1

المرجع الالكتروني للمعلوماتية

تاريخ الرياضيات

الاعداد و نظريتها

تاريخ التحليل

تار يخ الجبر

الهندسة و التبلوجي

الرياضيات في الحضارات المختلفة

العربية

اليونانية

البابلية

الصينية

المايا

المصرية

الهندية

الرياضيات المتقطعة

المنطق

اسس الرياضيات

فلسفة الرياضيات

مواضيع عامة في المنطق

الجبر

الجبر الخطي

الجبر المجرد

الجبر البولياني

مواضيع عامة في الجبر

الضبابية

نظرية المجموعات

نظرية الزمر

نظرية الحلقات والحقول

نظرية الاعداد

نظرية الفئات

حساب المتجهات

المتتاليات-المتسلسلات

المصفوفات و نظريتها

المثلثات

الهندسة

الهندسة المستوية

الهندسة غير المستوية

مواضيع عامة في الهندسة

التفاضل و التكامل

المعادلات التفاضلية و التكاملية

معادلات تفاضلية

معادلات تكاملية

مواضيع عامة في المعادلات

التحليل

التحليل العددي

التحليل العقدي

التحليل الدالي

مواضيع عامة في التحليل

التحليل الحقيقي

التبلوجيا

نظرية الالعاب

الاحتمالات و الاحصاء

نظرية التحكم

بحوث العمليات

نظرية الكم

الشفرات

الرياضيات التطبيقية

نظريات ومبرهنات

علماء الرياضيات

500AD

500-1499

1000to1499

1500to1599

1600to1649

1650to1699

1700to1749

1750to1779

1780to1799

1800to1819

1820to1829

1830to1839

1840to1849

1850to1859

1860to1864

1865to1869

1870to1874

1875to1879

1880to1884

1885to1889

1890to1894

1895to1899

1900to1904

1905to1909

1910to1914

1915to1919

1920to1924

1925to1929

1930to1939

1940to the present

علماء الرياضيات

الرياضيات في العلوم الاخرى

بحوث و اطاريح جامعية

هل تعلم

طرائق التدريس

الرياضيات العامة

نظرية البيان

الرياضيات : المعادلات التفاضلية و التكاملية : معادلات تفاضلية : المعادلات التفاضلية الجزئية :

Laplace,s Equation

المؤلف:  Abramowitz, M. and Stegun, I. A

المصدر:  Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs, and Mathematical Tables, 9th printing. New York: Dover

الجزء والصفحة:  ...

21-7-2018

2544

Laplace's Equation

 

 

The scalar form of Laplace's equation is the partial differential equation

 del ^2psi=0,

(1)

where del ^2 is the Laplacian.

Note that the operator del ^2 is commonly written as Delta by mathematicians (Krantz 1999, p. 16). Laplace's equation is a special case of the Helmholtz differential equation

 del ^2psi+k^2psi=0

(2)

with k=0, or Poisson's equation

 del ^2psi=-4pirho

(3)

with rho=0.

The vector Laplace's equation is given by

 del ^2F=0.

(4)

A function psi which satisfies Laplace's equation is said to be harmonic. A solution to Laplace's equation has the property that the average value over a spherical surface is equal to the value at the center of the sphere (Gauss's harmonic function theorem). Solutions have no local maxima or minima. Because Laplace's equation is linear, the superposition of any two solutions is also a solution.

A solution to Laplace's equation is uniquely determined if (1) the value of the function is specified on all boundaries (Dirichlet boundary conditions) or (2) the normal derivative of the function is specified on all boundaries (Neumann boundary conditions).

Coordinate System Variables Solution Functions
Cartesian X(x)Y(y)Z(z) exponential functions, circular functions, hyperbolic functions
circular cylindrical R(r)Theta(theta)Z(z) Bessel functions, exponential functions, circular functions
conical   ellipsoidal harmonics, power
confocal ellipsoidal Lambda(lambda)M(mu)N(nu) ellipsoidal harmonics of the first kind
elliptic cylindrical U(u)V(v)Z(z) Mathieu function, circular functions
oblate spheroidal Lambda(lambda)M(mu)N(nu) Legendre polynomial, circular functions
parabolic   Bessel functions, circular functions
parabolic cylindrical   parabolic cylinder functions, Bessel functions, circular functions
paraboloidal U(u)V(v)Theta(theta) circular functions
prolate spheroidal Lambda(lambda)M(mu)N(nu) Legendre polynomial, circular functions
spherical R(r)Theta(theta)Phi(phi) Legendre polynomial, power, circular functions

Laplace's equation can be solved by separation of variables in all 11 coordinate systems that the Helmholtz differential equation can. The form these solutions take is summarized in the table above. In addition to these 11 coordinate systems, separation can be achieved in two additional coordinate systems by introducing a multiplicative factor. In these coordinate systems, the separated form is

 psi=(X_1(u_1)X_2(u_2)X_3(u_3))/(R(u_1,u_2,u_3)),

(5)

and setting

 (h_1h_2h_3)/(h_i^2)=g_i(u_(i+1),u_(i+2))f_i(u_i)R^2,

(6)

where h_i are scale factors, gives the Laplace's equation

 sum_(i=1)^31/(h_i^2X_i)[1/(f_i)d/(du_i)(f_i(dX_i)/(du_i))]=sum_(i=1)^31/(h_i^2R)[1/(f_i)partial/(partialu_i)(f_i(partialR)/(partialu_i))].

(7)

If the right side is equal to -k_1^2/F(u_1,u_2,u_3), where k_1 is a constant and F is any function, and if

 h_1h_2h_3=Sf_1f_2f_3R^2F,

(8)

where S is the Stäckel determinant, then the equation can be solved using the methods of the Helmholtz differential equation. The two systems where this is the case are bispherical and toroidal, bringing the total number of separable systems for Laplace's equation to 13 (Morse and Feshbach 1953, pp. 665-666).

In two-dimensional bipolar coordinates, Laplace's equation is separable, although the Helmholtz differential equation is not.

Zwillinger (1997, p. 128) calls

 (a_0x+b_0)y^((n))+(a_1x+b_1)y^((n-1))+...+(a_nx+b_n)y=0

(9)

the Laplace equations.


REFERENCES:

Abramowitz, M. and Stegun, I. A. (Eds.). Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs, and Mathematical Tables, 9th printing. New York: Dover, p. 17, 1972.

Byerly, W. E. An Elementary Treatise on Fourier's Series, and Spherical, Cylindrical, and Ellipsoidal Harmonics, with Applications to Problems in Mathematical Physics. New York: Dover, 1959.

Eisenhart, L. P. "Separable Systems in Euclidean 3-Space." Physical Review 45, 427-428, 1934.

Eisenhart, L. P. "Separable Systems of Stäckel." Ann. Math. 35, 284-305, 1934.

Eisenhart, L. P. "Potentials for Which Schroedinger Equations Are Separable." Phys. Rev. 74, 87-89, 1948.

Krantz, S. G. "The Laplace Equation." §7.1.1 in Handbook of Complex Variables. Boston, MA: Birkhäuser, pp. 16 and 89, 1999.

Moon, P. and Spencer, D. E. "Recent Investigations of the Separation of Laplace's Equation." Proc. Amer. Math. Soc. 4, 302, 1953.

Moon, P. and Spencer, D. E. "Eleven Coordinate Systems." §1 in Field Theory Handbook, Including Coordinate Systems, Differential Equations, and Their Solutions, 2nd ed. New York: Springer-Verlag, pp. 1-48, 1988.

Morse, P. M. and Feshbach, H. Methods of Theoretical Physics, Part I. New York: McGraw-Hill, pp. 125-126 and 271, 1953.

Valiron, G. The Geometric Theory of Ordinary Differential Equations and Algebraic Functions. Brookline, MA: Math. Sci. Press, pp. 306-315, 1950.

Zwillinger, D. (Ed.). CRC Standard Mathematical Tables and Formulae. Boca Raton, FL: CRC Press, p. 417, 1995.

Zwillinger, D. Handbook of Differential Equations, 3rd ed. Boston, MA: Academic Press, p. 128, 1997.

EN

تصفح الموقع بالشكل العمودي