拉普拉斯方程、帕松方程與位勢論

牛頓位勢(Newtonian potential)

把你所有的質量(或電荷)集中到單一點,問它產生什麼重力(或電)位勢。答案——三維中牛頓萬有引力定律的 1/r 位勢——就是每個位勢生長的種子。它是空無空間對單一點源的反應,而藉由把這些反應依源的實際密度加權相加,你就能建造任何分布的位勢。這個基本構件就是牛頓位勢,也稱為拉普拉斯算子的基本解。

精確地說,基本解是那個在原點以外調和、其拉普拉斯算子為原點處單位點源(狄拉克 δ)的函數。在三維中它正比於 1/r(牛頓位勢,依標準正負號為 -1/(4 pi r));在二維中正比於 log r(對數位勢);一般而言是到源點距離的某次冪或對數。把此核與源密度 f 卷積,給出帕松方程 Laplacian u = f 的一個特解:分布的位勢就是各點源位勢的疊加,每個源貢獻它的 1/r 尾巴,遍及整個物體相加。這就是自由空間中帕松方程的積分解。

牛頓位勢是位勢論的基石,也是偏微分方程中每個格林函數與基本解的原型。它解釋了為何遠離任何有限物體時,其場看起來像中心一個點質量的場(領頭的 1/r 項),而對它的細緻分析——位勢的平滑度如何取決於密度的平滑度——是橢圓型正則性背後的模型計算。關鍵的誠實:它在源處奇異。位勢在點質量處發散,而 δ 源不是函數而是分布,故方程 Laplacian u = delta 應理解為分布意義下、而非逐點。

把 1/r 核在球上積分,算出一個均勻實心球的重力位勢,結果在球外等於球心一個點質量的位勢。這就是牛頓殼層定理,它直接由疊加各點源的牛頓位勢得出。

把點源位勢在密度上相加,你就得到任何物體的場。

此核在源處奇異(1/r 發散、log r 發散),而源本身是狄拉克 δ——一個分布,而非普通函數。故 Laplacian(基本解)= delta 在分布意義下成立;在源以外基本解是完全調和的。

又稱
fundamental solution of the Laplacianlogarithmic potential基本解對數位勢