定義
拉普拉斯運算元是 n維歐幾里德空間中的一個二階微分運算元,定義為梯度(▽f)的散度(▽·f)。因此如果 f是二階可微的實函式,則 f的拉普拉斯運算元定義為:
![拉普拉斯運算元](/img/c/dae/wZwpmL3gzMzEjMyIDN2EzM1UTM1QDN5MjM5ADMwAjMwUzLyQzL1gzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmLyE2LvoDc0RHa.jpg)
![拉普拉斯運算元](/img/f/28e/wZwpmLwADO2gDNwUTM2EzM1UTM1QDN5MjM5ADMwAjMwUzL1EzL1QzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmLzE2LvoDc0RHa.jpg)
f的拉普拉斯運算元也是笛卡爾坐標系 x i中的所有 非混合二階偏導數:
作為一個二階微分運算元,拉普拉斯運算元把 C函式映射到 C函式,對於 k≥2時成立。運算元Δ : C( R) → C( R),或更一般地,定義了一個運算元Δ : C(Ω) → C(Ω),對於任何開集Ω時成立。
![拉普拉斯運算元](/img/f/8eb/wZwpmL2YzMyMDMxMjM4IDN0UTMyITNykTO0EDMwAjMwUzLzIzL3QzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmLyE2LvoDc0RHa.jpg)
函式的拉普拉斯運算元也是該函式的黑塞矩陣的跡 :
![拉普拉斯運算元](/img/d/1a4/wZwpmL0QDM0czMzIDN2EzM1UTM1QDN5MjM5ADMwAjMwUzLyQzLwMzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmLwE2LvoDc0RHa.jpg)
另外,滿足▽·▽f=0 的函式f, 稱為調和函式。
表示式
二維空間
![拉普拉斯運算元](/img/1/ade/wZwpmL2UDO4cTO5UjM2EzM1UTM1QDN5MjM5ADMwAjMwUzL1IzLwAzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmL0E2LvoDc0RHa.jpg)
其中 x與 y代表 x-y 平面上的笛卡爾坐標:
另外極坐標的表示法為:
![拉普拉斯運算元](/img/c/ac4/wZwpmL4cDN5ADO2EzM2EzM1UTM1QDN5MjM5ADMwAjMwUzLxMzL0EzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmLyE2LvoDc0RHa.jpg)
![拉普拉斯運算元](/img/5/b89/wZwpmL0AzM0AzN5gTM2EzM1UTM1QDN5MjM5ADMwAjMwUzL4EzLzQzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmLyE2LvoDc0RHa.jpg)
三維空間
笛卡爾坐標系下的表示法
![拉普拉斯運算元](/img/4/29b/wZwpmL1cDM3YjN0EjM2EzM1UTM1QDN5MjM5ADMwAjMwUzLxIzLzYzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmLwE2LvoDc0RHa.jpg)
圓柱坐標系下的表示法
![拉普拉斯運算元](/img/8/9df/wZwpmL0EDN1QjMwQjM2EzM1UTM1QDN5MjM5ADMwAjMwUzL0IzLygzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmL0E2LvoDc0RHa.jpg)
球坐標系下的表示法
![拉普拉斯運算元](/img/1/9ce/wZwpmL3MjNwQDO2AjM2EzM1UTM1QDN5MjM5ADMwAjMwUzLwIzLyYzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmLzE2LvoDc0RHa.jpg)
N 維空間
在參數方程為(其中以及)的 N維球坐標系中,拉普拉斯運算元為:
![拉普拉斯運算元](/img/d/881/wZwpmLxMTM1YTM3EDN2EzM1UTM1QDN5MjM5ADMwAjMwUzLxQzL0AzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmLyE2LvoDc0RHa.jpg)
其中是 N− 1維球面上的拉普拉斯-貝爾特拉米運算元。
橢圓型偏微分方程
[elliptic partial differential equation]
橢圓型偏微分方程是偏微分方程的一個類型,簡稱橢圓型方程。這類方程主要用來描述物理中的平衡穩定狀態,如定常狀態的電磁場、引力場和反應擴散現象等。
橢圓型方程是由方程中主部的係數來界定的。對兩個自變數的二階線性或半線性方程
![拉普拉斯運算元](/img/2/c3d/wZwpmL0cjM1QzM4IjM2EzM1UTM1QDN5MjM5ADMwAjMwUzLyIzL2MzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmLwE2LvoDc0RHa.jpg)
![拉普拉斯運算元](/img/4/616/wZwpmLzMzN3UjN1gTM2EzM1UTM1QDN5MjM5ADMwAjMwUzL4EzLwEzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmLzE2LvoDc0RHa.jpg)
在不等式 成立的區域內,就稱方程是橢圓型的。此時,可以通過自變數的非奇異變換將方程化為標準型
![拉普拉斯運算元](/img/8/d84/wZwpmLwQTM1gzNzMzM2EzM1UTM1QDN5MjM5ADMwAjMwUzLzMzLwMzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmLwE2LvoDc0RHa.jpg)
。
![拉普拉斯運算元](/img/0/fea/wZwpmLwUzM5UjM0YzM2EzM1UTM1QDN5MjM5ADMwAjMwUzL2MzL2QzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmLzE2LvoDc0RHa.jpg)
對於高階線性方程,設 階線性偏微分運算元為
![拉普拉斯運算元](/img/c/c30/wZwpmL4UjN5ATN4QTM2EzM1UTM1QDN5MjM5ADMwAjMwUzL0EzL2IzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmLxE2LvoDc0RHa.jpg)
![拉普拉斯運算元](/img/f/363/wZwpmL2YTMyMTNwIDN2EzM1UTM1QDN5MjM5ADMwAjMwUzLyQzL4gzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmLzE2LvoDc0RHa.jpg)
![拉普拉斯運算元](/img/0/d10/wZwpmL4UTO3kTMyMzM2EzM1UTM1QDN5MjM5ADMwAjMwUzLzMzLzIzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmLzE2LvoDc0RHa.jpg)
![拉普拉斯運算元](/img/8/b2d/wZwpmL4MzM2YTNyQTM2EzM1UTM1QDN5MjM5ADMwAjMwUzL0EzL0UzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmLxE2LvoDc0RHa.jpg)
![拉普拉斯運算元](/img/2/1a4/wZwpmL2MTMyMDM4QTM2EzM1UTM1QDN5MjM5ADMwAjMwUzL0EzL3EzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmLxE2LvoDc0RHa.jpg)
![拉普拉斯運算元](/img/a/d73/wZwpmL1ITM5EzMzQzM2EzM1UTM1QDN5MjM5ADMwAjMwUzL0MzLxMzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmL0E2LvoDc0RHa.jpg)
![拉普拉斯運算元](/img/6/691/wZwpmL1ATN4QjN3EDN2EzM1UTM1QDN5MjM5ADMwAjMwUzLxQzL0EzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmLxE2LvoDc0RHa.jpg)
![拉普拉斯運算元](/img/d/58f/wZwpmLyEjN4ITNyMTMzEDN0UTMyITNykTO0EDMwAjMwUzLzEzLxczLt92YucmbvRWdo5Cd0FmL0E2LvoDc0RHa.jpg)
![拉普拉斯運算元](/img/2/f7b/wZwpmLygTN2IDOwMzMzIDN0UTMyITNykTO0EDMwAjMwUzLzMzLxQzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmLyE2LvoDc0RHa.jpg)
![拉普拉斯運算元](/img/2/f7b/wZwpmLygTN2IDOwMzMzIDN0UTMyITNykTO0EDMwAjMwUzLzMzLxQzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmLyE2LvoDc0RHa.jpg)
其中, 。該偏微分運算元的主部是 若對 及任意非零向量 都有 ,則稱方程 在點 是橢圓型的。如果在 中每一點都是橢圓型的,就稱該方程在 中是線性橢圓型方程。
線型橢圓型方程的典型代表是拉普拉斯方程(也叫調和方程)
![拉普拉斯運算元](/img/0/c82/wZwpmLwcDOzQDOwYjM2EzM1UTM1QDN5MjM5ADMwAjMwUzL2IzL2gzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmLxE2LvoDc0RHa.jpg)
![拉普拉斯運算元](/img/c/faa/wZwpmL0UTNwMTN1AjM2EzM1UTM1QDN5MjM5ADMwAjMwUzLwIzL1AzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmLyE2LvoDc0RHa.jpg)
其中, 這個運算元叫拉普拉斯運算元(Laplace operator),也叫調和運算元。可以說,調和方程是最基本,同時也是最重要的線性橢圓型方程。
對於非線性方程,也可以定義橢圓型方程。例如,考慮二階實係數擬線性方程
![拉普拉斯運算元](/img/8/7c9/wZwpmLzYjM3QTM3MzM2EzM1UTM1QDN5MjM5ADMwAjMwUzLzMzL1gzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmLyE2LvoDc0RHa.jpg)
![拉普拉斯運算元](/img/b/631/wZwpmLwcjNykTNxEjM2EzM1UTM1QDN5MjM5ADMwAjMwUzLxIzLxIzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmL0E2LvoDc0RHa.jpg)
![拉普拉斯運算元](/img/9/cc2/wZwpmLzATN2MTMzIjM2EzM1UTM1QDN5MjM5ADMwAjMwUzLyIzL1IzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmLwE2LvoDc0RHa.jpg)
![拉普拉斯運算元](/img/5/3e3/wZwpmL4QjNxAjM2IDN2EzM1UTM1QDN5MjM5ADMwAjMwUzLyQzLyUzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmLwE2LvoDc0RHa.jpg)
![拉普拉斯運算元](/img/e/600/wZwpmL2cDMyATMwIjM2EzM1UTM1QDN5MjM5ADMwAjMwUzLyIzL3IzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmLxE2LvoDc0RHa.jpg)
其中, 。如果對任意非零向量 , 及 ,有
![拉普拉斯運算元](/img/d/6e6/wZwpmL2cTN5cDOzMzM2EzM1UTM1QDN5MjM5ADMwAjMwUzLzMzL4AzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmLwE2LvoDc0RHa.jpg)
![拉普拉斯運算元](/img/2/f7b/wZwpmLygTN2IDOwMzMzIDN0UTMyITNykTO0EDMwAjMwUzLzMzLxQzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmLyE2LvoDc0RHa.jpg)
就稱方程是 中的擬線性橢圓型方程。類似地,可以定義高階擬線性橢圓型方程。
推廣
拉普拉斯運算元可以用一定的方法推廣到非歐幾里德空間,這時它就有可能是橢圓型運算元,雙曲型運算元,或超雙曲型運算元。
在閔可夫斯基空間中,拉普拉斯運算元變為達朗貝爾運算元。
達朗貝爾運算元通常用來表達克萊因-高登方程以及四維波動方程。