泊松方程

更新时间:2024-03-08 18:52

泊松方程是数学中一个常见于静电学、机械工程和理论物理偏微分方程。是因法国数学家、几何学家及物理学家泊松而得名的。

方程的叙述

泊松方程为

在这里 代表的是拉普拉斯算子,而f和 可以是在流形上的实数或复数值的方程。当流形属于欧几里得空间,而拉普拉斯算子通常表示为 ,因此泊松方程通常写成

在三维直角坐标系,可以写成

如果有 恒等于0,这个方程就会变成一个齐次方程,这个方程称作“拉普拉斯方程”。

泊松方程可以用格林函数来求解;如何利用格林函数来解泊松方程可以参考屏蔽泊松方程。有很多种数值解。像是松弛法,不断回圈的代数法,就是一个例子。

数学表达

通常泊松方程表示为

这里代表拉普拉斯算子,f为已知函数,而为未知函数。当 f=0时,这个方程被称为拉普拉斯方程

为了解泊松方程我们需要更多的信息,比如狄利克雷边界条件:

其中 为有界开集

这种情况下利用基础函数构建泊松方程的解,拉普拉斯方程的基础函数为:

其中 为n维欧几里得空间中单位球面的体积,此时可通过卷积得到 的解。

为了使方程满足上述边界条件,我们使用格林函数

为一个校正函数,它满足

通常情况下 是依赖于 。

通过 可以给出上述边界条件的解

其中 表示 上的曲面测度。

此方程的解也可通过变分法得到。

应用

静电学很容易遇到泊松方程。对于给定的f找出φ是一个很实际的问题,因为我们经常遇到给定电荷密度然后找出电场的问题。在国际单位制(SI)中:

此 代表电势(单位为伏特), 是电荷体密度(单位为库仑/立方米),而 是真空电容率(单位为法拉/米)。

如果空间中某区域的净带电粒子为0,则

此方程就变成拉普拉斯方程

高斯电荷分布的电场

如果有一个三维球对称的高斯分布电荷密度 :

此处,Q代表总电荷

此泊松方程: 的解Φ(r)则为

erf(x)代表的是误差函数

注意:如果r远大于σ,erf(x)趋近于1,而电场Φ(r)趋近点电荷电场 ;正如我们所预期的。

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