Диференціальні операції другого порядку

 

Нехай в області  задані скалярне поле  і векторне поле , причому функції  мають в області  неперервні частинні похідні другого порядку. Тоді  і  є диференційовними векторними полями, а  – диференційовним скалярним полем.

До векторних полів  і  можна застосувати операції обчислення дивергенції і ротора, а до скалярного поля  – операцію обчислення градієнта. Таким чином, отримуємо повторні операції:

 

.

 

Операцію  називають оператором Лапласа і позначають також символом :

 

.

 

З допомогою оператора Гамільтона оператор Лапласа записується у вигляді

 

.

 

Враховуючи, що

 

,

дістаємо

 

.

 

Функція , яка задовольняє в деякій області рівняння Лапласа , називається гармонічною в цій області. Наприклад, лінійна функція  є гармонічною в довільній області. Оператор Лапласа широко застосовується в рівняннях математичної фізики. Відзначимо, зокрема, що потенціал електричного поля точкового заряду або поля тяжіння точкової маси, який має вигляд , при  задовольняє рівняння Лапласа:

 

 

(потенціальне векторне поле  є безвихровим) і

 

 

(векторне поле  є соленоїдальним).

1. Дві інші повторні операції  і  пов’язані співвідношенням

 

,                                        (1)

де – вектор-функція, координатами якої є результати застосування оператора Лапласа до функцій .

2. Розкладання векторного поля на суму потенціального і соленоїдального полів

Довільне неперервно диференційовне векторне поле  може бути зображено у вигляді

 

,                                         (2)

 

де  – потенціальне поле,  – соленоїдальне поле.

Дійсно, за означенням потенціальне векторне поле  є градієнтом деякого скалярного поля : . Тому для вектора  із рівності (2) маємо

 

.                                  (3)

 

Щоб векторне поле  було соленоїдальним, воно має задовольняти умову , звідси, враховуючи рівність (3), знаходимо

 

.

 

Таким чином, для скалярного потенціала поля  отримуємо рівняння

,                                            (4)

 

де  – відома функція даного поля .

Отже, якщо функція  є розв’язком рівняння (4), то, поклавши , , отримаємо зображення поля  у вигляді (2), де  – потенціальне поле,  – соленоїдальне поле.

Рівняння (2) – неоднорідне рівняння в частинних похідних другого порядку, яке називається рівнянням Пуассона:

 

.

 

Відзначимо, що це рівняння має (нескінченну) множину розв’язків, тому зображення поля  у вигляді (2) не є єдиним.