Laplacegleichung

Laplacegleichung
Dieser Artikel erläutert die partielle Differentialgleichung; die Berechnung des Drucks in einem kleinen Wassertropfen, der von der Oberflächenspannung hervorgerufen wird, ermöglicht die Young-Laplace-Gleichung.

Die Laplace-Gleichung (nach Pierre-Simon Laplace) ist die partielle Differentialgleichung zweiter Ordnung

\sum_{k=1}^n {\partial^2\over \partial x_k^2}\Phi= 0

für eine Funktion Φ in einem Gebiet \Omega\subset\R^n. Damit ist sie die homogene Poisson-Gleichung, das heißt, die rechte Seite ist null. Die Laplace-Gleichung ist der Prototyp einer elliptischen partiellen Differentialgleichung.

Ist der Rand \partial \Omega glatt und gibt man dort stetige Werte von Φ (Dirichlet-Randbedingung) oder stetige Werte der Normalenableitung von Φ (Neumann-Randbedingung) vor, so existiert eine Lösung der Laplace-Gleichung und die Lösung ist (im zweiten Fall bis auf eine Konstante) eindeutig.

Der Differentialoperator

\Delta = \sum_{k=1}^n {\partial^2\over \partial x_k^2}

heißt Laplace-Operator.

Eine Funktion Φ heißt harmonisch im Gebiet Ω, falls sie dort zweimal stetig differenzierbar ist und die Laplace-Gleichung erfüllt.

Mittelwerteigenschaft und Minimax-Prinzip

Ist Φ im Gebiet Ω harmonisch, so ist ihr Funktionswert Φ(x) an jeder Stelle x\in\Omega gleich dem Mittelwert von Φ auf der Oberfläche jeder Kugel B(x,r) um x mit Radius r, sofern die Kugel in Ω liegt,


\Phi(x) =
\frac{1}{|S(x,r)|}\int_{S(x,r)}\!\Phi(y)\,\mathrm d y = 
\frac{1}{|B(x,r)|} \int_{B(x,r)}\! \Phi(y)\, \mathrm dy\,.

Hierbei ist S(x,r) die Kugeloberfläche der Kugel B(x,r)\subset\Omega mit Mittelpunkt x\in\Omega und Radius r\,.

Weil der Mittelwert zwischen dem Minimum und Maximum liegt, nimmt eine harmonische Funktion, die auf dem Abschluss von Ω stetig ist, ihr Minimum und Maximum auf dem Rand an,

\max\{\Phi(\mathbf{x}), \mathbf{x}\in\Omega\} = \max\{\Phi(\mathbf{x}),\mathbf{x}\in\partial\Omega\}\,.

Bedeutung in der Physik

In der Elektrostatik genügt das elektrische Potential im ladungsfreien Raum der Laplace-Gleichung. Sind eine geometrische Leiteranordnung sowie das Potential der Leiter gegeben, so liegen Dirichlet-Randbedingungen vor (sofern die Leiter kein beschränktes Gebiet umschließen, nimmt man als weitere Randbedingung an, dass das Potential im Unendlichen gegen null geht). Dann gibt es genau eine Lösung der Laplace-Gleichung, das elektrostatische Potential. Beispielsweise ist das Potential in einem Faradayschen Käfig konstant.

Literatur

  • Burg, Haf, Wille: Höhere Mathematik für Ingenieure 5. Funktionalanalysis und Partielle Differentialgleichungen, 3. Auflage, 2004, Teubner

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