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数学物理方法
拉普拉斯算子
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2025-04-10 06:45
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拉普拉斯算子
拉普拉斯算子
## 拉普拉斯算子 函数 $u$ 的梯度为 $\nabla u$ ,如果再求 $\nabla u$ 的散度,便成为 $\nabla \cdot(\nabla u) \equiv \nabla^2 u$ ,它是拉普拉斯算子 $\nabla^2$ 对 $u$ 的运算,简称拉普拉斯(Laplacian)。在偏微分方程中,$\nabla^2 u$ 扮演着十分重要的角色,特别是,我们在数学物理方法中将要讨论如下方程 $$ \begin{gathered} \nabla^2 u=0 \quad \text { (拉普拉斯方程) } \\ \nabla^2 u+k^2 u=0 \quad \text { (亥姆霍兹方程) } \\ \frac{\partial^2 u}{\partial t^2}=a^2 \nabla^2 u \quad \text { (波动方程) } \\ \frac{\partial u}{\partial t}=a^2 \nabla^2 u \quad \text { (热传导方程) } \\ i \hbar \frac{\partial \psi}{\partial t}=-\frac{\hbar^2}{2 m} \nabla^2 \psi+V(r) \psi \quad \text { (薛定谔方程) } \end{gathered} $$ 在这些方程中,$\nabla^2$ 可以是三维形式,也可以是二维形式 $$ \nabla^2=\frac{\partial^2}{\partial x^2}+\frac{\partial^2}{\partial y^2} $$ ## 极坐标系下的拉普拉斯算子 极坐标系如图所示,它与直角坐标系的关系为 {width=300px} $$ x=r \cos \theta, \quad y=r \sin \theta $$ 而 $$ r^2=x^2+y^2, \quad \tan \theta=\frac{y}{x} $$ 利用 $r^2=x^2+y^2$ 计算 $r$ 对 $x$ 的微商,得到 $$ 2 r \frac{\partial r}{\partial x}=2 x \Rightarrow \frac{\partial r}{\partial x}=\frac{x}{r} $$ 再次对 $x$ 微商,得到 $$ \frac{\partial^2 r}{\partial x^2}=\frac{r-x \frac{\partial r}{\partial x}}{r^2}=\frac{r-x \frac{x}{r}}{r^2}=\frac{r^2-x^2}{r^3}=\frac{y^2}{r^3} $$ 利用 $\tan \theta=\frac{y}{x}$ 计算 $\theta$ 对 $x$ 的微商,得到 $$ \frac{\partial \theta}{\partial x}=\frac{1}{1+\left(\frac{y}{x}\right)^2}\left(-\frac{y}{x^2}\right)=-\frac{y}{r^2} $$ 再次对 $\theta$ 微商得 $$ \frac{\partial^2 \theta}{\partial x^2}=\frac{2 y}{r^3} \frac{\partial r}{\partial x}=\frac{2 x y}{r^4} $$ 现在对 $y$ 微分,按照类似的过程,我们得到 $$ \frac{\partial r}{\partial y}=\frac{y}{r}, \quad \frac{\partial^2 r}{\partial y^2}=\frac{x^2}{r^3}, \quad \frac{\partial \theta}{\partial y}=\frac{x}{r^2}, \quad \frac{\partial^2 \theta}{\partial y^2}=-\frac{2 x y}{r^4} $$ 从以上结果,容易推出下面两个关系式 $$ \begin{gathered} \frac{\partial^2 \theta}{\partial x^2}+\frac{\partial^2 \theta}{\partial y^2}=0 \\ \frac{\partial r}{\partial x} \frac{\partial \theta}{\partial x}+\frac{\partial r}{\partial y} \frac{\partial \theta}{\partial y}=0 \end{gathered} $$ 现在我们可以着手将拉普拉斯算子变换到极坐标系。利用复合函数的微分法则,我们有 $$ \frac{\partial u}{\partial x}=\frac{\partial u}{\partial r} \frac{\partial r}{\partial x}+\frac{\partial u}{\partial \theta} \frac{\partial \theta}{\partial x} $$ 再次对 $x$ 微商得 $$ \begin{aligned} \frac{\partial^2 u}{\partial x^2}= & \frac{\partial}{\partial x}\left(\frac{\partial u}{\partial r}\right) \frac{\partial r}{\partial x}+\frac{\partial u}{\partial r} \frac{\partial^2 r}{\partial x^2}+\frac{\partial}{\partial x}\left(\frac{\partial u}{\partial \theta}\right) \frac{\partial \theta}{\partial x}+\frac{\partial u}{\partial \theta} \frac{\partial^2 \theta}{\partial x^2} \\ = & \left(\frac{\partial^2 u}{\partial r^2} \frac{\partial r}{\partial x}+\frac{\partial^2 u}{\partial r \partial \theta} \frac{\partial \theta}{\partial x}\right) \frac{\partial r}{\partial x}+\frac{\partial u}{\partial r} \frac{\partial^2 r}{\partial x^2} \\ & +\left(\frac{\partial^2 u}{\partial r \partial \theta} \frac{\partial r}{\partial x}+\frac{\partial^2 u}{\partial \theta^2} \frac{\partial \theta}{\partial x}\right) \frac{\partial \theta}{\partial x}+\frac{\partial u}{\partial \theta} \frac{\partial^2 \theta}{\partial x^2} \\ = & \frac{\partial^2 u}{\partial r^2}\left(\frac{\partial r}{\partial x}\right)^2+2 \frac{\partial^2 u}{\partial r \partial \theta} \frac{\partial r}{\partial x} \frac{\partial \theta}{\partial x}+\frac{\partial u}{\partial r} \frac{\partial^2 r}{\partial x^2}+\frac{\partial^2 u}{\partial \theta^2}\left(\frac{\partial \theta}{\partial x}\right)^2+\frac{\partial u}{\partial \theta} \frac{\partial^2 \theta}{\partial x^2} \end{aligned} $$ 对于 $y$ 有同样的结果 $$ \frac{\partial^2 u}{\partial y^2}=\frac{\partial^2 u}{\partial r^2}\left(\frac{\partial r}{\partial y}\right)^2+2 \frac{\partial^2 u}{\partial r \partial \theta} \frac{\partial r}{\partial y} \frac{\partial \theta}{\partial y}+\frac{\partial u}{\partial r} \frac{\partial^2 r}{\partial y^2}+\frac{\partial^2 u}{\partial \theta^2}\left(\frac{\partial \theta}{\partial y}\right)^2+\frac{\partial u}{\partial \theta} \frac{\partial^2 \theta}{\partial y^2} $$ 将式(1.2.26)与式(1.2.27)相加并注意式(1.2.23)和式(1.2.24),我们得到 $$ \frac{\partial^2 u}{\partial x^2}+\frac{\partial^2 u}{\partial y^2}=\frac{\partial^2 u}{\partial r^2}\left[\left(\frac{\partial r}{\partial x}\right)^2+\left(\frac{\partial r}{\partial y}\right)^2\right]+2 \frac{\partial^2 u}{\partial r \partial \theta}\left[\frac{\partial r}{\partial x} \frac{\partial \theta}{\partial x}+\frac{\partial r}{\partial y} \frac{\partial \theta}{\partial y}\right] $$ $$ \begin{aligned} & +\frac{\partial u}{\partial r}\left[\frac{\partial^2 r}{\partial x^2}+\frac{\partial^2 r}{\partial y^2}\right]+\frac{\partial^2 u}{\partial \theta^2}\left[\left(\frac{\partial \theta}{\partial x}\right)^2+\left(\frac{\partial \theta}{\partial y}\right)^2\right]+\frac{\partial u}{\partial \theta}\left[\frac{\partial^2 \theta}{\partial x^2}+\frac{\partial^2 \theta}{\partial y^2}\right] \\ = & \frac{\partial^2 u}{\partial r^2}\left[\left(\frac{\partial r}{\partial x}\right)^2+\left(\frac{\partial r}{\partial y}\right)^2\right]+\frac{\partial u}{\partial r}\left[\frac{\partial^2 r}{\partial x^2}+\frac{\partial^2 r}{\partial y^2}\right] \\ & +\frac{\partial^2 u}{\partial \theta^2}\left[\left(\frac{\partial \theta}{\partial x}\right)^2+\left(\frac{\partial \theta}{\partial y}\right)^2\right] \end{aligned} ...(1.2.28) $$ 进一步利用式(1.2.20)~式(1.2.22),则式(1.2.28)变为 $$ \frac{\partial^2 u}{\partial x^2}+\frac{\partial^2 u}{\partial y^2}=\frac{\partial^2 u}{\partial r^2}\left(\frac{x^2}{r^2}+\frac{y^2}{r^2}\right)+\frac{\partial u}{\partial r}\left(\frac{x^2}{r^3}+\frac{y^2}{r^3}\right)+\frac{\partial^2 u}{\partial \theta^2}\left(\frac{x^2}{r^4}+\frac{y^2}{r^4}\right) $$ 利用 $r^2=x^2+y^2$ ,我们得到极坐标系中的拉普拉斯 $$ \nabla^2 u=\frac{\partial^2 u}{\partial r^2}+\frac{1}{r} \frac{\partial u}{\partial r}+\frac{1}{r^2} \frac{\partial^2 u}{\partial \theta^2} $$ 它还可以写为更加简洁的形式 $$ \boxed{ \nabla^2 u=\frac{1}{r} \frac{\partial}{\partial r}\left(r \frac{\partial u}{\partial r}\right)+\frac{1}{r^2} \frac{\partial^2 u}{\partial \theta^2} ...(1.2.31) } $$ 而极坐标系中的拉普拉斯算子为 $$ \boxed{ \nabla^2=\frac{1}{r} \frac{\partial}{\partial r}\left(r \frac{\partial}{\partial r}\right)+\frac{1}{r^2} \frac{\partial^2}{\partial \theta^2} ...(1.2.32) } $$ ## 柱坐标系中的拉普拉斯算子 柱坐标系如图 1.8 所示,它与直角坐标系的关系为  $$ x=\rho \cos \phi, \quad y=\rho \sin \phi, \quad z=z $$ 这里我们用 $\rho$ 和 $\phi$ 标记 $x-y$ 平面的极坐标。柱坐标系只是在极坐标系的基础上增加了 $z$坐标,因此利用式(1.2.31)容易写出柱坐标系中的拉普拉斯 $$ \nabla^2 u=\frac{\partial^2 u}{\partial \rho^2}+\frac{1}{\rho} \frac{\partial u}{\partial \rho}+\frac{1}{\rho^2} \frac{\partial^2 u}{\partial \phi^2}+\frac{\partial^2 u}{\partial z^2} $$ 而柱坐标系中的拉普拉斯算子为 $$ \boxed{ \nabla^2=\frac{\partial^2}{\partial \rho^2}+\frac{1}{\rho} \frac{\partial}{\partial \rho}+\frac{1}{\rho^2} \frac{\partial^2}{\partial \phi^2}+\frac{\partial^2}{\partial z^2} } $$ ## 球坐标系中的拉普拉斯算子 球坐标系如图 1.9 所示,它与直角坐标系的关系为  $$ \begin{aligned} & x=r \cos \phi \sin \theta \\ & y=r \sin \phi \sin \theta \\ & z=r \cos \theta \end{aligned} $$ 而 $$ r^2=x^2+y^2+z^2 $$ 从图 1.8 ,我们有 $$ \rho=r \sin \theta, \quad x=\rho \cos \phi, \quad y=\rho \sin \phi, \quad \rho^2=x^2+y^2 $$ 现在我们要用球坐标变量 $r, \theta$ 和 $\phi$ 来表示拉普拉斯 $\nabla^2 u$ 。首先我们写出 $x-y$ 平面的极坐标系(变量为 $\rho$ 和 $\phi$ )的拉普拉斯,利用式(1.2.30)我们得到 $$ \frac{\partial^2 u}{\partial x^2}+\frac{\partial^2 u}{\partial y^2}=\frac{\partial^2 u}{\partial \rho^2}+\frac{1}{\rho} \frac{\partial u}{\partial \rho}+\frac{1}{\rho^2} \frac{\partial^2 u}{\partial \phi^2} $$ 注意到 $$ z=r \cos \theta, \quad \rho=r \sin \theta $$ 与极坐标系-直角坐标系的变换关系(1.2.17a)是类似的。这样在 $z-\rho$ 平面的极坐标系的拉普拉斯为 $$ \frac{\partial^2 u}{\partial z^2}+\frac{\partial^2 u}{\partial \rho^2}=\frac{\partial^2 u}{\partial r^2}+\frac{1}{r} \frac{\partial u}{\partial r}+\frac{1}{r^2} \frac{\partial^2 u}{\partial \theta^2} $$ 在式(1.2.39)两边加入 $\frac{\partial^2 u}{\partial z^2}$ ,并利用(1.2.41),即得到三维情况的拉普拉斯 $$ \frac{\partial^2 u}{\partial x^2}+\frac{\partial^2 u}{\partial y^2}+\frac{\partial^2 u}{\partial z^2}=\frac{\partial^2 u}{\partial r^2}+\frac{1}{r} \frac{\partial u}{\partial r}+\frac{1}{r^2} \frac{\partial^2 u}{\partial \theta^2}+\frac{1}{\rho} \frac{\partial u}{\partial \rho}+\frac{1}{\rho^2} \frac{\partial^2 u}{\partial \phi^2} $$ 现在需要将式(1.2.42)右边的 $\frac{\partial u}{\partial \rho}$ 表示为球坐标的形式。为此利用关系式 $\tan \theta=$ $\rho / z$ 求出 $$ \frac{\partial \theta}{\partial \rho}=\frac{1}{1+(\rho / z)^2} \frac{1}{z}=\frac{z}{z^2+\rho^2}=\frac{z}{r^2}=\frac{\cos \theta}{r} ...(1.2.43) $$ 对 $\rho=r \sin \theta$ 两边关于 $\rho$ 微分,并利用式(1.2.43)得到 $$ 1=\frac{\partial r}{\partial \rho} \sin \theta+r \cos \theta \frac{\partial \theta}{\partial \rho}=\frac{\partial r}{\partial \rho} \sin \theta+\cos ^2 \theta $$ 由此 $$ \frac{\partial r}{\partial \rho}=\frac{1-\cos ^2 \theta}{\sin \theta}=\sin \theta $$ 现在对 $u$(作为 $r, \theta, \phi$ 的函数)关于 $\rho$ 求微商 $$ \frac{\partial u}{\partial \rho}=\frac{\partial u}{\partial r} \frac{\partial r}{\partial \rho}+\frac{\partial u}{\partial \theta} \frac{\partial \theta}{\partial \rho}+\frac{\partial u}{\partial \phi} \frac{\partial \phi}{\partial \rho} $$ 由于 $x-y$ 平面的极坐标系变量 $\rho$ 和 $\phi$ 是相互独立的,因此 $\partial \phi / \partial \rho=0$ ,再利用式 (1.2.45)和式(1.2.43),式(1.2.46)变成 $$ \frac{\partial u}{\partial \rho}=\frac{\partial u}{\partial r} \sin \theta+\frac{\partial u}{\partial \theta} \frac{\cos \theta}{r} $$ $$ \frac{\partial u}{\partial \rho}=\frac{\partial u}{\partial r} \sin \theta+\frac{\partial u}{\partial \theta} \frac{\cos \theta}{r} $$ 将式(1.2.47)代入式(1.2.42),并利用 $\rho=r \sin \theta$ ,即得球坐标系的拉普拉斯 $$ \nabla^2 u=\frac{\partial^2 u}{\partial r^2}+\frac{2}{r} \frac{\partial u}{\partial r}+\frac{1}{r^2}\left(\frac{\partial^2 u}{\partial \theta^2}+\cot \theta \frac{\partial u}{\partial \theta}\right)+\frac{1}{r^2 \sin ^2 \theta} \frac{\partial^2 u}{\partial \phi^2} $$ 它还可以写成更简洁的形式 $$ \nabla^2 u=\frac{1}{r^2} \frac{\partial}{\partial r}\left(r^2 \frac{\partial u}{\partial r}\right)+\frac{1}{r^2 \sin \theta} \frac{\partial}{\partial \theta}\left(\sin \theta \frac{\partial u}{\partial \theta}\right)+\frac{1}{r^2 \sin ^2 \theta} \frac{\partial^2 u}{\partial \phi^2} $$ 而球坐标系中的拉普拉斯算子为 $$ \boxed{ \nabla^2=\frac{1}{r^2} \frac{\partial}{\partial r}\left(r^2 \frac{\partial}{\partial r}\right)+\frac{1}{r^2 \sin \theta} \frac{\partial}{\partial \theta}\left(\sin \theta \frac{\partial}{\partial \theta}\right)+\frac{1}{r^2 \sin ^2 \theta} \frac{\partial^2}{\partial \phi^2} } $$ `例` 在球坐标系中求函数 $$ u(x, y, z)=\ln \left(x^2+y^2+z^2\right), \quad(x, y, z) \neq(0,0,0) $$ 的拉普拉斯。 解 在球坐标系中 $$ u(r, \theta, \phi)=\ln r^2=2 \ln r $$ 因为 $u$ 不含 $\theta, \phi$ 的依赖性,故 $$ \frac{\partial u}{\partial r}=\frac{\partial}{\partial r}(2 \ln r)=\frac{2}{r} $$ 于是拉普拉斯为 $$ \nabla^2 u=\frac{1}{r^2} \frac{\partial}{\partial r}\left(r^2 \frac{\partial u}{\partial r}\right)=\frac{1}{r^2} \frac{\partial}{\partial r}(2 r)=\frac{2}{r^2} $$
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