Как объяснить ребёнку дроби с помощью "Лего"
Оператор Лапласа является естественным обобщением на функции нескольких переменных обычной второй
производной функции одной переменной. В самом деле, если функция {\displaystyle \ f(x)}
имеет в окрестности точки {\displaystyle \ x_{0}}
непрерывную вторую производную {\displaystyle \ f''(x)}
, то, как это следует из
формулы Тейлора
{\displaystyle \ f(x_{0}+r)=f(x_{0})+rf'(x_{0})+{\frac {r^{2}}{2}}f''(x_{0})+o(r^{2}),}
при {\displaystyle r\to 0,}
,
{\displaystyle \ f(x_{0}-r)=f(x_{0})-rf'(x_{0})+{\frac {r^{2}}{2}}f''(x_{0})+o(r^{2}),}
при {\displaystyle r\to 0,}
вторая производная есть предел
{\displaystyle \ f''(x_{0})=\lim \limits _{r\to 0}{\frac {2}{r^{2}}}\left\{{\frac {f(x_{0}+r)+f(x_{0}-r)}{2}}-f(x_{0})\right\}.}
Если, переходя к функции {\displaystyle \ F}
от {\displaystyle \ k}
переменных, поступить таким же образом, то есть для заданной точки {\displaystyle M_{0}(x_{1}^{0},x_{2}^{0},...,x_{k}^{0})}
рассматривать её {\displaystyle \ k}
-мерную шаровую окрестность {\displaystyle \ Q_{r}}
радиуса {\displaystyle \ r}
и разность между средним арифметическим
{\displaystyle \ {\frac {1}{\sigma (S_{r})}}\int \limits _{S_{r}}Fd\sigma }
функции {\displaystyle \ F}
на границе {\displaystyle \ S_{r}}
такой окрестности с площадью границы {\displaystyle \ \sigma (S_{r})}
и значением {\displaystyle \ F(M_{0})}
в центре этой окрестности {\displaystyle \ M_{0}}
, то в случае непрерывности вторых частных производных функции {\displaystyle \ F}
в окрестности точки {\displaystyle \ M_{0}}
значение лапласиана {\displaystyle \ \Delta F}
в этой точке есть предел
{\displaystyle \ \Delta F(M_{0})=\lim \limits _{r\to 0}{\frac {2k}{r^{2}}}\left\{{\frac {1}{\sigma (S_{r})}}\int \limits _{S_{r}}F(M)d\sigma -F(M_{0})\right\}.}
Одновременно с предыдущим представлением для оператора Лапласа функции {\displaystyle \ F}
, имеющей непрерывные вторые производные, справедлива формула
{\displaystyle \ \Delta F(M_{0})=\lim \limits _{r\to 0}{\frac {2(k+2)}{r^{2}}}\left\{{\frac {1}{\omega (Q_{r})}}\int \limits _{Q_{r}}F(M)d\omega -F(M_{0})\right\},}
где {\displaystyle \ \omega (Q_{r})}
— объём окрестности {\displaystyle \ Q_{r}.}
Эта формула выражает непосредственную связь лапласиана функции с её объёмным средним в окрестности данной точки.
Доказательство этих формул можно найти, например, в
[2].
Вышеизложенные пределы, во всех случаях, когда они существуют, могут служить определением оператора Лапласа функции {\displaystyle \ F.}
Такое определение предпочтительнее обычного определения лапласиана, предполагающего существование вторых производных рассматриваемых функций, и совпадает с обычным определением в случае непрерывности этих производных.
Выражения для оператора Лапласа в различных криволинейных системах координат[править | править вики-текст]
В произвольных ортогональных
криволинейных координатах в трёхмерном пространстве {\displaystyle q_{1},\ q_{2},\ q_{3}}
:
{\displaystyle \Delta f(q_{1},\ q_{2},\ q_{3})=\operatorname {div} \,\operatorname {grad} \,f(q_{1},\ q_{2},\ q_{3})=}
{\displaystyle ={\frac {1}{H_{1}H_{2}H_{3}}}\left[{\frac {\partial }{\partial q_{1}}}\left({\frac {H_{2}H_{3}}{H_{1}}}{\frac {\partial f}{\partial q_{1}}}\right)+{\frac {\partial }{\partial q_{2}}}\left({\frac {H_{1}H_{3}}{H_{2}}}{\frac {\partial f}{\partial q_{2}}}\right)+{\frac {\partial }{\partial q_{3}}}\left({\frac {H_{1}H_{2}}{H_{3}}}{\frac {\partial f}{\partial q_{3}}}\right)\right],}
где {\displaystyle H_{i}\ }
—
коэффициенты Ламе.
Цилиндрические координаты[править | править вики-текст]
В цилиндрических координатах вне прямой {\displaystyle \ r=0}
:
{\displaystyle \Delta f={1 \over r}{\partial \over \partial r}\left(r{\partial f \over \partial r}\right)+{\partial ^{2}f \over \partial z^{2}}+{1 \over r^{2}}{\partial ^{2}f \over \partial \varphi ^{2}}}
Сферические координаты[править | править вики-текст]
В сферических координатах вне начала отсчёта (в трёхмерном пространстве):
{\displaystyle \Delta f={1 \over r^{2}}{\partial \over \partial r}\left(r^{2}{\partial f \over \partial r}\right)+{1 \over r^{2}\sin \theta }{\partial \over \partial \theta }\left(\sin \theta {\partial f \over \partial \theta }\right)+{1 \over r^{2}\sin ^{2}\theta }{\partial ^{2}f \over \partial \varphi ^{2}}}
или
{\displaystyle \Delta f={1 \over r}{\partial ^{2} \over \partial r^{2}}\left(rf\right)+{1 \over r^{2}\sin \theta }{\partial \over \partial \theta }\left(\sin \theta {\partial f \over \partial \theta }\right)+{1 \over r^{2}\sin ^{2}\theta }{\partial ^{2}f \over \partial \varphi ^{2}}.}
В случае если {\displaystyle \ f=f(r)}
в
n-мерном пространстве:
{\displaystyle \Delta f={d^{2}f \over dr^{2}}+{n-1 \over r}{df \over dr}.}
Параболические координаты[править | править вики-текст]
В параболических координатах (в трёхмерном пространстве) вне начала отсчёта:
{\displaystyle \Delta f={\frac {1}{\sigma ^{2}+\tau ^{2}}}\left[{\frac {1}{\sigma }}{\frac {\partial }{\partial \sigma }}\left(\sigma {\frac {\partial f}{\partial \sigma }}\right)+{\frac {1}{\tau }}{\frac {\partial }{\partial \tau }}\left(\tau {\frac {\partial f}{\partial \tau }}\right)\right]+{\frac {1}{\sigma ^{2}\tau ^{2}}}{\frac {\partial ^{2}f}{\partial \varphi ^{2}}}}
Цилиндрические параболические координаты[править | править вики-текст]
В координатах параболического цилиндра вне начала отсчёта:
{\displaystyle \Delta F(u,v,z)={\frac {1}{c^{2}(u^{2}+v^{2})}}\left[{\frac {\partial ^{2}F}{\partial u^{2}}}+{\frac {\partial ^{2}F}{\partial v^{2}}}\right]+{\frac {\partial ^{2}F}{\partial z^{2}}}.}
Общие криволинейные координаты и римановы пространства[править | править вики-текст]
Пусть на гладком
многообразии {\displaystyle X}
задана локальная система координат и {\displaystyle g_{ij}}
— риманов
метрический тензор на {\displaystyle X}
, то есть метрика имеет вид
{\displaystyle ds^{2}=\sum _{i,j=1}^{n}g_{ij}dx^{i}dx^{j}}
.
Обозначим через {\displaystyle g^{ij}}
элементы матрицы {\displaystyle (g_{ij})^{-1}}
и
{\displaystyle g=\operatorname {det} g_{ij}=(\operatorname {det} g^{ij})^{-1}}
.
Дивергенция векторного поля {\displaystyle F}
, заданного координатами {\displaystyle F^{i}}
(и представляющего
дифференциальный оператор первого порядка {\displaystyle \sum _{i}F^{i}{\frac {\partial }{\partial x^{i}}}}
) на многообразии
Xвычисляется по формуле
{\displaystyle \operatorname {div} F={\frac {1}{\sqrt {g}}}\sum _{i=1}^{n}{\frac {\partial }{\partial x^{i}}}({\sqrt {g}}F^{i})}
,
а компоненты
градиента функции
f — по формуле
{\displaystyle (\nabla f)^{j}=\sum _{i=1}^{n}g^{ij}{\frac {\partial f}{\partial x^{i}}}.}
Оператор Лапласа —
Бельтрами на {\displaystyle X}
:
{\displaystyle \Delta f=\operatorname {div} (\nabla f)={\frac {1}{\sqrt {g}}}\sum _{i=1}^{n}{\frac {\partial }{\partial x^{i}}}{\Big (}{\sqrt {g}}\sum _{k=1}^{n}g^{ik}{\frac {\partial f}{\partial x^{k}}}{\Big )}.}
Значение {\displaystyle \Delta f}
является скаляром, то есть не изменяется при преобразовании координат.