ある関数にグラディエントを演算し、さらにダイバージェントを演算する演算子をラプラシアンという。
記号的には、div
grad = ∇・∇ = ∇2 = △ で、いずれかで表現される。
さて、ラプラシアンは、物理現象を数学的に記述する様々な場面で現れる。
たとえば、電位と電荷密度の関係で説明したとおり、ポアソン方程式に現れる。
ほかにも、波を記述する方程式(シュレディンガー方程式(量子力学)、電磁波の伝搬(電気磁気学))などに現れる。
座標変数で、ラプラシアンを表す。
x,y,z座標では・・・
∇= | ex | ∂ ∂x |
+ey | ∂ ∂y |
+ez | ∂ ∂z |
△ = ∇・∇ = ( | ex | ∂ ∂x |
+ey | ∂ ∂y |
+ez | ∂ ∂z | )・( | ex | ∂ ∂x |
+ey | ∂ ∂y |
+ez | ∂ ∂z | ) |
= | ∂2 ∂x2 |
+ | ∂2 ∂y2 |
+ | ∂2 ∂z2 |
円柱座標では・・・
x,y,z座標での変数とベクトルを変換して計算する。微分における変数変換を参考にすれば、
∇= | er | ∂ ∂r |
+eφ | ∂ r∂φ |
+ez | ∂ ∂z |
△ = ∇・∇ = ( | er | ∂ ∂r |
+eφ | ∂ r∂φ |
+ez | ∂ ∂z | )・( | er | ∂ ∂r |
+eφ | ∂ r∂φ |
+ez | ∂ ∂z | ) |
= | ∂2 ∂r2 |
+ | ∂ r∂r |
+ | ∂2 r2∂φ2 |
+ | ∂2 ∂z2 |
= | 1 r | ∂ ∂r |
(r | ∂ ∂r | ) | + | ∂2 r2∂φ2 |
+ | ∂2 ∂z2 |
極座標では・・・
x,y,z座標での変数とベクトルを変換して計算する。微分における変数変換を参考にして、
∇= | er | ∂ ∂r |
+eθ | ∂ r∂θ |
+eφ | ∂ rsinθ∂φ |
△ = ∇・∇ = ( | er | ∂ ∂r |
+eθ | ∂ r∂θ |
+eφ | ∂ rsinθ∂φ |
)・( | er | ∂ ∂r |
+eθ | ∂ r∂θ |
+eφ | ∂ rsinθ∂φ |
) |
= | ∂2 ∂r2 |
+ | ∂ r∂r |
+ | ∂ r∂r |
+ | ∂2 r2∂θ2 |
+ | 1 r2 | cosθ∂ sinθ∂θ |
+ | ∂2 r2sin2θ∂φ2 |
= | 1 r2 | ∂ ∂r |
(r2 | ∂ ∂r |
)+ | 1 r2sinθ | ∂ ∂θ |
(sinθ | ∂ ∂θ | ) | + | ∂2 r2sin2θ∂φ2 |
一見複雑ですが、極座標表現は(量子力学を用いて)水素原子に束縛された電子の固有エネルギ−・波動関数を求めるときに役に立ちます。