泊松方程

泊松方程

泊松方程是數學中一個常見於靜電學、機械工程和理論物理的偏微分方程。是因法國數學家、幾何學家及物理學家泊松而得名的。 泊松首先在無引力源的情況下得到泊松方程,△Φ=0(即拉普拉斯方程);當考慮引力場時,有△Φ=f(f為引力場的質量分布)。後推廣至電場磁場,以及熱場分布。該方程通常用格林函式法求解,也可以分離變數法,特徵線法求解。

基本信息

方程的敘述

泊松方程為

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在這裡 代表的是拉普拉斯運算元,而f和 可以是在流形上的實數或複數值的方程。當流形屬於歐幾里得空間,而拉普拉斯運算元通常表示為 ,因此泊松方程通常寫成

泊松方程 泊松方程

在三維直角坐標系,可以寫成

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如果有 恆等於0,這個方程就會變成一個齊次方程,這個方程稱作“拉普拉斯方程”。

泊松方程 泊松方程

泊松方程可以用格林函式來求解;如何利用格林函式來解泊松方程可以參考禁止泊松方程。現在有很多種數值解。像是鬆弛法,不斷迴圈的代數法,就是一個例子。

數學表達

通常泊松方程表示為

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這裡代表拉普拉斯運算元,f為已知函式,而為未知函式。當 f=0時,這個方程被稱為拉普拉斯方程。

為了解泊松方程我們需要更多的信息,比如狄利克雷邊界條件:

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其中 為有界開集。

這種情況下利用基礎函式構建泊松方程的解,拉普拉斯方程的基礎函式為:

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其中 為n維歐幾里得空間中單位球面的體積,此時可通過卷積得到 的解。

為了使方程滿足上述邊界條件,我們使用格林函式

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為一個校正函式,它滿足

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通常情況下 是依賴於 。

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通過 可以給出上述邊界條件的解

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其中 表示 上的曲面測度。

此方程的解也可通過變分法得到。

套用

在靜電學很容易遇到泊松方程。對於給定的 f找出φ是一個很實際的問題,因為我們經常遇到給定電荷密度然後找出電場的問題。在國際單位制(SI)中:

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此 代表電勢(單位為伏特), 是電荷體密度(單位為庫侖/立方米),而 是真空電容率(單位為法拉/米)。

如果空間中有某區域沒有帶電粒子,則

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此方程就變成拉普拉斯方程:

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高斯電荷分布的電場

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如果有一個三維球對稱的高斯分布電荷密度 :

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此處, Q代表總電荷

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此泊松方程: 的解Φ( r)則為

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erf( x)代表的是誤差函式。

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注意:如果 r遠大於σ,erf( x)趨近於1,而電場Φ( r)趨近點電荷電場 ;正如我們所預期的。

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