурой можно дать более явные описания Лапласа, как показано ниже.
Лапласиан также может быть обобщен до эллиптического оператора, называемого оператором Лапласа–Бельтрами, определенного на римановом многообразии . Оператор Лапласа–Бельтрами, примененный к функции, является следом ( tr ) гессиана функции : где след берется относительно обратного метрического тензора . Оператор Лапласа–Бельтрами также может быть обобщен до оператора (также называемого оператором Лапласа–Бельтрами), который действует на тензорные поля , по аналогичной формуле.
Другое обобщение оператора Лапласа, доступное на псевдоримановых многообразиях, использует внешнюю производную , в терминах которой «лапласиан геометра» выражается как
Здесь δ — кодифференциал , который также может быть выражен через звезду Ходжа и внешнюю производную. Этот оператор отличается по знаку от «лапласиана аналитика», определенного выше. В более общем смысле, лапласиан «Ходжа» определяется на дифференциальных формах α как
Это известно как оператор Лапласа–де Рама , который связан с оператором Лапласа–Бельтрами тождеством Вайтценбека .
Лапласиан можно обобщить некоторыми способами на неевклидовы пространства, где он может быть эллиптическим , гиперболическим или ультрагиперболическим .
В пространстве Минковского оператор Лапласа –Бельтрами становится оператором Даламбера или даламбертианом:
Это обобщение оператора Лапласа в том смысле, что это дифференциальный оператор, который инвариантен относительно группы изометрий базового пространства, и он сводится к оператору Лапласа, если ограничен не зависящими от времени функциями. Общий знак метрики здесь выбран таким образом, что пространственные части оператора допускают отрицательный знак, что является обычным соглашением в физике частиц высоких энергий . Оператор Даламбера также известен как волновой оператор, поскольку он является дифференциальным оператором, появляющимся в волновых уравнениях , и он также является частью уравнения Клейна–Гордона , которое сводится к волновому уравнению в безмассовом случае.
Дополнительный фактор c в метрике необходим в физике, если пространство и время измеряются в разных единицах; аналогичный фактор потребовался бы, если бы, например, направление x измерялось в метрах, а направление y — в сантиметрах. Действительно, физики-теоретики обычно работают в таких единицах, что c = 1 , чтобы упростить уравнение.
Оператор Даламбера обобщается до гиперболического оператора на псевдоримановых многообразиях .