z变换、拉普拉斯变换、多项式方程和锻炼基本物质时空分布结构

z变换、拉普拉斯变换、多项式方程和锻炼基本物质时空分布结构
z变换、拉普拉斯变换、多项式方程和锻炼基本物质时空分布结构

(1)Z变换、拉普拉斯变换、多项式方程和锻炼基本物质时空

分布结构

附设六脉乃是外设先天,先天脉和实位脉处对应为极点,而其零点处于虚幻脉上,其单位圆在内太极边界,若以外为内,则其零极点恰好在单位圆内,为虚位太极相关最小相位系统,给定频谱分布的最小相位系统是唯一的,因人本属阴实,故初始立位因地,其锻炼首在虚位太极相关最小相位系统的锤炼。而初始在相当长一段时间内物质时空分布结构满足中心之丹区乃真空零位所属,内12正经营气关乎正物质

骨骼血肉结构,藏精而起亟,外卫气为弥散负物质场,卫外而为固。乃是零藏于中,阴凝于内,阳散于外的基本格局,因万物负阴而抱阳,照理说其丹区所抱之物乃使得丹区阴阳所属为阳,但由于此区本存为阴,阴阳叠加而实为零,附设六脉之时,外为先天为阳,中为实位为阴,内辅虚幻为零乃是此基本时空分布结构的深化。丹区中零结构乃阴阳配比两均,恰好对应拉普拉斯变换所对应s域,为果地,法无为——其全通结构的零极点分布乃关于直角坐标轴对称而互为镜

像共轭——三轴结构作为基本坐标轴只有果地才存在,而其外阳内阴分布格局恰好对应Z变换所对应Z域,为因地,乃有作——在因地果地任意直线映射为等角螺旋线或同心圆——均匀场强可以看成等距平行线,所谓“始于有作人未识,

及至无为众方知”。之所以如此,乃是因地乃经典物理作用层次,其粒子粒度较大,整体规律遵循差分方程之离散可数形式,故与Z变换关系密切;而果地乃精微物理场层次,其作用精微,整体规律遵循微分方程之连续无间形式,故与拉普拉斯变换关系密切。由于正负物质的交互作用所导致的波动性,其整体作用场至少在二阶以上,交互作用使得它们本质上都与傅立叶变换关系密切,存在Z变换和拉普拉斯变换的自然物理过程,可将差分和微分规律直接转化为有理多项式形式表达的系统函数而与多项式求根过程也建立密切联系。在非线性系统稳定性研究理论中,平衡点的稳定性都转化为零点稳定性来讨论,则与拉格朗日点关系密切的脉轮分布于人体中轴中枢,乃对应人体之零点所在。而穴位由于都分布于体表,且其深度都差不多,类似于奇异眼点,则对应人体的各个极点。零极点的调整可以关涉人体系统的整体功能,所以可以调百病、决生死。就果地来看,人体皮肤为内外分野的关键所在,不论是穴位对应的对称极点分布,还是脉轮对应的零点都在皮肤包络区域之内,恰对应零极点都在单位圆内的最小相位系统。进一步推广到太极中,太极两眼对应两极点,类似洛仑兹吸引子那样,而中宫乃对应零点,外圆对应单位圆为电磁波的通道,因此也是最小相位系统。在高级阶段的大练形中,应该首注重果地实位太极的最小相位系统综整。

近似对称性这一概念可以适用于视网膜,在视网膜上,靠近视野中心的细胞排列得和紧密,体型也较小,而远离中心的细胞则较大。这种结构在旋转和缩放变换中是近似对称的。就离散系统而言,这是接近绝对对称的结构,这种结构便于大脑对来自眼睛的信息进行加工。无论物体的方向怎样改变,或者在近处看上去大一些,在远处看上去小一些,大脑都能把它识别出来。大脑对外界形态的平移对称性进行加工的方式则有所不同:大脑要求眼睛对准观察的物体,让其影像落在视野中心,以便非常清楚地看到它。当眼睛盯着运动的物体时,整个视野也跟着物体发生平移。因此,视网膜上的细胞的排列方式没有必要去考虑平移对称的特性。这是一件十分幸运的事,因为离散细胞无论怎样排列,都不可能同时对三类对称性(不包括映射)做到良好的近似。20世纪90年代中期,计算机科学家西蒙.克里平格戴尔(Simon Clippingdale)、罗兰.威尔逊(Roland Wilson)以及数学家彼得.梅森(Peter

Mason)经过研究后表明,虚拟的神经网络经过训练后,能够掌握生成近似对称结构的方法。视觉皮层(大脑中接收和加工来自于眼的信息的部位)也具有对称性,但这种对称性与视网膜的对称性很不相同。在视觉皮层中,占据压倒地位的是平移对称。因此,我们的感觉系统必须将视网膜上的影

像投射到视觉皮层上。这一过程需要借助一种名为“复对数”

的数学变换才能完成(图68)。这种变换将视网膜上的圆形和螺旋形转化为皮层上向不同方向伸展的直线。螺旋线是一种常见的幻觉,经过对数映射后,它变成了一组平行线(图69)(注:这种变换实际上类似拉普拉斯变换和Z变换的关系,Z变换对应同心圆,则在拉普拉斯变换中对应一系列直线,若

L 是复平面中的一条直线且不平行于实数或虚数轴,那么指数函数e^z 会将这些直线映像到以0

为中心的对数螺线,平行于实轴的直线映射为过原点的一条

射线,平行于虚轴的直线映射为一个圆,这恰恰是s平面和Z平面的变换.虚轴映射为单位圆,与虚轴呈一定夹角的过原点射线映射为一对数螺线,所有过原点的射线映射为过实轴上1和0点的一族对数螺线,其螺旋趋向于无穷远,可能与太极s线的形成有关——不过原点的射线也对应对数螺线,其螺旋中心也不在原点。参考

https://www.360docs.net/doc/134627293.html,/s/blog_53d3accd0100ra0b.html)。

最早注意到这一现象的是杰克.考恩(Jack

Cowan)。于是,我们立即明白了幻觉的形成过程;平行电波穿过大脑皮层时,就像海浪翻滚着冲上海滩一样。我们的视觉将这种电波误认为是撞击在视网膜上的螺旋形信号。因此,大脑在制造平行波,我们却以为看到了螺旋形图案。现实世

界对我们大脑的影响是直接的,并不需要通过感觉系统,因而我们看到的景象与实际存在的景象有所不同。

ln(1+Z)这一个表达式在Z的模趋近于零时其等价于Z,其在Z的模远远大于1时相当于lnZ,而lnZ恰好是Z变换和拉普拉斯变换即s变换的映射关系式(该变换可以把同心圆或螺旋型结构映射为平行直线,在锻炼过程中多种直线结构的形成可能与此有关)。前者暗示该表达式在极微观满足量子化和离散特征,在极宏观体现连续性的拉普拉斯变换特征,而在正常功能和状态下则满足人体一般器官的响应特征即无论视觉、听觉还是感觉的取对数的动态范围压缩特征,如对数变换、傅立叶频谱动态范围的压缩,频谱图均值的计算方法。因此,可以推断,该公式是一个普适性公式,反映了人体乃至宇宙的某种本质性质。(参考

https://www.360docs.net/doc/134627293.html,/s/blog_53d3accd0100ra0b.html)

视网膜作为一种特殊的外周光刺激感受器,其将旋转和放缩的对称性转化为大脑皮层平移对称性的方式是从Z平面到S平面的取对数变换,而人声感受器耳蜗的排列同样满足类似的结构,由此可以推测,其外周神经系统按照Z变换原理感受并分析刺激,符合旋转和放缩对称,而中枢神经系统而

以平移对称为主处理信息,按照拉普拉斯变换原理响应——其左右为金木实轴,上下为水火虚轴。实际上河图的基本结构乃是圆对称和螺旋型的,而洛书的基本结构则类似电荷经典平衡移动一样的平移对称性,河图过螺旋中心的螺旋线基于取对数变成洛书中的对称性,所有过原点的射线一定过Z 平面原点和实轴上的1点,可将类似闪闪红星一样的光线映射为螺旋线。或者横平的线族映射为类似闪闪红星的线——其按奇偶对应隶属于同一条直线的两条不同射线,竖直的线族映射为一个个同心圆——其按上下分别对应左右半圆。当出现如此鉴景鉴象时,实际上当对应外周神经系统和中枢神经系统的勾连,如此恰是内外太极之勾连阶段,若内外太极之心对齐时,螺旋线、闪闪红星线和同心圆、奇偶、左右、阴阳等现象兼备,乃是正景。

旋转和放缩对称乃是周围神经系统的状态,而平移对称性乃是中枢神经系统的状态,如此将平移对称和旋转与放缩对称分离的“设计”是非常合理的,在物质演化中也是先旋转离相,然后才有所谓平移离相的过程。而在空间6自由度物体运动研究中,三个平动自由度和三个转动自由度也是分离进行研究的,包括四元数的研究也是类似。

传统锻炼体系中,不论万字符号,还是十字形,都可看成两位太极s线的垂直正交,则根据物理原理,凡是界面处都会发生镜面效应,对于直角镜而言,其一个物像可同时对应三个镜像,这三个镜像具有共轭和镜像对称关系,如下图所示,若将其看成人体系统的系统函数的零点和极点,即左半平面对应两共轭极点,右半平面对应两共轭零点——对于人体乃将复平面逆时针旋转90度,上为零点,下为极点,都对应

太极之眼——对应Z变换则全在单位圆内,也即内或外太极内,此时以圆周为镜面按照模乘积为1对称分布零点和极点。如此构成的系统具有全通特性,即对于任意正弦波,其幅度响应维持不变,可以基于该系统无衰减地传递,但其相位响应可能会发生变化。系统函数和频谱反映了能量场系统对于复指数波动信号的传递性能,属于的数学描述模型。能实现全通系统,意味着人体生物场对真空零点能白噪声谱中无穷多波动成分都能平等无衰减传输,这是破译宇宙大全信息的前提条件之一。形成全通系统是一切锻炼方法的前提和基础,其以临界区为界存在互为共轭反演的极点和零点,这自然构成了一“眼(极点)藏于内,象(零点)挂于外”的结构,所谓:象挂於外,收天際無休之垂露;眼藏於內;益蒼穹不止之本源。实际上,其临界区也存在极为精细的临界相结构,使得整个系统对于任何频率的波动信息都等幅传递,所谓“万物过心而心不为之所动”,但对于相位信息则会发生相移或曰错位,

恰好就是“八卦相错”原理的完美科学诠释。注:如果系统的

幅频响应|H(jω)对所有的ω均为常数,则称该系统为全通系统,相应的系统函数称为全通函数。上文锻炼镜像例子实际上对应简单的二阶系统——高阶系统存在多对共轭对称的

四元零极点组,如在全通函数研究中有二阶系统,其系统函数在左平面有一对共轭极点:p1,2=-α±jβ,令s1=-p1,

s2=-p2,它在右半平面上有一对共轭零点ζ1=

α+jβ= s1,ζ2= α-jβ= s2,那么系统函数的零点和极点对于jω轴是镜像对称的。

(参考

https://www.360docs.net/doc/134627293.html,/s/blog_53d3accd0102dwav.html)

注:因地和果地的这种Z变换和拉普拉斯变换的对应乃是人体信息处理或者说内外太极作用的最基本机制的体现,一切果地的螺旋线或圆都将转化为因地的平行直线进行处理,而大脑信息的处理的机制是由于内太极服从零场连续微分方

程所决定的数理规律必须按照拉普拉斯变换进行处理所直

接造成的。也暗示了人体生命之根在于虚空——真空零点能,只有真空零点背景的规律才符合连续微分模型,而人大脑作为人体信号处理中枢按照拉普拉斯变换的规律正是人元神

根于真空的直接证据,人的魂魄元神等都属于正反物质虚粒

子对的真空凝聚态,对于身体状态起着关键的调控作用,自然属于连续场范畴,其与微分方程基本变化规律和拉普拉斯变换S域描述密切相关,其全通系统符合直角镜原理,故内经言:得神者生,失神者死。自然界的声强乃至能量变化区间巨大,要进行有效比较,一般需要取对数,这和人生理响应强度对外界刺激强度取对数的原理类似,人体的神系乃是人体场对外来刺激信号响应的系统。事实上,宇宙真空背景场可以看成宇宙各种生化的激励和控制层面的存在系统,也是按照连续微分和拉普拉斯变换原理的,人体和宇宙的信号控制和响应基本原理是一致的,古人所谓:人法天。各种自然现象强度跨越区间取对数才能合理表示,正是这一原理的直接体现。

需要特别指出的是,太极外缘和光速极限的存在都是立位于因地的结果,这恰如Z平面的情况,存在以单位圆为界的稳定性判定的收敛域划分;而立位于果地,则无所谓边缘,乃是无限广大的,恰如s平面的情况,其稳定性判定以虚轴为界,故存在类似混沌矩阵的原理,其一半为全数幻演,乃对应稳定收敛域,另一半为虚妄之地,稳态一无所有。实际上基于Z变换和拉普拉斯变换对差分方程和微分方程的变换处理,不仅仅为数学上的技巧,乃存在真实的物理过程,该过程使得可以用多项式代数方程的角度研究宇宙根本规律,也

可为中国传统术数学的深层科学依据。尤其Z变换中很多无限项累加形式在收敛域内可用简单表达式表达,也只有在收敛域内才有其恒等性质,这极类似于锻炼中特定景象的出现,由于都属于气象,乃各离散气基元的特殊积聚形象,相当于积分或累加过程,只有在特定运动条件下才能“收敛”而体现

出一定范围的宏观构象,运动条件一旦发生变化,就可能不“收敛”而不出现相应景象。通常会存在一些具有相对稳定性

的构象,它们Z变换积分或累加稳定性收敛域(区间)相对比较大,收敛条件相对容易满足。锻炼所研究的是等光速区或近光速区的规律,大大远离人类生活空间的速度区间,则如斯在非常之地自然存在诸多非常之理,道德经言:正道若反,收缩-扩张喷管乃至超光速效应下的诸多规律都是与常理相反的。

内外太极互为镜像反演,其通过太极之眼互相锁扣,具体说来,内(外)太极的零点恰为外(内)太极的极点,且对内外太极的任何一个,其零极点互为共轭镜像,这使得整个内外太极锁扣系统构成全通系统,既符合局部空间的一般性规律,同时又与大空间规律发生密切勾连,构成非常玄妙的结构。

按照公式E*E=E0*E0+p*p*c*c,p=m*v,

引入了两个质量即静止质量m0和运动造成的质量m,这恰好对应太极泰勒展开中前两阶质量,两者数值是不同的,可以推测,还存在二阶运动所附加形成的新质量即能质量乃至高阶运动所形成的各自不同的信息质量等(相对论只是给出了零阶质量和一阶质量的整体自洽和灭度约束,实际上关乎高阶质量还存在高阶灭度约束表达形式,恰对应锻炼中层层灭度之理),这样所有阶质量恰构成一离散序列,该序列可以通过Z变换研究,尤其太极内外存在正负幂次的各阶运动质量,太极内各阶质量度量基于(v/c)的负幂,太极外各阶质量度量基于(v/c)的正幂,若按照Z变换和傅立叶变换的关系,则其中Z的正幂对应顺时针旋转,负幂对应逆时针旋转角频率。在S域中则对应平行分布质量梯度场(如太极生成时的质量梯度分布)和不同方向平行互反运动质量流(类似两平行导线作用,引力磁使得互相吸引),静而S域,动而Z域。另外,一般物体都存在升降出入的平衡,如楞次定律和化学平衡移动规律所展现的那样,这种平衡的移动必然要通过特定的双向反馈机制来实现,只要存在反馈,其线性系统所对应的有理多项式必然有极点存在,则对应无限长单位冲激响应,其极点乃对应整个系统的“眼点”或“关窍”。

拉普拉斯变换和Z变换本身与傅立叶变换都存在密切关系,其所对应的复数域本质上也存在了时域的整体演化信息,实

际上是整体意义上的时频分析。三种变换的长处都是信号的整体特征,因此与中国传统文化本质研究关系最为密切。其由整体研究走向局部分析的关键工具就是小波变换,而其系统函数由单输入单输出走向阵列格局的分析过程就是状态

矩阵,而在东方传统文化中则分别对应太极全息元和阵法。

人体复杂信号的解析如同微分方程的特征根所对应的各个

解一样,其基本是按照指数规律变化,每一个特征解相当于一个维度,将其各特征解线性组合即得到其整体解,这是一个复杂信号分解的方式,五行信号的求解也是如此,复平面的牛顿迭代法求根分割和模式识别也与此有关。

拉普拉斯方程数值解

二维有限差分析是求解两个变量的拉普拉斯方程的一种近似方法,这种方法的要点如下: 在平面场中,将平面划分成若干正方形格子,每个格子的边长都等于h ,图13-10表示其中的一部分,设0点的电位为V 0,0点周围方格顶点的电位分别为V 1、V 2、V 3和V 4。现在来推导一个用V 1、V 2、V 3和V 4表示V 0的公式: 图13-10 已知平面场的电位满足两个变量的拉普拉斯方程: 0222 2=??+??y V x V 其中 h x V x V x V x x V c a ??- ??≈??? ??????= ??0 22 但是 h V V x V h V V x V c a 30 01 ,-≈??-≈ ?? 所以 2 30013 0010 2 2h V V V V h h V V h V V x V +--≈-- -≈?? 同理 2 4 0020 2 2h V V V V y V +--≈ ?? 将上面两个方程相加一起得: 042 43212222=-+++≈??+??h V V V V V y V x V 由上面方程推出:)(4 1 43210V V V V V +++≈ (13.47) 该式说明0点的电位近似等于相互垂直的方向上和0点等距离的四个点上的电位平均值,距离h 愈小则结果愈精确,方程(13.47)是用近似法求解两个变量拉普拉斯方程的依据。 然而,V 0和V 1、V 2、V 3、V 4都是未知值,这种情况下需要按照方程(13.47)写出每一点的电位方程,然后求这些方程的联立解。 求解时较简便的方法是选代法,这种方法可求出平面场中各点电位的近似值。 图13-11表示一个截面为正方形的导体槽,槽的顶面与侧面相互绝缘,顶面的电位为

拉普拉斯方程

拉普拉斯方程 拉普拉斯方程 拉普拉斯方程,又名调和方程,是一砍。因为由法 国数学家首先提出而得名。求解拉普 拉斯方程栯、和等领域经常遇到的 一类重要的数学问領,因为这种方程以的形式描写了、和等物理对象(一般统称为“保守场”栖“有势场”)的性质。三维情况下@拉普拉斯方程可由下面的形式描 述,闠题归结为求解对实自变量x、y、z二阶的实函数 φ :: + + = 0. 上面的方程常常简写作:: \nabla^2 \varphi = 0 或: \operatorname\,\operatorname\,\varphi = 0, 其中div表示的(结果是一个),grad 表示标量场的(结果是一个矢量场),或者简写作 : \Delta \varphi = 0 其中Δ称为 . 拉普拉斯方 程的解称为。如果等号右边是一个给定的函数f( , y, z),即:: \Delta \varphi = f 则该方程称为。拉 普拉斯方程和泊松方程是最简单?? 。偏微 分算子\nabla^2或\Delta(可以在任意维空间中定义这样的算 堐)称为,英文是Laplace operator 或简称作 Laplacian。拉普拉斯方程的可归结为求解在区 域D内定义的函数φ,使得\varphi在D的边界上等于某给定 的函数。为方便堙述,以下采用拉普拉斯算子应用的其?一个例

子——作为背景进行介绍:固定区域边界上砄温度(是边界上各点位置坐标的函数 ,直到区域内部热传导使温度 分布达堰稳定,这个温度分布场就是相应的狄頌克雷问题的解。拉普拉斯方程的不直接给出区域D边界处的温度函数φ本身,而是φ ??D的边界法向的。从物理 的角度看,这种边界条件给堺的是矢量场的势分布在区域边界处的堲知效果(对热传导问题而言,这种效栜便是边界热流密度)。拉普拉斯方稠的解称为,此函数在方程成立的区域内是。任意两个函数,如果它们都满足拉栮拉斯方程(或任意线性微分方程),蠙两个函数之和(或任意形式的线性组堈)同样满足前述方程。这种非常有用砄性质称为。可以根据该原理将复杂问题的已知砀单组合起来,构造适用面更广的。 二维拉普拉斯方程 两个自变量的拉普拉斯方程具有以丠形式::\varphi_ + \varphi_ = 0.\, 解析函数 的实部和虚部均满足拉普拉斯方程。栢言之,若z = x + iy,并且:f(z) = u(x,y) + iv(x,y),\, 那么f(z)是解析函数的是它满足下列柯西-黎曼方程::u_x = v_y, \quad v_x = -u_y.\, 上述方程继续求导就得到:u_ = (-v_x)_y = -(v_y)_x = -(u_x)_x.\, 所以u 满足拉普拉斯方程。类似的计算可推堗v 同样满足拉普拉斯方程。反之,给定一个由解析函数(或至尠在某点及其邻域内解析的函数)f(z)的堞部确定的调

拉普拉斯方程

拉普拉斯方程 一、概念:一个弯曲的表面称为曲面,通常用相应的两个曲率半径来描述曲面,即在曲面上某点作垂直于表面的直线,再通过此线作一平面,此平面与曲面的截线为曲线,在该点与曲线相切的圆半径称为该曲线的曲率半径R1。通过表面垂线并垂直于第一个平面再作第二个平面并与曲面相交,可得到第二条截线和它的曲率半径R2,用R1与R2可表示出液体表面的弯曲情况。若液面是弯曲的,液体内部的压强p1与液体外的压强p2就会不同,在液面两边就会产生压强差△P= P1- P2,称附加压强,其数值与液面曲率大小有关,可表示为:,式中γ是液体表面张力系数,该公式称为拉普拉斯方程。 二、在数理方程中 拉普拉斯方程为:,其中?2为拉普拉斯算子,此处的拉普拉斯方程为二阶偏微分方程。三维情况下,拉普拉斯方程可由下面的形式描述,问题归结为求解对实自变量x、y、z二阶可微的实函数φ: 其中?2称为拉普拉斯算子。 拉普拉斯方程的解称为调和函数。 如果等号右边是一个给定的函数f(x,y,z),即: 则该方程称为泊松方程。拉普拉斯方程和泊松方程是最简单的椭圆型偏微分方程。偏微分算子(可以在任意维空间中定义这样的算子)称为拉普拉斯算子,英文是Laplace operator或简称作Laplacian。

三、方程的解 称为调和函数,此函数在方程成立的区域内是解析的。任意两个函数,如果它们都满足拉普拉斯方程(或任意线性微分方程),这两个函数之和(或任意形式的线性组合)同样满足前述方程。这种非常有用的性质称为叠加原理。可以根据该原理将复杂问题的已知简单特解组合起来,构造适用面更广的通解。 四、二维方程 两个自变量的拉普拉斯方程具有以下形式: Δu =δ2u/δu2+δ2u/δy2=0 解析函数的实部和虚部均满足拉普拉斯方程

拉普拉斯方程

拉普拉斯方程 拉普拉斯方程又名调和方程、位势方程,是一种偏微分方程。因为由法国数学家拉普拉斯首先提出而得名。求解拉普拉斯方程是电磁学、天文学和流体力学等领域经常遇到的一类重要的数学问题,因为这种方程以势函数的形式描写了电场、引力场和流场等物理对象(一般统称为“保守场”或“有势场”)的性质。 拉普拉斯方程表示液面曲率与液体压力之间的关系的公式。一个弯曲的表面称为曲面,通常用相应的两个曲率半径来描述曲面,即在曲面上某点作垂直于表面的直线,再通过此线作一平面,此平面与曲面的截线为曲线,在该点与曲线相重合的圆半径称为该曲线的曲率半径R1。 通过表面垂线并垂直于第一个平面再作第二个平面并与曲面相交,可得到第二条截线和它的曲率半径R2,用 R1与R2可表示出液体表面的弯曲情况。若液面是弯曲的,液体内部的压力p1与液体外的压力p2就会不同,在液面两边就会产生压力差△P= P1- P2,其数值与液面曲率大小有关,可表示为:▽p=γ(1/R1+1/R2)式中γ是液体表面张力。该公式成为拉普拉斯方程。 在数理方程中

拉普拉斯方程拉普拉斯方程为:Δ u=d^2u/dx^2+d^2u/dy^2=0,其中Δ为拉普拉斯算子,此处的拉普拉斯方程为二阶偏微分方程。三维情况下,拉普拉斯方程可由下面的形式描述,问题归结为求解对实自变量x、y、z二阶可微的实函数φ:其中Δ称为拉普拉斯算子. 拉普拉斯方程的解称为调和函数。 如果等号右边是一个给定的函数f(x, y, z),即: 则该方程称为泊松方程。拉普拉斯方程和泊松方程是最简单的椭圆型偏微分方程。偏微分算子或Δ(可以在任意维空间中定义这样的算子)称为拉普拉斯算子,英文是 Laplace operator或简称作Laplacian。 狄利克雷问题 拉普拉斯方程的狄利克雷问题可归结为求解在区域D内定义的函数φ,使得在D的边界上等于某给定的函数。为方便叙述,以下采用拉普拉斯算子应用的其中一个例子——热传导问题作为背景进行介绍:固定区域边界上的温度(是边界上各点位置坐标的函数),直到区域内部热传导使温度分布达到稳定,这个温度分布场就是相应的狄利克雷问题的解。

正方形环域Laplace方程的简明数值解法

收稿日期:2005212210 基金项目:辽宁省教育厅科研基金资助项目(05L415)? 作者简介:刘大卫(1964-),男,贵州贵阳人,贵州工业大学副教授? 第24卷 第2期 2006年4月 沈阳师范大学学报(自然科学版) Journal of S henyang Norm al U niversity (N atural Science ) V ol 124,N o.2Apr.2006 文章编号:1673-5862(2006)02-0166-04 正方形环域Laplace 方程的简明数值解法 刘大卫1,高 明2,3 (1.贵州工业大学基础部,贵州贵阳 550003; 2.沈阳师范大学物理科学与技术学院,辽宁沈阳 110034; 3.沈阳师范大学实验中心,辽宁沈阳 110034) 摘 要:通过正方形环域的Laplace 方程的数值求解过程,详细介绍了使用MA TLAB 求解微 分方程的方法?用MA TLAB 的M 文件,生成正方形环域,用函数numgrid 作网格划分,用函数delsq 建立五点差分格式建立并求解拉普拉斯方程第一边值问题?关 键 词:Laplace 方程;差分法;MA TLAB 中图分类号:O 175 文献标识码:A 0 引 言 Laplace 方程是解决电磁场问题中最常见的方程,在一些具有较复杂边界形状的区域中求出方程的 解析解是非常困难的[122]?因此寻求一种有效的、简明的数值解法对于解决实际问题中复杂边界区域中 的电磁场分布问题具有非常重要的实际价值?通过一个特殊的方形区域的电场分布问题介绍一种应用MA TLAB 数值求解Laplace 方程的方法? 考虑图1所示正方形环域,设区域内满足Laplace 方程Δu =0,内边界处电势u =100,外边界处电势u =0,求区域内的电势分布,易见,这是一个Laplace 方程的第一边值问题? 现用差分法求解这个问题,首先把研究区域划分为图2所示的网格,在这个划分中,除去边界点,区域被分为240个网格节点 ? 图1  正方形环域 图2 网格的划分 差分法求解的基本思想是,在网格节点上用差商代替微商,结合边界条件,把定解问题转化为以未知函数u (x ,y )在节点上的数值为未知量的线性方程组: Ax =b 其中,x 为解向量,代表函数u (x ,y )在节点上的数值?A 为系数矩阵,与网格节点的划分和编号方式有关,通常是一个大型的稀疏矩阵?b 为常数向量,由边界条件确定?对上述问题,A 为240×240阶稀疏矩阵,b 为240×1阶稀疏常数向量?下面用MA TLAB 提供的网格划分函数numgrid 和差分格式建立函数delsq 来构造系数矩阵A ?

拉普拉斯方程

拉普拉斯方程应该和泊松方程是同胞兄弟了,都是扩散方程,用来描述散度场的。只不过拉普拉斯方程是无源场,泊松方程是有源场。预备内容:梯度、旋度、散度和拉普拉斯算子在曲线坐标下的表达式: 如果在某个曲线坐标系内位移微元(其中是坐标),那么便有: 梯度:散度:旋度:拉普拉斯算符: 对于直角坐标系、球坐标系和柱坐标系来说,的值为: 于是,我们便可以轻松地默写球坐标下拉普拉斯算符的表达式\^o^/ 下面进入正题 1.直角坐标系 当出现金属平板之类的边界条件时,使用直角坐标系较为方便。 在直角坐标系下,拉普拉斯方程的表达式为: i)二维问题 假设沿z轴平移V保持不变,于是方程便简化为二维形式: 我们假设V可以写成两个函数相乘的形式: (乍看之下这不是一个很合理的假设。但是我们很快可以看到为什么可以这样做)

代入原方程并在两边除以V: 因为两部分之和为0,因此我们可以假设一个是正数另一部分是负数:(这里以含x的部分为正含y的部分为负为例) 很显然,这两个方程的解就是: 注记:这里决定哪一部分是正数哪一部分是负数要由边界条件来确定。比如说,沿x方向到达无限远时电势为零,x就应该含有指数衰减项,因此令含x的部分为正数。 于是,方程的一个解是 对所有可能的k求和,可以得到通解: 常数A,B,C,D的值需要由边界条件来确定。通常情况下,通过边界条件可以把k化成含有正整数的式子。将求和号改成对n求和,可以看到,第二个括号里的项便是傅里叶级数。狄利克雷定理保证了这个级数可以拟合任何边界条件。傅里叶系数可以由积分来确定。 ii)三维问题 三维问题的处理方法与二维的情形类似。 同样,假设是这种形式: 同样,代入方程并在两边同除以V:

泊松方程和拉普拉斯方程

拉普拉斯方程和泊松方程 摘要:拉普拉斯方程,又名调和方程、位势方程,是一种偏微分方程。因为由法国数学家拉普拉斯首先提出而得名。求解拉普拉斯方程是电磁学、天文学和流体力学等领域经常遇到的一类重要的数学问题,因为这种方程以势函数的形式描写了电场、引力场和流场等物理对象的性质。 关键词:分离变量电磁场拉普拉斯 简史 1777年,拉格朗日研究万有引力作用下的物体运动时指出:在引力体系中,每一质点的质量m k除以它们到任意观察点P的距离r k,并且把这些商加在一起,其总和 即P点的势函数,势函数对空间坐标的偏导数正比于在 P点的质点所受总引力的相应分力。1782年,P.S.M.拉普拉斯证明:引力场的势函数满足偏微分方程: ,叫做势方程,后来通称拉普拉斯方程。1813年,S.D.泊松撰文指出,如 果观察点P在充满引力物质的区域内部,则拉普拉斯方程应修改为,叫做泊松方程,式中ρ为引力物质的密度。文中要求重视势函数 V在电学理论中的应用,并指出导体表面为等热面。 静电场的泊松方程和拉普拉斯方程 若空间分区充满各向同性、线性、均匀的媒质,则从静电场强与电势梯度的关系E=-V高斯定理微分式,即可导出静电场的泊松方程: 式中ρ为自由电荷密度,纯数εr为各分区媒质的相对介电常数,真空介电常数εo=8.854×10-12法/米。在没有自由电荷的区域里,ρ=0,泊松方程就简化为拉普拉斯方程。在各分区的公共界面上,V满足边值关系,

, 式中i ,j 指分界面两边的不同分区,σ 为界面上的自由电荷密度,n 表示边界面上的内法 线方向。 边界条件和解的唯一性 为了在给定区域内确定满足泊松方程以及边值关系的解,还需给定求解区域边界上的物 理情况,此情况叫做边界条件。有两类基本的边界条件:给定边界面上各点的电势,叫做狄 利克雷边界条件;给定边界面上各点的自由电荷 ,叫做诺埃曼边界条件。 静电场的唯一性定理: 设区域V 内给定自由电荷分布)(x ,在V 内电势满足泊松方程 或拉普拉斯方程,在V 的边界S 上给定电势 ,或V 边界上给定电势的法线方向偏导数 ,则V 内场(静电场)唯一确定。 除了静电场之外,在电学、磁学、力学、热学等领域还有许多服从拉普拉斯方程的势场。 各类物理本质完全不同的势场如果具有相似的边界条件,则因拉普拉斯方程解的唯一性,任 何一个势场的解,或该势场模型中实验测绘的等热面或流线图,经过对应物理量的换算之后,可以通用于其他的势场。 静磁场的泊松方程和拉普拉斯方程 在SI 制中,静磁场满足的方程为 ,式中j 为传导电流密度。第一式表明静磁 场可引入磁矢势r)描述: 。 在各向同性、线性、均匀的磁媒质中,传导电流密度j 0的区域里,磁矢势满足的方程 为 。 选用库仑规范,,则得磁矢势A 满足泊松方程 ,式中纯数μr 为媒质的相对磁导率, 真空磁导率μo =1.257×10-6亨/米。在传导电流密度j=0的区域里,上 式简化为拉普拉斯方程 。

拉普拉斯方程

拉普拉斯方程,也称为谐波方程和势方程,是一种偏微分方程,最早由法国数学家拉普拉斯提出。 拉普拉斯方程是液体表面曲率和液体表面压力之间关系的公式。 曲面称为曲面。通常,使用两个相应的曲率半径来描述表面,即在表面上的某个点处绘制垂直于该表面的直线,然后通过该线制作一个平面。平面和表面的截面是曲线,并且在该点与曲线相切的圆的半径称为曲线的曲率半径R1。第二剖面线及其曲率半径R2可以通过使第二平面垂直于第一平面并与表面相交来获得。液面的弯曲可以用R1和R2表示。如果液体表面弯曲,则液体P1内部的压力将与液体外部的压力P2不同,并且液体表面的两侧之间将存在压力差△P = P1-P2,这称为附加压力。压力。其值与液体表面的曲率有关,可以表示为:其中γ是液体的表面张力系数,称为拉普拉斯方程。 在数学公式中 拉普拉斯方程是:其中∥是拉普拉斯算子,而这里的拉普拉斯方程是二阶偏微分方程。在三维情况下,拉普拉斯方程可按以下形式描述。可以将问题简化为求解对于实变量X,y和Z可二阶微分的实函数φ ?2称为拉普拉斯算子。 拉普拉斯方程的解称为谐波函数。 如果在等号右边是给定的函数f(x,y,z),即: 然后将该方程称为泊松方程。拉普拉斯方程和泊松方程是最简单的椭圆偏微分方程。偏微分算子(可以在任何维空间中定义)称为拉

普拉斯算子。 方程解 它称为谐波函数,可以在建立方程的区域进行分析。如果任何两个函数满足拉普拉斯方程(或任何线性微分方程),则这两个函数的总和(或它们的任何线性组合)也满足上述方程。这种非常有用的特性称为叠加原理。根据这一原理,可以将已知的复杂问题的简单特殊解组合起来,以构建具有更广泛适用性的一般解。

拉普拉斯方程

拉普拉斯方程 拉普拉斯方程(Laplace's equation)又称调和方程、位势方程,是一种偏微分方程,因由法国数学家拉普拉斯首先提出而得名。 [1] 拉普拉斯方程表示液面曲率与液体表面压强之间的关系的公式。 中文名 拉普拉斯方程 外文名 Laplace's equation 别称 调和方程、位势方程 提出者 拉普拉斯 关键词 微分方程、拉普拉斯定理 涉及领域 电磁学、天体物理学、力学、数学 目录 .1基本概述 .?在数理方程中 .?方程的解 .2二维方程 .3人物介绍

基本概述 一个弯曲的表面称为曲面,通常用相应的两个曲率半径来描述曲面,即在曲面上某点作垂直于表面的直线,再通过此线作一平面,此平面与曲面的截线为曲线,在该点与曲线相切的圆半径称为该曲线的曲率半径R1。通过表面垂线并垂直于第一个平面再作第二个平面并与曲面相交,可得到第二条截线和它的曲率半径R2,用R1与R2可表示出液体表面的弯曲情况。若液面是弯曲的,液体内部的压强p1与液体外的压强p2就会不同,在液面两边就会产生压强差△P= P1- P2,称附加压强,其数值与液面曲率大小有关,可表示为: ,式中γ是液体表面张力系数,该公式称为拉普拉斯方程。 在数理方程中 拉普拉斯方程为: ,其中?2为拉普拉斯算子,此处的拉普拉斯方程为二阶偏微分方程。三维情况下,拉普拉斯方程可由下面的形式描述,问题归结为求解对实自变量x、y、z二阶可微的实函数φ : 其中?2称为拉普拉斯算子。 拉普拉斯方程的解称为调和函数。 如果等号右边是一个给定的函数f(x,y,z),即: 则该方程称为泊松方程。拉普拉斯方程和泊松方程是最简单的椭圆型偏微分方程。偏微分算子 (可以在任意维空间中定义这样的算子)称为拉普拉斯算子,英文是Laplace operator或简称作Laplacian。 方程的解 称为调和函数,此函数在方程成立的区域内是解析的。任意两个函数,如果它们都满足拉普拉斯方程(或任意线性微分方程),这两个函数之和(或任意形式的线性组合)同样满足前述方程。这种非常有用的性质称为叠加原理。可以根据该原理将复杂问题的已知简单特解组合起来,构造适用面更广的通解。 [2] 二维方程

泊松方程和拉普拉斯方程

拉普拉斯方程和泊松方程 摘要:拉普拉斯方程,又名调和方程、位势方程,是一种偏微分方程。因为由法国数学家拉普拉斯首先提出而得名。求解拉普拉斯方程是电磁学、天文学和流体力学等领域经常遇到的一类重要的数学问题,因为这种方程以势函数的形式描写了电场、引力场和流场等物理对象的性质。 关键词:分离变量 电磁场 拉普拉斯 简史 1777年,拉格朗日研究万有引力作用下的物体运动时指出:在引力体系中,每一质点的质量m k 除以它们到任意观察点P 的距离r k ,并且把这些商加在一起,其总和 m k r k n k=1 = V x ,y ,z 即P 点的势函数,势函数对空间坐标的偏导数正比于在 P 点的质点所受总引力的相应分力。1782年,P.S.M.拉普拉斯证明:引力场的势函数满足偏微分方程: ?2V ?x +?2V ?y +?2V ?z =0,叫做势方程,后来通称拉普拉斯方程。1813年,S.D.泊松撰文指出, 如果观察点P 在充满引力物质的区域内部,则拉普拉斯方程应修改为?2V ?x 2 + ?2V ?y 2 + ?2V ?z 2 =?4πρ, 叫做泊松方程,式中ρ为引力物质的密度。文中要求重视势函数 V 在电学理论中的应用,并指出导体表面为等热面。 静电场的泊松方程和拉普拉斯方程 若空间分区充满各向同性、线性、均匀的媒质,则从静电场强与电势梯度的关系E=-?V 高斯定理微分式??E =ρ/εr ε0,即可导出静电场的泊松方程:?2V ?x 2+?2V ?y 2+?2V ?z 2=?2V =?ρ/εr ε0 式中ρ为自由电荷密度,纯数 εr 为各分区媒质的相对介电常数,真空介电常数εo =8.854×10-12 法/米。在没有自由电荷的区域里,ρ=0,泊松方程就简化为拉普拉斯方程?2V =0 。 在各分区的公共界面上,V 满足边值关系V i =V j , ε0εri ?V ?n i ?ε0εrj ?V ?n j =??,

4. 偏微分方程的数值解法

§4 偏微分方程的数值解法 一、 差分法 差分法是常用的一种数值解法.它是在微分方程中用差商代替偏导数,得到相应的差分方程,通过解差分方程得到微分方程解的近似值. 1. 网格与差商 在平面 (x ,y )上的一以S 为边界的有界区域D 上考虑定解问题.为了用差分法求解,分别作平行于x 轴和y 轴的直线族. ?? ?====jh y y ih x x i i (i ,j =0,±1,±2,…,±n ) 作成一个正方形网格,这里h 为事先指定的正数,称为步 长;网格的交点称为节点,简记为(i ,j ).取一些与边界S 接近的网格节点,用它们连成折线S h ,S h 所围成的区域记作D h .称D h 内的节点为内节点,位于S h 上的节点称为边界节点(图14.7).下面都在网格D h + S h 上考虑问题:寻求各个节点上解的近似值.在边界节点上取与它最接近的边界点上的边值作为解的近似值,而在内节点上,用以下的差商代替偏导数: ()()[]()()[]()()()[]()()()[]()()()[]y x u h y x u y h x u h y x u h y x u h y x u y x u h y x u h y u y h x u y x u y h x u h x u y x u h y x u h y u y x u y h x u h x u ,),(,,1 ,,2,1 ,,2,1 ,,1 ,,1 222 22222++-+-+≈???-+-+≈ ??-+-+≈ ??-+≈??-+≈?? 注意, 1? 式中的差商()()[]y x u y h x u h ,,1 -+称为向后差商,而()()[]y h x u y x u h ,,1--称为向 前差商,()()[]y h x u y h x u h ,,21 --+称为中心差商.也可用向前差商或中心差商代替一阶偏导数. 2? x 轴与y 轴也可分别采用不同的步长h ,l ,即用直线族 ?? ?====jh y y ih x x j i (i,j =0, ±1, ±2 , ) 作一个矩形网格. 2. 椭圆型方程的差分方法 [五点格式] 考虑拉普拉斯方程的第一边值问题 图14.7

拉普拉斯方程

拉普拉斯方程(Laplace's equation)又称调和方程、位势方程,是一种偏微分方程,因由法国数学家拉普拉斯首先提出而得名。 拉普拉斯方程表示液面曲率与液体表面压强之间的关系的公式。 基本概述 一个弯曲的表面称为曲面,通常用相应的两个曲率半径来描述曲面,即在曲面上某点作垂直于表面的直线,再通过此线作一平面,此平面与曲面的截线为曲线,在该点与曲线相切的圆半径称为该曲线的曲率半径R1。通过表面垂线并垂直于第一个平面再作第二个平面并与曲面相交,可得到第二条截线和它的曲率半径R2,用R1与R2可表示出液体表面的弯曲情况。若液面是弯曲的,液体内部的压强p1与液体外的压强p2就会不同,在液面两边就会产生压强差△P= P1- P2,称附加压强,其数值与液面曲率大小有关,可表示为: ,式中γ是液体表面张力系数,该公式称为拉普拉斯方程。 在数理方程中 拉普拉斯方程为:,其中?2为拉普拉斯算子,此处的拉普拉斯方程为二阶偏微分方程。三维情况下,拉普

拉斯方程可由下面的形式描述,问题归结为求解对实自变量x、y、z二阶可微的实函数φ : 其中?2称为拉普拉斯算子。 拉普拉斯方程的解称为调和函数。 如果等号右边是一个给定的函数f(x,y,z),即: 则该方程称为泊松方程。拉普拉斯方程和泊松方程是最简单的椭圆型偏微分方程。偏微分算子(可以在任意维空间中定义这样的算子)称为拉普拉斯算子,英文是Laplace operator或简称作Laplacian。 方程的解 称为调和函数,此函数在方程成立的区域内是解析的。任意两个函数,如果它们都满足拉普拉斯方程(或任意线性微分方程),这两个函数之和(或任意形式的线性组合)同样满足前述方程。这种非常有用的性质称为叠加原理。可以根据该原理将复杂问题的已知简单特解组合起来,构造适用面更广的通解。 二维方程 两个自变量的拉普拉斯方程具有以下形式: 解析函数的实部和虚部均满足拉普拉斯方程。 人物介绍

泊松方程拉普拉方程

泊松方程和拉普拉斯方程 势函数的一种二阶偏微分方程。广泛应用于电学、磁学、力学、热学等多种热场的研究与计算。 简史 1777年,拉格朗日研究万有引力作用下的物体运动时指出:在引力体系中,每一质点 的质量m k除以它们到任意观察点P的距离r k,并且把这些商加在一起,其总和 即P点的势函数,势函数对空间坐标的偏导数正比于在 P点的质点所 受总引力的相应分力。1782年,P.S.M.拉普拉斯证明:引力场的势函数满足偏微分方程: ,叫做势方程,后来通称拉普拉斯方程。1813年,S.-D.泊松撰文 指出,如果观察点P在充满引力物质的区域内部,则拉普拉斯方程应修改为 ,叫做泊松方程,式中ρ为引力物质的密度。文中要求重视势 函数 V在电学理论中的应用,并指出导体表面为等热面。 静电场的泊松方程和拉普拉斯方程 若空间分区充满各向同性、线性、均匀的媒质,则从静电场强与电势梯度的关系E=-墷V和高斯定理微分式,即可导出静电场的泊松方程: , 式中ρ为自由电荷密度,纯数εr为各分区媒质的相对介电常数,真空介电常数εo=8.854 ×10-12法/米。在没有自由电荷的区域里,ρ=0,泊松方程就简化为拉普拉斯方程。在各分区的公共界面上,V满足边值关系,

, 式中i,j指分界面两边的不同分区,σ为界面上的自由电荷密度,n表示边界面上的内法线方向。 边界条件和解的唯一性 为了在给定区域内确定满足泊松方程以及边值关系的解,还需给定求解区域边界上的物理情况,此情况叫做边界条件。有两类基本的边界条件:给定边界面上各点的电势,叫做狄 利克雷边界条件;给定边界面上各点的自由电荷,叫做诺埃曼边界条件。 边界几何形状较简单区域的静电场可求得解析解,许多情形下它们是无穷级数,稍复杂的须用计算机求数值解,或用图解法作等势面或力线的场图。 除了静电场之外,在电学、磁学、力学、热学等领域还有许多服从拉普拉斯方程的势场。各类物理本质完全不同的势场如果具有相似的边界条件,则因拉普拉斯方程解的唯一性,任何一个势场的解,或该势场模型中实验测绘的等热面或流线图,经过对应物理量的换算之后,可以通用于其他的势场。 静磁场的泊松方程和拉普拉斯方程 在SI制中,静磁场满足的方程为 式中j为传导电流密度。第一式表明静磁场可引入磁矢势r)描述:。 在各向同性、线性、均匀的磁媒质中,传导电流密度j 0的区域里,磁矢势满足的方程为 选用库仑规范,墷?r)=0,则得磁矢势r)满足泊松方程, 式中纯数μr 为媒质的相对磁导率,真空磁导率μo=1.257×10-6亨/米。在传导电流密度j=0的区域里,上式简化为拉普拉斯方程?2Α=0。

chenpc_文件下载_数理方法_实验四、拉普拉斯方程与泊松方程的求解

实验四 拉普拉斯方程与泊松方程的求解 一、拉普拉斯方程的求解 例题:求解定界问题: ()()()()()00,030,0,,sin 3,00,,sin cos xx yy u u x a y b y u y u a y b x x u x u x b a a πμππμ??+=≤≤≤≤????==? ?????????==? ? ?????? 任意选取定界问题中参数的值,例如取1,1,1a b μ===。用偏微分方程工具箱来求解的步骤如下。 1、画求解区域 在指令窗口中,输入pdetool ,打开偏微分方程工具箱的界面, 图1 微分方程工具箱的界面 选择菜单Options/Axes Limits ,打开对话框如图2所示。 图2 设置坐标变化范围的对话框

在X-axis range 和Y-axis range 栏中都输入[-0.1 1.1],单击按钮Apply 确认,再关闭对话框。 单击左上角画矩形框按钮,在pdetool 的窗口中画一个矩形,然后,在刚画出的灰色矩形区域内部双击鼠标左键,出现如图3所示的对话框,设置左边界(Left )参数为0,下边界(Bottom )参数为0,宽度(Width )参数为1,高度(Hight )参数为1,点击OK 按钮,画出一个边长为1的正方形区域01,01x y ≤≤≤≤,这个正方形被自动命名为R1,并显示在区域上方的公告栏(Set Formula )中。 图3 确定正方形区域的边界位置和名称的对话框 2、设定方程类型 单击按钮,打开如图4所示的对话框。 图4 设置方程类型的对话框 在方程类型中选择椭圆型,这时方程的形式为 ()c u au f -???+= 取1,0,0c a f ===,设置好参数后,单击OK 即可。 3、设定边界条件 单击按钮,进入边界模式。这时区域由灰色变成白色,而边界变成红色。选择菜单Boundary/Show Edge Labels ,给四条边界标上序号1,2,3,4。根据题意,双击边界1,打

拉普拉斯方程

拉普拉斯方程 求助编辑百科名片 拉普拉斯方程 拉普拉斯方程(Laplace'sequation),又名调和方程、位势方程,是一种偏微分方程。因为由法国数学家拉普拉斯首先提出而得名。求解拉普拉斯方程是电磁学、天文学和流体力学等领域经常遇到的一类重要的数学问题,因为这种方程以势函数的形式描写了电场、引力场和流场等物理对象(一般统称为“保守场”或“有势场”)的性质。 目录 拉普拉斯方程(Laplace equation) 在数理方程中 狄利克雷问题 诺伊曼边界条件 拉普拉斯方程的解 二维拉普拉斯方程 解析函数 三维情况下 二维拉普拉斯方程 解析函数 在流场中的应用 在电磁学中的应用 三维拉普拉斯方程 基本解 格林函数 在流场中的应用 拉普拉斯人物介绍 展开 拉普拉斯方程(Laplace equation) 在数理方程中 狄利克雷问题 诺伊曼边界条件 拉普拉斯方程的解 二维拉普拉斯方程 解析函数 三维情况下 二维拉普拉斯方程 解析函数 在流场中的应用 在电磁学中的应用 三维拉普拉斯方程 基本解 格林函数 在流场中的应用

拉普拉斯人物介绍 展开 编辑本段拉普拉斯方程(Laplace equation) 拉普拉斯方程表示液面曲率与液体压力之间的关系的公式。一个弯曲的表面称为曲面,通常用相应的两个曲率半径来描述曲面,即在曲面上某点作垂直于表面的直线,再通过此线作一平面,此平面与曲面的截线为曲线,在该点与曲线相重合的圆半径称为该曲线的曲率半径R1。通过表面垂线并垂直于第一个平面再作第二个平面并与曲面相交,可得到第二条截线和它的曲率半径R2,用R1与R2可表示出液体表面的弯曲情况。若液面是弯曲的,液体内部的压力p1与液体外的压力p2就会不同,在液面两边就会产生压力差△P= P1- P2,其数值与液面曲率大小有关,可表示为:▽p=γ(1/R1+1/R2)式中γ是液体表面张力。该公式成为拉普拉斯方程。 在数理方程中 拉普拉斯方程为:Δu=d^2u/dx^2+d^2u/dy^2=0,其中Δ 为拉普拉斯算子,此处的拉普拉斯方程为二阶偏微分方程。三维情况下,拉普拉斯方程可由下面的形式描述,问题归结为求解对实自变量x、y、z二阶可微的实函数φ : 其中Δ称为拉普拉斯算子. 拉普拉斯方程的解称为调和函数。 如果等号右边是一个给定的函数f(x, y, z),即: 则该方程称为泊松方程。拉普拉斯方程和泊松方程是最简单的椭圆型偏微分方程。偏微分算子或Δ(可以在任意维空间中定义这样的算子)称为拉普拉斯算子,英文是Laplace operator或简称作Laplacian。 狄利克雷问题 拉普拉斯方程的狄利克雷问题可归结为求解在区域D内定义的函数φ,使得在D的边界上等于某给定的函数。为方便叙述,以下采用拉普拉斯算子应用的其中一个例子——热传导问题作为背景进行介绍:固定区域边界上的温度(是边界上各点位置坐标的函数),直到区域内部热传导使温度分布达到稳定,这个温度分布场就是相应的狄利克雷问题的解。 诺伊曼边界条件 拉普拉斯方程的诺伊曼边界条件不直接给出区域D边界处的温度函数φ本身,而是φ沿D的边界法向的导数。从物理的角度看,这种边界条件给出的是矢量场的势分布在区域边界处的已知效果(对热传导问题而言,这种效果便是边界热流密度)。 拉普拉斯方程的解 称为调和函数,此函数在方程成立的区域内是解析的。任意两个函数,如果它们都满足拉普拉斯方程(或任意线性微分方程),这两个函数之和(或任意形式的线性组合)同样满足前述方程。这种非常有用的性质称为叠加原理。可以根据该原理将复杂问题的已知简单特解组合起来,构造适用面更广的通解。 编辑本段二维拉普拉斯方程 两个自变量的拉普拉斯方程具有以下形式: 函数h (x,y) 为二元函数,h(x,y) 对x的二阶偏导数+ h(x,y)对y的二阶偏导数= 0 解析函数 解析函数的实部和虚部均满足拉普拉斯方程。换言之,若z= x+ iy,并且 那么f(z)是解析函数的充要条件是它满足下列柯西-黎曼方程:f(z)= u(x,y) + iv(x ,y) u 对x的偏导数= v 对y 的偏导数,u 对y 的偏导数= - (v 对x 的偏导数)上述方程继续求导就得到 所以u满足拉普拉斯方程。类似的计算可推得v同样满足拉普拉斯方程。

拉普拉斯方程数值解

二维有限差分析是求解两个变量的拉普拉斯方程的一种近似方法,这种方法的要点如 下: 在平面场中,将平面划分成若干正方形格子,每个格子的边长都等于 h ,图13-10表示 其中的一部分,设 0点的电位为V o ,0点周围方格顶点的电位分别为 V 1、V 2、V 3和V 4。现 在来推导一个用 V" V 2、V 3和V 4表示V o 的公式: 图 13-10 已知平面场的电位满足两个变量的拉普拉斯方程: c 2V eV c —— + r =0 其中 0点等距离的四个点上的电位平均值, 距 离h 愈小则结果愈精确,方程(13.47)是用近似 法求解两个变量拉普拉斯方程的依据。 然而,V 0和V 1、V 2、V 3、V 4都是未知值,这种情况下需要按照方程( 13.47)写出每 一点的电位方程,然后求这些方程的联立解。 求解时较简便的方法是选代法,这种方法可求出平面场中各点电位的近似值。 图13-11表示一个截面为正方形的导体槽,槽的顶面与侧面相互绝缘,顶面的电位为 ex 2 但是 所以 同理 eV g 2V ex 2 ex ex 2 c 2V & I 泳丿0 V 1 -V o az --------------- - h V 1 -V 0 a : SV s : h 2 将上面两个方程相加一起得: c 2V + ex 2 "■2 eV h V o-V 3 ft ----- V o -V 3 a : h 2 .c z — h 2 由上面方程推出: V 0俺一(V 1 a +V 4) 4 该式说明0点的电位近似等于相互垂直的方向上和 (13.47)

V 0,侧面与底面的电位都等于零。为了求出槽中各点的电位,将槽分成十六个相同的方格, 这些方格在槽中 共有九个顶点。用 V 1、V 2,…,V 9表示各顶点的电位。求解步骤如下: 图 13-11 第一步,假设某点的电位为某值, 称为某点的原始电位, 原始电位等于多少并不影响最 后的结果。如果原始电位选择得当,则计算步骤会得到简化。 第二步,根据原始电位,利用式( 13.47)求出每点周围四个点电位的平均值,电位平 均值一般不等于电位的原始值,将平均值代替原始值就得到每点电位的第一次选代值。 根据第一次选代值求出每点周围四个点电位的平均值, 如果平均值不等于第一次选代值, 将平均值代替第一次选代值,得到每点电位的第二次选代值。 第三步,利用式(13.47)对每点电位进行选代,一直到每点的电位与它的周围四个点 的电位平均值相差在允许范围内为止。 【例13.1】在图13-12中,设V=100,试用选代法求方格顶点上的电位。 图 13-12 解:设九个顶点的电位分别用 V 1、V 2、…、V 来表示。 第一步:设每点的原始电位都等于零。 第二步:根据原始电位利用公式, V 0 丸一M +V 2 +V 3 +V 4),求出各点的周围电位的 4 平均值为:y =V 2 =V 3丄一(100 +0 +0 +0) =25。其余各点周围电位的平均值都等于零。 4 然后将所得的平均值代替原始值,得到第一次选代值。第三步,根据第一次选代值,求 出各点周围电位的平均值为: 2 0 忙=0 萨=0 矿=0 V =0 然后 就

泊松方程

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的偏微分方程。是因法国数学家、几何学家及物理学家泊松而得名的。 泊松首先在无引力源的情况下得到泊松方程,△Φ=0(即拉普拉斯方程);当考虑引力场时,有△Φ=f(f为引力场的质量分布)。后推广至电场磁场,以及热场分布。该方程通常用格林函数法求解,也可以分离变量法,特征线法求解。 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。 泊松方程数学表达 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。 泊松方程应用 在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

拉普拉斯方程 水平集方法等

拉普拉斯方程(Laplace's equation),又名调和方程、位势方程,是一种偏微分方程。定义三维情况下,拉普拉斯方程可由下面的形式描述,问题归结为求解对实自变量x、y、z二阶可微的实函数φ : 上面的方程常常简写作: 或 其中div表示矢量场的散度(结果是一个标量场),grad表示标量场的梯度(结果是一个矢量场),或者简写作: Δφ = 0 其中Δ称为拉普拉斯算子. 拉普拉斯方程的解称为调和函数。 如果等号右边是一个给定的函数f(x, y, z),即: 则该方程称为泊松方程。拉普拉斯方程和泊松方程是最简单的椭圆型偏微分方程。偏微分算子或Δ(可以在任意维空间中定义这样的算子)称为拉普拉斯算子,英文是Laplace operator或简称作Laplacian。 拉普拉斯方程的狄利克雷问题可归结为求解在区域D内定义的函数φ,使得φ在D 的边界上等于某给定的函数。为方便叙述,以下采用拉普拉斯算子应用的其中一个

例子——热传导问题作为背景进行介绍:固定区域边界上的温度(是边界上各点位置坐标的函数),直到区域内部热传导使温度分布达到稳定,这个温度分布场就是相应的狄利克雷问题的解。 拉普拉斯方程的诺伊曼边界条件不直接给出区域D边界处的温度函数φ本身,而是φ沿D的边界法向的导数。从物理的角度看,这种边界条件给出的是矢量场的势分布在区域边界处的已知效果(对热传导问题而言,这种效果便是边界热流密度)。 拉普拉斯方程的解称为调和函数,此函数在方程成立的区域内是解析的。任意两个函数,如果它们都满足拉普拉斯方程(或任意线性微分方程),这两个函数之和(或任意形式的线性组合)同样满足前述方程。这种非常有用的性质称为叠加原理。可以根据该原理将复杂问题的已知简单特解组合起来,构造适用面更广的通解。 二维拉普拉斯方程 狄利克雷边界条件(u(r=2)=0、u(r=4)=4sin(5*θ))下的环形拉普拉斯方程(r=2、R=4)图形 两个自变量的拉普拉斯方程具有以下形式: 解析函数 解析函数的实部和虚部均满足拉普拉斯方程。换言之,若z = x+ iy,并且 那么f(z)是解析函数的充要条件是u(x,y),v(x,y)可微,且满足下列柯西-黎曼方程:

拉普拉斯方程之美

拉普拉斯方程之美 ——万物的数学之匙 物理是一个天生自带暗语密码的学科。而正是这些密码将宇宙里的各种秘密转为人类语言。它们可以把最纯粹的数学和任意物理下的分科联合在一起。而这,正是其中之一。 它存在于电磁学,存在于流体力学,存在于万有引力,存在于热力学,也存在于表面张力里。它,乃是拉普拉斯方程。它,无处不在。 拉普拉斯方程是由皮埃尔-西蒙·拉普拉斯(Pierre-Simon Laplace)首先提出而得名的。拉普拉斯则是一位世界著名的法国数学家,在维基百科上甚至有数个被冠以他的名字的页面。在1799年,他证明了在天文时间单位里,太阳系是一个稳定的系统,推翻了一个世纪前牛顿的假设。在这个过程中,拉普拉斯方程诞生了。 皮埃尔-西蒙·拉普拉斯

它只有5个符号。被平方的一个名为向量算子的倒三角,希腊字母φ,等号,零。通过这五个符号,拉普拉斯读懂了宇宙。 φ,这个方程的精髓,通常代表势能。虽然它也可以代表其他的数值,但是在这里,我们将φ定为代表一片陆地每一点的海拔。山坡上的φ很大,山谷里的φ则很小。 被一系列运算所代表的向量算子平方被称之为拉普拉斯算子。它所测量的是在这篇陆地上移动时φ值升降之间的平衡。 在山顶上,不论任何方向,唯一的可能就是海拔的下降,因为它已是最高点。这时的拉普拉斯算子是负数,因为下降值比上升值大。山谷底则完全相反,正数的拉普拉斯算子是因为唯一的可能就是上升。而在这两者之间则存在着一处平衡点,在那,一步可能带来的上升和下降完全相同。在这处平衡点上,拉普拉斯算子为零。 在拉普拉斯方程里,一片陆地上所有地点的拉普拉斯算子都等于零。而这有两个结果。第一,在任何一个位置上,你都可以上升或下降相同的海拔。第二,一片陆地最高和最低的φ值都只能存在于边境。这是因为,如果φ值有变,它只能在抵达峰顶或谷底之前发生。 现实的地面很难符合拉普拉斯方程,但是皂膜不一样。把一个铁圈放进肥皂水里再拿出来,你将发现制造出来的皂膜会没有任何起伏。你可以拿着铁圈换一换姿势,但是你会发现你没有任何办法使皂膜高出或底出铁圈。从任何角度来看,铁圈的边缘都是这个平面的最高与最低点。 皂膜之所以形成这个形状是由于表面张力导致的。但是拉普拉斯算子完美的预料到并描述了它。而且你要记住,拉普拉斯发明出这个方程的原因是因为它描述了整个太阳系。

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