在数学以及物理中, 皮埃尔-西蒙·拉普拉斯 算子或是拉普拉斯 算符 ( 英语 : Laplace 经营者 , Laplacian)是一个 微分算子 ,通常写成 Δ 或 ∇²;这是为了纪念 皮埃尔-西蒙·拉普拉斯 而命名的。拉普拉斯 映射 有许多用途,此外也是椭圆型算子中的一个重要例子。在物理中,常用于波 方程 的 数学模型 、 热传导 方程以及 亥姆霍兹方程 。在 静电 学中, 拉普拉斯方程 和 泊松方程 的应用随处可见。在 量子力学 中,其代表 埃尔温·薛定谔 方程式中的动能项。在数学中,经拉普拉斯算子运算为零的函数称为调和函数;拉普拉斯算子是 霍奇理论 的核心,并且是 德拉姆上同调 的结果。
定义
拉普拉斯算子是 维 欧几里德空间 中的一个二阶 微分算子 ,定义为 梯度 ( )的散度( )。因此如果 是二阶可微的实函数,则f的拉普拉斯算子定义为:
的拉普拉斯算子也是 勒内·笛卡尔 坐标系 xi中的所有非混合二阶 偏导数 :
作为一个二阶 微分算子 ,拉普拉斯算子把 函数 映射 到 函数,对于 。算子 ,或更一般地,定义了一个算子 ,对于任何开集 。
函数的拉普拉斯算子也是该函数的 黑塞矩阵 的迹
另外,满足 的函数f,称为调和 函数.
坐标表示
二维空间
其中 与 代表 平面上的 勒内·笛卡尔 坐标:
另外极坐标的表示法为:
勒内·笛卡尔 坐标系 下的表示法
圆柱坐标系 下的表示法
球 坐标系 下的表示法
N维空间
在 参数方程 为(其中以及)的 维球 坐标系 中,拉普拉斯算子为:
其中是 维球面上的 皮埃尔-西蒙·拉普拉斯 贝尔特拉米 映射 。
恒等式
如果f和g是两个函数,则它们的乘积的拉普拉斯算子为:f是径向函数f(r)且g是 球谐函数 ,是一个特殊情况。这个情况在许多物理模型中有所出现。f(r)的 梯度 是一个径向 向量 ,而角函数的梯度与径向向量相切.
球谐函数还是球 坐标系 中的拉普拉斯算子的角部分的特征 函数
推广
拉普拉斯算子可以用一定的方法推广到非 欧几里德空间 ,这时它就有可能是椭圆型算子,双曲型算子,或超双曲型算子。