拉普拉斯算子

发布时间 2023-09-07 11:14:02作者: 叕叒双又

  根据向量乘法的基本原理,聪明的我们很容易知道,对于射入曲面的那一部分(左半边),其通量为负,而对于射出曲面的那一部分(右半边),其通量为正。更进一步的思考我们可以得出,相互抵消后,这一曲面上的总通量为 0

接下来我们看下一张图:

  显然,在这一向量场中,红色曲面上的总通量为负,而绿色曲面上的总通量为正。 那么我们不断缩小这两个曲面,直至其无限接近一个点 {x} ,并将其总通量除以曲面所围成的体积 δV ,得到:

∇A=limδV→xΦA(Σ)δV ,

  我们便得到了点 {x} 处的散度。

  根据上面的分析,我们不难看出,在红圈所在圆心处的散度为负,而绿圈圆心处的散度为正。

结合上述定义,我们知道,散度衡量了一个点处的向量场是被发射还是被吸收,或者说,对于散度为正的点,散度越大,意味着相应的向量场越强烈地在此发散,而对于散度为负的点,意味着相应的向量场在此汇聚.。

拉普拉斯算子

接下来就是我们可爱的拉普拉斯算子啦~~

根据定义,函数 f 的拉普拉斯算子 ∇2f 又可以写成 ∇⋅∇f ,其被定义为函数 f 梯度的散度。

那么这又是什么意思呢?

我们知道,在直角坐标系下,一个函数 f(x,y,z) 在 (x0,y0,z0) 处的梯度是一个向量 (∂f∂x,∂f∂y,∂f∂z)|x=x0,y=y0,z=z0 ,

于是函数 f 的梯度函数 ∇f=∂f∂x⋅i→+∂f∂y⋅j→+∂f∂z⋅k→

就构成了一个在三维空间下的向量场。

于是乎,我们对这一向量场 ∇f 求散度 ∇⋅∇f ,即得到了 f 的拉普拉斯算子 ∇2f 。

为什么要这样做呢?

让我们想像一座山,根据梯度的定义,在山峰周围,所有的梯度向量向此汇聚,所以每个山峰处的拉普拉斯算子为负;而在山谷周围,所有梯度从此发散,所以每个山谷处的拉普拉斯算子为正。所以说,对于一个函数,拉普拉斯算子实际上衡量了在空间中的每一点处,该函数梯度是倾向于增加还是减少

歪个楼,描述物理系统最优美的公式之一拉普拉斯方程, ∇2f=0 ,大家可以想一想,这一公式表达了物理系统怎么样的特征呢?

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