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:
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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。
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函式的拉普拉斯運算元也是該函式的黑塞矩陣的跡 :
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另外,滿足▽·▽f=0 的函式f, 稱為調和函式。
表示式
二維空間
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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:
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三維空間
笛卡爾坐標系下的表示法
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圓柱坐標系下的表示法
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球坐標系下的表示法
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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:
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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
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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
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。
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對於高階線性方程,設 階線性偏微分運算元為
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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)
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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
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其中, 。如果對任意非零向量 , 及 ,有
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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。