四维导数算子
四位空间上的拉普拉斯算子
数学以及物理中,拉普拉斯算子或是拉普拉斯算符(英语:Laplace operator, Laplacian)是由欧几里得空间中的一个函数的梯度散度给出的微分算子,这名字是为了纪念法国数学家皮埃尔-西蒙·拉普拉斯(1749–1827)而命名的。他在研究天体力学在数学中首次应用算子,当它被施加到一个给定的重力位(Gravitational potential)的时候,其中所述算子给出的质量密度的常数倍。经拉普拉斯算子运算为零∆f=0的函数称为调和函数,称为拉普拉斯方程,和代表了在自由空间中的可能的重力场。四维导数算子即在四位空间上的拉普拉斯算子。
拉普拉斯算子
数学以及物理中,拉普拉斯算子或是拉普拉斯算符(英语:Laplace operator, Laplacian)是由欧几里得空间中的一个函数的梯度散度给出的微分算子,通常写成、 或 。
这名字是为了纪念法国数学家皮埃尔-西蒙·拉普拉斯(1749–1827)而命名的。他在研究天体力学在数学中首次应用算子,当它被施加到一个给定的重力位(Gravitational potential)的时候,其中所述算子给出的质量密度的常数倍。经拉普拉斯算子运算为零∆f=0的函数称为调和函数,称为拉普拉斯方程,和代表了在自由空间中的可能的重力场。
拉普拉斯算子有许多用途,此外也是椭圆算子中的一个重要例子。
拉普拉斯算子出现描述许多物理现象的微分方程里。例如,常用于波方程的数学模型热传导方程、流体力学以及亥姆霍兹方程。在静电学中,拉普拉斯方程泊松方程的应用随处可见。在量子力学中,其代表薛定谔方程式中的动能项。
拉普拉斯算子是最简单的椭圆算子,并且拉普拉斯算子是霍奇理论的核心,并且是德拉姆上同调的结果。在图像处理和计算机视觉中,拉普拉斯算子已经被用于诸如斑点检测和边缘检测等的各种任务。
定义
拉普拉斯算子是n维欧几里得空间中的一个二阶微分算子,其定义为对函数先作梯度运算()后,再作散度运算()的结果。因此如果是二阶可微的实函数,则的拉普拉斯算子定义为:
的拉普拉斯算子也是笛卡儿坐标系中的所有非混合二阶偏导数
作为一个二阶微分算子,对于k≥ 2,拉普拉斯算子把C函数映射到C函数。表达式定义了一个算子Δ:C(R)→C(R),或更一般地,定义了一个算子Δ:C(Ω)→C(Ω),对于任何开集Ω。
函数的拉普拉斯算子也是该函数的海森矩阵的迹:
坐标表示式
二维空间
其中x与y代表x-y平面上的笛卡儿坐标
另外极坐标的表示法为:
三维空间
笛卡儿坐标系下的表示法
圆柱坐标系下的表示法
球坐标系下的表示法
N维空间
在参数方程为(其中以及)的N维球坐标系中,拉普拉斯算子为:
其中是维球面上的拉普拉斯-贝尔特拉米算子。我们也可以把的项写成。
推广
复杂空间上的实值函数
拉普拉斯算子可以用一定的方法推广到非欧几里得空间,这时它就有可能是椭圆型算子,双曲型算子,或超双曲型算子。
闵可夫斯基空间中,拉普拉斯算子变为达朗贝尔算子:
达朗贝尔算子通常用来表达克莱因-戈尔登方程以及四维波动方程。第四个项前面的符号是负号,而在欧几里德空间中则是正号。因子c是需要的,这是因为时间和空间通常用不同的单位来衡量;如果x方向用寸来衡量,y方向用厘米来衡量,也需要一个类似的因子。
值域为复杂空间
向量值函数的拉普拉斯算子
拉普拉斯算子作用在向量值函数上,其结果被定义为一个向量,这个向量的各个分量分别为向量值函数各个分量的拉普拉斯,即
更一般地,对没有坐标的向量,我们用下面的方式定义(受向量恒等式的启发):
,也可用类似于拉普拉斯-德拉姆算子的方式定义,然后证明“旋度的旋度”向量恒等式.
拉普拉斯-贝尔特拉米算子
主条目:拉普拉斯-贝尔特拉米算子和拉普拉斯-德拉姆算子
拉普拉斯算子也可以推广为定义在黎曼流形上的椭圆型算子,称为拉普拉斯-贝尔特拉米算子。达朗贝尔算子则推广为伪黎曼流形上的双曲型算子。拉普拉斯–贝尔特拉米算子还可以推广为运行于张量场上的算子(也称为拉普拉斯–贝尔特拉米算子)。
另外一种把拉普拉斯算子推广到伪黎曼流形的方法,是通过拉普拉斯–德拉姆算子,它作用在微分形式上。这便可以通过外森比克恒等式来与拉普拉斯–贝尔特拉米算子联系起来。
参考资料
最新修订时间:2022-08-25 18:32
目录
概述
拉普拉斯算子
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