偏微分方程

泊松方程

/ PWAH-sohn /

拉普拉斯方程描述空区域里的平衡——没有电荷、没有热源、没有质量。但真正令人感兴趣的通常是源所做的事:电荷所在之处,电势弯曲;热量被泵入之处,稳态温度凹陷或隆起;质量集中之处,引力势加深。泊松方程就是把源放回去的拉普拉斯方程,是静态场论的母方程。

它写作 nabla^2 u = f,即未知场的拉普拉斯算子等于一个给定的源密度 f(依赖于位置)。f 为零之处它退化为拉普拉斯方程、场是调和的;f 非零之处场被迫弯曲以容纳源。在静电学里这恰是 nabla^2 phi = -rho/epsilon_0,说势的曲率由当地电荷密度决定;在稳态热传导里源是内部产热率;在牛顿引力里 nabla^2 Phi = 4 pi G rho 把势与质量密度联系起来。解是对源的一个特解响应,加上任一由边界条件确定的调和函数。

泊松方程是从已知源分布通向它所产生的场的桥梁,求解它是静电学、引力以及带源稳态扩散的核心计算。标准工具是格林函数——单个点源的场——它让你能通过叠加(把点源场对源密度积分)搭出对任意 f 的响应。那个叠加积分正是为什么泊松问题尽管活在连续空间里,却归结为把每一小块源的贡献加起来。

一个均匀带电的球产生的势 phi 在球内满足 nabla^2 phi = -rho/epsilon_0,在球外满足 nabla^2 phi = 0(拉普拉斯)。在球面上把两个解匹配起来,就重现了那个熟悉的结果:球外的场看起来恰如球心处一个点电荷的场。

球内用泊松方程(电荷所在),球外用拉普拉斯方程(空区域)——在边界处缝合。

单独的泊松方程并不能确定场;你仍然需要边界条件,因为你总能加上任一调和函数(拉普拉斯方程的解)而不改变源项。

又称
inhomogeneous Laplace equation非齐次拉普拉斯方程帶源的位勢方程potential equation with source