拉普拉斯方程、帕松方程與位勢論

帕松方程(Poisson's equation)

/ pwah-SON /

拉普拉斯方程描述空無一物的空間中的平衡;帕松方程描述當有源在餵養此場時的平衡。把電荷放入某區域,靜電位勢就不再是調和的——它會因應電荷而彎曲。帕松方程精確地說出如何彎:位勢在每一點的不平衡量,由該處有多少源來決定。它就是把右端打開了的拉普拉斯方程。

寫出來就是 Laplacian u = f,其中 f 是給定的源項(一個已知的位置函數)——例如平面中的 u_xx + u_yy = f(x, y)。在 f = 0 之處方程退化為拉普拉斯方程,故 f 恰好是與調和平衡的局部偏離。在靜電學中它寫成 Laplacian u = -rho/epsilon_0,rho 為電荷密度;在重力中為 Laplacian u = 4 pi G rho,rho 為質量密度。通解為任一個特解(f 與基本解的卷積)加上任一個調和函數——而這個自由的調和部分由邊界條件確定。

帕松方程是位勢論以及一般平衡建模的主力:含內部加熱的穩態熱、受載彈性膜的撓曲、不可壓縮流中的壓力、行星的重力場。在一個區域上以指定邊界值求解它,就是帕松方程的狄利克雷問題;在簡單區域上用格林函數求解,而在數值上它是有限差分法與有限元素法的典型測試問題。

一個均勻帶電的球產生的位勢在內部(有電荷處)滿足 Laplacian u = 常數、在外部(空無一物)滿足 Laplacian u = 0。分別求解兩段並在表面接合,就得到熟悉的場:內部曲率恆定,外部則像 1/r 那樣衰減。

有源即帕松、無源即拉普拉斯——同一個場在不同區域分別服從兩者。

特解並不唯一:你可以加上任一個調和函數而仍滿足 Laplacian u = f。唯一性只有在加上邊界條件之後才出現。正負號慣例(Laplacian u = f 或 Laplacian u = -f)因教科書與物理脈絡而異——務必查清楚。

又称
inhomogeneous Laplace equation非齊次拉普拉斯方程