المرجع الالكتروني للمعلوماتية
المرجع الألكتروني للمعلوماتية

الرياضيات
عدد المواضيع في هذا القسم 9761 موضوعاً
تاريخ الرياضيات
الرياضيات المتقطعة
الجبر
الهندسة
المعادلات التفاضلية و التكاملية
التحليل
علماء الرياضيات

Untitled Document
أبحث عن شيء أخر
تعويد الأولاد على المستحبات وأثره
2024-11-06
استحباب الدعاء في طلب الولد بالمأثُورِ
2024-11-06
المباشرة
2024-11-06
استخرج أفضل ما لدى القناص
2024-11-06
الروايات الفقهيّة من كتاب علي (عليه السلام) / الطلاق.
2024-11-06
الروايات الفقهيّة من كتاب علي (عليه السلام) / النكاح.
2024-11-06


Laplace,s Equation  
  
1909   03:08 مساءً   date: 21-7-2018
Author : Abramowitz, M. and Stegun, I. A
Book or Source : Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs, and Mathematical Tables, 9th printing. New York: Dover
Page and Part : ...


Read More
Date: 21-7-2018 952
Date: 25-7-2018 1393
Date: 21-7-2018 1237

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.




الجبر أحد الفروع الرئيسية في الرياضيات، حيث إن التمكن من الرياضيات يعتمد على الفهم السليم للجبر. ويستخدم المهندسون والعلماء الجبر يومياً، وتعول المشاريع التجارية والصناعية على الجبر لحل الكثير من المعضلات التي تتعرض لها. ونظراً لأهمية الجبر في الحياة العصرية فإنه يدرّس في المدارس والجامعات في جميع أنحاء العالم. ويُعجب الكثير من الدارسين للجبر بقدرته وفائدته الكبيرتين، إذ باستخدام الجبر يمكن للمرء أن يحل كثيرًا من المسائل التي يتعذر حلها باستخدام الحساب فقط.وجاء اسمه من كتاب عالم الرياضيات والفلك والرحالة محمد بن موسى الخورازمي.


يعتبر علم المثلثات Trigonometry علماً عربياً ، فرياضيو العرب فضلوا علم المثلثات عن علم الفلك كأنهما علمين متداخلين ، ونظموه تنظيماً فيه لكثير من الدقة ، وقد كان اليونان يستعملون وتر CORDE ضعف القوسي قياس الزوايا ، فاستعاض رياضيو العرب عن الوتر بالجيب SINUS فأنت هذه الاستعاضة إلى تسهيل كثير من الاعمال الرياضية.

تعتبر المعادلات التفاضلية خير وسيلة لوصف معظم المـسائل الهندسـية والرياضـية والعلمية على حد سواء، إذ يتضح ذلك جليا في وصف عمليات انتقال الحرارة، جريان الموائـع، الحركة الموجية، الدوائر الإلكترونية فضلاً عن استخدامها في مسائل الهياكل الإنشائية والوصف الرياضي للتفاعلات الكيميائية.
ففي في الرياضيات, يطلق اسم المعادلات التفاضلية على المعادلات التي تحوي مشتقات و تفاضلات لبعض الدوال الرياضية و تظهر فيها بشكل متغيرات المعادلة . و يكون الهدف من حل هذه المعادلات هو إيجاد هذه الدوال الرياضية التي تحقق مشتقات هذه المعادلات.