Уравнение Лапласа в двумерном пространстве

Содержание

 

Ведение

1.Оператор Лапласа

2.Уравнение Лапласа в двумерном пространстве

3.Уравнение Лапласа в случае пространственных переменных

4.Решение задачи Дирихле в круге методом Фурье

Заключение

Список литературы

Лаплас уравнение трехмерный пространство

 

Введение

 

Пьер-Симо́н Лаплас ( 23 марта 1749 — 5 марта 1827) — выдающийся французский математик, физик и астроном; известен работами в области небесной механики, дифференциальных уравнений, один из создателей теории вероятностей. Заслуги Лапласа в области чистой и прикладной математики и особенно в астрономии громадны: он усовершенствовал почти все отделы этих наук. Был членом Французского Географического общества.

При решении прикладных задач Лаплас разработал методы математической физики, широко используемые и в наше время. Особенно важные результаты относятся к теории потенциала и специальным функциям. Его именем названо преобразование Лапласа и уравнение Лапласа. Он далеко продвинул линейную алгебру; в частности, Лаплас дал разложение определителя по минорам.

Лаплас расширил и систематизировал математический фундамент теории вероятностей, ввёл производящие функции. Первая книга «Аналитической теории вероятностей» посвящена математическим основам; собственно теория вероятностей начинается во второй книге, в применении к дискретным случайным величинам. Там же — доказательство предельных теорем Муавра—Лапласа и приложения к математической обработке наблюдений, статистике народонаселения и «нравственным наукам».

Лаплас развил также теорию ошибок и приближений методом наименьших квадратов.

 

 

Оператор Лапласа

 

Оператор Лапласа - дифференциальный оператор, действующий в линейном пространстве гладких функций и обозначаемый символом . Функции F он ставит в соответствие функцию

 

 

Оператор Лапласа эквивалентен последовательному взятию операций градиента и дивергенции.

Градиент— вектор, показывающий направление наискорейшего возрастания некоторой величины , значение которой меняется от одной точки пространства к другой (скалярного поля). Например, если взять в качестве высоту поверхности Земли над уровнем моря, то её градиент в каждой точке поверхности будет показывать «направление самого крутого подъёма». Величина (модуль) вектора градиента равна скорости роста в этом направлении. Для случая трёхмерного пространства, градиентом называется векторная функция с компонентами , где - некоторая скалярная функция координат x,y,z.

Если  - функция n переменных  то ее градиентом называется n-мерный вектор

 

 

Компоненты которого равны частным производным  по всем ее аргументам. Градиент обозначается grad , или с использованием оператора набла,

Из определения градиента следует, что:

 

 

Смысл градиента любой скалярной функции f в том, что его скалярное произведение с бесконечно малым вектором перемещения  дает полный дифференциал этой функции при соответствующем изменении координат в пространстве, на котором определена f, то есть линейную (в случае общего положения она же главная) часть изменения f при смещении на . Применяя одну и ту же букву для обозначения функции от вектора и соответствующей функции от его координат, можно написать:

 

 

Стоит здесь заметить, что поскольку формула полного дифференциала не зависит от вида координат x i, то есть от природы параметров x вообще, то полученный дифференциал является инвариантом, то есть скаляром, при любых преобразованиях координат, а поскольку dx — это вектор, то градиент, вычисленный обычным образом, оказывается ковариантным вектором, то есть вектором, представленным в дуальном базисе, какой только и может дать скаляр при простом суммировании произведений координат обычного (контравариантного), то есть вектором, записанным в обычном базисе.

Таким образом, выражение (вообще говоря — для произвольных криволинейных координат) может быть вполне правильно и инвариантно записано как:

 

Или опуская по правилу Эйнштейна знак суммы,

 

 

Дивергенция — дифференциальный оператор, отображающий векторное поле на скалярное (то есть операция дифференцирования, в результате применения которой к векторному полю получается скалярное поле), который определяет (для каждой точки), «насколько расходится входящее и исходящее из малой окрестности данной точки поле» (точнее — насколько расходятся входящий и исходящий поток).

Если учесть, что потоку можно приписать алгебраический знак, то нет необходимости учитывать входящий и исходящий потоки по отдельности, всё будет автоматически учтено при суммировании с учетом знака. Поэтому можно дать более короткое определение дивергенции:

дивергенция — это дифференциальный оператор на векторном поле, характеризующий поток данного поля через поверхность малой окрестности каждой внутренней точки области определения поля.

Оператор дивергенции, применённый к полю F , обозначают как

или

Определение дивергенции выглядит так:

 

 

где ФF — поток векторного поля F через сферическую поверхность площадью S, ограничивающую объём V. Ещё более общим, а потому удобным в применении, является определение, когда форма области с поверхностью S и объёмом V допускается любой. Единственным требованием является её нахождение внутри сферы радиусом, стремящимся к нулю. Это определение, в отличие от приводимого ниже, не привязано к определённым координатам, например, к декартовым, что может представлять дополнительное удобство в определённых случаях. (Например, если выбирать окрестность в форме куба или параллелепипеда, легко получаются формулы для декартовых координат, приведённые в следующем параграфе).

 

 

таким образом значение оператора Лапласа в точке может быть истолковано как плотность источников (стоков) потенциального векторного поля gradF в этой точке. В декартовой системе координат оператор Лапласа часто обозначается следующим образом  то есть в виде скалярного произведения оператора набла на себя.

 

Уравнение Лапласа в двумерном пространстве

 

При исследовании стационарных процессов различной физической природы (колебания, теплопроводность, диффузия и др.) обычно приходят к уравнениям эллиптического типа. Наиболее распространенным уравнением этого типа является Уравнение Лапласа

 

где

 

где u(х, у, z) — функция независимых переменных х, у, z. Названо по имени французского учёного П. Лапласа, применившего его в работах по тяготению (1782). К уравнению Лапласа приводят многие задачи физики и механики, в которых физическая величина является функцией только координат точки. Так, уравнение Лапласа описывает потенциал сил тяготения в области, не содержащей тяготеющих масс, потенциал электростатического поля — в области, не содержащей зарядов, температуру при стационарных процессах и т. д. Функции, являющиеся решениями уравнения Лапласа, называются гармоническими. Уравнение Лапласа— частный случай Пуассона уравнения. Оператор называется оператором Лапласа.

Функция U называется гармонической в области T, если она непрерывна в этой области вместе со своими производными до 2-го порядка и удовлетворяет уравнению Лапласа.

При изучении свойств гармонических функций были разработаны различные математические методы, оказавшиеся плодотворными и в применении к уравнениям гиперболического (например, уравнение колебаний струны) и параболического типов (например, уравнение теплопроводности). Мы будем искать решение краевых задач для простейших областей методом разделения переменных. Решение краевых задач для уравнения Лапласа может быть найдено методом разделения переменных в случае некоторых простейших областей (круг, прямоугольник, шар, цилиндр и др.). Рассмотрим некоторые из них.

Трехмерное уравнение – Лапласа

Трехмерное уравнение Лапласа часто встречается в теории тепло - и массопереноса, гидро и аэромеханике, теории упругости, электростатике и других областях механики и физики. В теории тепло - и массопереноса оно описывает стационарное распределение температуры при отсутствии источников тепла в рассматриваемой области.

Для трехмерного уравнения Лапласа существуют также координаты, допускающие 7 -разделение переменных.

Замечательно, что и для трехмерного уравнения Лапласа может быть построен интегральный оператор с аналогичным свойством.

Координаты х, у, z, допускающие решения с - разделенными переменными. Трехмерное уравнение Пуассона, как и трехмерное уравнение Лапласа, часто встречается в теории тепло - и массопереноса, гидро - и аэромеханике, теории упругости, электростатике и других областях механики и физики. Оно описывает стационарное распределение температуры при наличии источников ( или стоков) тепла в рассматриваемой области.

Компонента / ZQO должна даваться скалярным решением трехмерного уравнения Лапласа.

Компонента / IQO должна даваться скалярным решением трехмерного уравнения Лапласа.

Показать, что если ф ( г) - решение трехмерного уравнения Лапласа, то и ф ( г) Ц - 1 - также решение.

Задача в этом случае может быть решена классическим методом построения функций Грина для трехмерного уравнения Лапласа, но вследствие малости поперечных размеров капиллярной трубки по сравнению с длиной и высокой проводимости металла можно считать окружность поперечного сечения трубки эквипотенциальной с достаточной точностью в пределах разрешающей способности приборов. Поэтому целесообразно сразу принять допущение о цилиндрической симметрии объекта и решать задачу более просто с построением соответствующего интегро-дифференциального уравнения.

Задача в этом случае может быть решена классическим методом построения функций Грина для трехмерного уравнения Лапласа, но вследствие малости поперечных размеров капиллярной трубки по сравнению с длиной и высокой проводимости металла можно считать окружность поперечного сечения трубки эквипотенциальной с достаточной точностью в пределах разрешающей способности приборов. Поэтому целесообразно сразу принять допущение о цилиндрической симметрии объекта и решить задачу более просто с построением соответствующего интегро-дифференциального уравнения.

Сеточные модели используются для решения краевых задач, описываемых двух - или даже трехмерными уравнениями Лапласа, Гельмгольца или Фурье.

После растяжки вертикальной координаты в раз поставленная задача в общем случае сводится к решению трехмерного уравнения Лапласа для потенциала скорости ф и не имеет аналитического решения. Чтобы получить приближенную формулу для дебита горизонтальной скважины, в работе используется известный в подземной гидромеханике прием: трехмерная задача фильтрации заменяется двумя плоскими задачами.

Множество инженерных задач, связанных, в частности, с медленным стационарным обтеканием корпуса корабля, стационарной фильтрацией подземных вод, возникновением поля вокруг электромагнита, а также стационарного электрического поля в окрестности фарфорового изолятора или заглубленного в землю электрического кабеля переменного поперечного сечения, сводится к решению трехмерных уравнений Лапласа или Пуассона.

Такие функции называются гармоническими; из них нужно выбрать те, которые удовлетворяют граничным условиям задачи. Поэтому целесообразно создать возможно больший запас гармонических функций, различные сочетания которых, а часто и каждая в отдельности, могут соответствовать задачам, имеющим важное практическое значение. Наиболее простые частные решения уравнения Лапласа можно получить, предположив, что потенциал Ф зависит только от одной координаты. Такое предположение означает, что трехмерное уравнение Лапласа в частных производных распадается в некоторых системах координат на три одномерных дифференциальных уравнения, каждое из которых равно нулю. При этом можно руководствоваться первым следствием из теоремы единственности: электростатическое поле между двумя равнопотенциальными поверхностями и гармоническая функция, описывающая это поле, не изменяется, если эти поверхности сделать границами проводников, которым сообщены соответствующие потенциалы.

В заключение заметим, что развитая методика построения равномерно пригодного решения для задачи входа тонкого пространственного тела в жидкость ( разд. В частности, при наличии излома передней кромки методика непригодна. Так, на дозвуковом режиме входа пространственного тела в жидкость характеристики линейного ( внешнего) решения задачи имеют логарифмическую особенность в носике тела при стремлении к нему точки поля возмущенного течения по любому направлению. Поэтому внутренние переменные в этом случае необходимо вводить по всем трем декартовым координатам x y z, что приведет к внутренней задаче для трехмерного уравнения Лапласа с соответствующими краевыми условиями на поверхности пространственного тела в окрестности носика.

Однако остаются иные задачи, имеющие также весьма серьезное значение, которые отличаются вполне определенным пространственным характером. Так, если скважина, вскрывшая продуктивный песчаник, полностью не проходит сквозь него, то течение в той части песчаника, которая не вскрыта забоем скважины, будет иметь компонент скорости, направленный вверх и влекущий жидкость в скважину. По отношению к общим методам решения пространственных задач следует заметить, что все те методы, которые были рассмотрены нами в приложении к плоским системам, за исключением только одного из них, имеют свои аналоги в том случае, когда в систему включается третья координата. Только метод сопряженных функций не имеет своего аналога для случая трехмерного уравнения Лапласа. Все же для решения практических задач мы находим, что имеющиеся в нашем распоряжении методы вполне достаточны для получения искомых результатов. Численные методы решения - методы, заменяющие исходную краевую задачу дискретной задачей, содержащей конечное число N неизвестных, нахождение которых с соответствующей точностью позволяет определить решение исходной задачи с заданной точностью  ; N зависит от  и стремится к  при .