Laplacien scalaire

Laplacien scalaire: Opérateur laplacien

Articles d'analyse vectorielle

Objets d'étude

Champ vectoriel Champ scalaire

Équation aux dérivées partielles

de Laplace de Poisson

Opérateurs

Nabla Gradient

Rotationnel Divergence

Laplacien scalaire Bilaplacien

Laplacien vectoriel D'alembertien

Théorèmes

de Green de Stokes

de Helmholtz de flux-divergence

du gradient du rotationnel

L'opérateur laplacien, ou simplement le laplacien, est l'opérateur différentiel défini par l'application de l'opérateur gradient suivie de l'application de l'opérateur divergence. Il apparaît dans la formulation mathématique de nombreuses disciplines théoriques, comme la géophysique, l'électrostatique, la thermodynamique, la mécanique classique et quantique. On le retrouve systématiquement dans les expressions de l'équation de Laplace, de l'équation de Poisson et de l'équation de la chaleur.

Symbolisé par la lettre grecque delta, il correspond donc à l'opérateur nabla appliqué deux fois à la fonction considérée, d'où les identités :
$\Delta\phi = \nabla^2 \phi = \nabla \cdot (\nabla \phi) = \operatorname{div}\left(\overrightarrow {\operatorname{grad}}~\phi\right)$
Il s'applique aux champs scalaires. L'opérateur laplacien vectoriel, lui, s'applique aux champs vectoriels. Le laplacien admet une généralisation aux espaces non-euclidiens suffisamment lisses, appelé opérateur de Laplace-Beltrami. L'opérateur laplacien appliqué deux fois est appelé bilaplacien.

De manière plus générale, la définition du laplacien par la divergence du gradient (celle-ci étant prise sur l'indice tensoriel créé par le gradient) est valable pour un champ tensoriel quelconque $a$ . Le laplacien
$\Delta a = a^{;i}_{;i} = g^{ij} a_{;i;j}$
a le même nombre d'indices que $a$ .

Pour un champ scalaire, on a :
$\Delta a = \frac{1}{\sqrt{\det g}} \partial_i\left( \sqrt{\det g} \; g^{ij} \partial_j a \right)$ .
Cette formule permet, une fois établi le tenseur métrique $g$ , de calculer facilement le laplacien dans un système de coordonnées quelconque.

Sommaire

1 Expression dans différents systèmes de coordonnées

1.1 Coordonnées cartésiennes

1.2 Coordonnées cylindriques

1.3 Coordonnées sphériques

2 Propriétés

3 Fonction harmonique

4 Interprétation

4.1 Approche géométrique

5 Articles connexes

6 Lien externe

Expression dans différents systèmes de coordonnées

Coordonnées cartésiennes

En coordonnées cartésiennes bidimensionnelles, le laplacien est : $\Delta=\nabla^2 = \frac{\partial^2}{\partial x^2 } + \frac{\partial^2}{\partial y^2 }$

En coordonnées cartésiennes tridimensionnelles : $\Delta=\nabla^2 = \frac{\partial^2}{\partial x^2 } + \frac{\partial^2}{\partial y^2 } + \frac{\partial^2}{\partial z^2 }$

En coordonnées cartésiennes dans $\R^n$ : $\Delta f(x_1,\ldots,x_n)= \sum_{k=1}^n \frac{\partial^2 f}{\partial x_k^2 }(x_1,\ldots,x_n)$

Coordonnées cylindriques
$\begin{align} \Delta f &= \frac{1}{r} \frac{\partial}{\partial r} \left( r \frac{\partial f}{\partial r} \right) + \frac{1}{r^2} \frac{\partial^2 f}{\partial \theta^2} + \frac{\partial^2 f}{\partial z^2 } \\ &= \frac{\partial^2 f}{\partial r^2} + \frac{1}{r} \frac{\partial f}{\partial r} + \frac{1}{r^2}\frac{\partial^2 f}{\partial \theta^2} + \frac{\partial^2 f}{\partial z^2} \end{align}$
Coordonnées sphériques
$\begin{align} \Delta f &= \frac{1}{r^2} \frac{\partial}{\partial r} \left( r^2 \frac{\partial f}{\partial r} \right) + \frac{1}{r^2 \sin \theta} \frac{\partial}{\partial \theta} \left( \sin \theta \frac{\partial f}{\partial \theta} \right) + \frac{1}{r^2 \sin^2 \theta} \frac{\partial^2 f}{\partial \phi^2} \\ &= \frac{\partial^2 f}{\partial r^2} + \frac{2}{r} \frac{\partial f}{\partial r} + \frac{1}{r^2}\frac{\partial^2 f}{\partial \theta^2} + \frac{1}{r^2 \tan \theta} \frac{\partial f}{\partial \theta} + \frac{1}{r^2 \sin^2 \theta} \frac{\partial^2 f}{\partial \phi^2} \end{align}$
Propriétés

L'opérateur laplacien est linéaire : $\Delta (f + g) = \Delta f + \Delta g~$

L'opérateur laplacien vérifie la règle de Leibniz pour un opérateur différentiel d'ordre deux : $\Delta ( fg ) = ( \Delta f ) \,g + 2 \cdot( \nabla f ) \cdot ( \nabla g ) + f( \Delta g )$

L'opérateur laplacien est un opérateur négatif, au sens où, pour toute fonction $φ$ lisse à support compact, on a : $\int \phi \,\Delta \phi\ =\ -\int \|\operatorname{grad} \ \phi \|^2 \quad\le 0$ Cette égalité se démontre en utilisant la relation $Δ = div grad$ , en intégrant par parties, et en utilisant une version du théorème de Stokes, qui se transpose à l'integration par partie dans le cas unidimensionel.

Fonction harmonique

Article détaillé : fonction harmonique.

Une fonction $f: E \rightarrow \R$ (avec $E \subset \R^n$ ) est dite harmonique si elle vérifie l'équation suivante, appelée équation de Laplace :
$\forall x \in E, \quad \Delta f(x) = 0$
Interprétation

Article connexe : laplacien discret.

Le raisonnement se limitera au cas du plan. La dérivée d'une fonction en un point situé sur une droite se définit comme la limite du rapport des variations autour de ce point de la fonction et de la variable lorsque cette dernière variation tend vers zéro. En calcul numérique, une approximation de cette dérivée est donc obtenue pour un pas $h$ en utilisant des différences finies :
$\phi'(x) = \frac {\phi(x+h/2) - \phi(x-h/2)} {h}$
La dérivée seconde s'exprime par
$\phi''(x) = \frac {\phi'(x+h/2) - \phi'(x-h/2)} h = \frac {\phi(x+h) + \phi(x-h) - 2 \phi(x)} {h^2}$
Cette quantité, qui tend vers le Laplacien lorsque $h$ tend vers 0, est proportionnelle à la différence entre la somme des valeurs extrêmes et la valeur centrale. La propriété se généralise à un nombre quelconque de variables.

Approche géométrique

Il est indispensable de bien dégager une interprétation physique simple pour le laplacien, autrement dit de se demander quelle est la signification physique de la quantité ∇²ϕ, où ϕ est une grandeur physique quelconque. En particulier, ϕ peut être le potentiel gravifique $V$ ou le potentiel de pesanteur $U$ , mais ϕ peut aussi désigner une quantité plus compliquée qu'une simple grandeur scalaire, par exemple un vecteur ou un tenseur. Le laplacien étant un opérateur scalaire, on peut donc établir sa signification physique dans un système de coordonnées au choix. Pour des raisons de simplicité, nous utilisons ici des coordonnées cartésiennes $O x, O y, O z$ , dans lesquelles ∇² s'exprime par
$\nabla^2 = \frac{\partial^2}{\partial x^2} + \frac{\partial^2}{\partial y^2} + \frac{\partial^2}{\partial z^2}$ .
Supposons qu'en un point $O$ quelconque, pris comme origine de ce système d'axes $O x y z$ , le champ ϕ prenne la valeur ϕ₀. Considérons un cube élémentaire de côté $a$ , dont les arêtes sont parallèles aux axes de coordonnées et dont le centre se confond avec l'origine $O$ . La valeur moyenne de ϕ dans ce cube élémentaire, autrement dit la valeur moyenne de ϕ au voisinage du point $O$ , est fournie par l'expression
$\overline\phi = \frac1{a^3} \int_\mathcal C \phi(x,y,z)\;\mathrm dx \mathrm dy \mathrm dz$ ,
où les trois intégrations portent chacune sur le cube $C = [- a ⁄ 2, a ⁄ 2] 3$ .

En un point $P (x, y, z)$ arbitraire au voisinage de $O (0,0,0)$ développons ϕ en série de Taylor-Maclaurin. On a ainsi :
$\phi(x,y,z) = \phi_0 + \left(\frac{\partial\phi}{\partial x}\right)_0 x + \left(\frac{\partial\phi}{\partial y}\right)_0 y + \left(\frac{\partial\phi}{\partial z}\right)_0 z$ $+ \frac12 \left[ \left(\frac{\partial^2\phi}{\partial x^2}\right)_0 x^2 + \left(\frac{\partial^2\phi}{\partial y^2}\right)_0 y^2 + \left(\frac{\partial^2\phi}{\partial z^2}\right)_0 z^2 \right]$ $+ \left(\frac{\partial^2\phi}{\partial x\partial y}\right)_0 xy + \left(\frac{\partial^2\phi}{\partial y\partial z}\right)_0 yz + \left(\frac{\partial^2\phi}{\partial z\partial x}\right)_0 zx + \ldots$
D'une part, les fonctions impaires dans cette expression fournissent, par intégration de $- a ⁄ 2$ à $a ⁄ 2$ , une contribution nulle à ϕ. Par exemple,
$\int_\mathcal C x\;\mathrm dx \mathrm dy \mathrm dz = \left[ \frac{\left(\frac a2\right)^2}2 - \frac{\left(\frac{-a}2\right)^2}2\right] \left[\frac a2 - \frac{-a}2\right] \left[\frac a2 - \frac{-a}2\right] = [0] [a] [a] = 0$
D'autre part, les fonctions paires fournissent chacune une contribution de a⁵/12. Par exemple,
$\int_\mathcal C x^2\;\mathrm dx \mathrm dy \mathrm dz = \left[\frac{\left(\frac a2\right)^3}3 - \frac{\left(\frac{-a}2\right)^3}3\right] \left[\frac a2 - \frac{-a}2\right] \left[\frac a2 - \frac{-a}2\right] = \frac{a^5}{12 }$
On en déduit que
$\overline \phi = \phi_0 + \frac{a^2}{24} \left(\frac{\partial^2\phi}{\partial x^2} + \frac{\partial^2\phi}{\partial y^2} + \frac{\partial^2\phi}{\partial z^2}\right)_0$ ,
ou encore
$\overline\phi = \phi_0 + \frac{a^2}{24} \bigl(\nabla^2\phi\bigr)_0.$
Comme le point O a été choisi arbitrairement, on peut l'assimiler au point courant $P$ et laisser tomber l'indice « 0 ». On obtient donc l'expression suivante, dont l'interprétation est immédiate :
$\nabla^2\phi = \frac{24}{a^2} \left(\overline\phi - \phi\right)$ ,
c'est-à-dire la quantité ∇²ϕ est proportionnelle à la différence ϕ–ϕ. La constante de proportionnalité vaut $24/a 2$ en axes cartésiens. En d'autres termes, la quantité ∇²ϕ est une mesure de la différence entre la valeur de ϕ en un point quelconque $P$ et la valeur moyenne ϕ au voisinage du point $P$ . En particulier, les solutions de l'équation de Laplace, que l'on appelle des fonctions harmoniques, ont la propriété d'être des fonctions moyennes (ou des « fonctions de classe moyenne » dans le jargon mathématique).

Remarque : Le laplacien d'une fonction peut aussi être interprété comme la courbure moyenne locale de la fonction, que l'on visualise aisément pour une fonction à une seule variable $f (x)$ . On vérifiera aisément que le raisonnement proposé ici pour le laplacien s'applique à une fonction $f (x)$ et à sa dérivée seconde. La dérivée seconde (ou courbure) représente ainsi la déviation locale de la moyenne par rapport à la valeur au point considéré.

Articles connexes

Opérateur laplacien vectoriel

Opérateur bilaplacien

Laplacien discret

Harmoniques sphériques

Théorie du potentiel

Opérateur de Laplace-Beltrami

Nabla

Lien externe

Le laplacien sur MathWorld

Portail des mathématiques

Portail de la physique

Portail de la géodésie et de la géophysique

Ce document provient de « Op%C3%A9rateur laplacien ».

Catégories : Analyse vectorielle | Méthode mathématique de la physique | Géodésie | Géophysique | Physique mathématique | Mécanique | Milieux continus

Contenu soumis à la licence CC-BY-SA. Source : Article Laplacien scalaire de Wikipédia en français (auteurs)

Игры ⚽ Нужен реферат?

Regardez d'autres dictionnaires:

Opérateur laplacien scalaire — Opérateur laplacien Articles d analyse vectorielle Objet … Wikipédia en Français
Laplacien Discret — Articles d analyse vectorielle Objets … Wikipédia en Français
Laplacien — Opérateur laplacien Articles d analyse vectorielle Objet … Wikipédia en Français
Laplacien (signification physique) — Opérateur laplacien Articles d analyse vectorielle Objet … Wikipédia en Français
Laplacien vectoriel — Opérateur laplacien vectoriel Articles d analyse vectorielle … Wikipédia en Français
Laplacien discret — Soit une fonction réelle f de deux variables réelles {x, y}; on appelle, en analyse numérique, laplacien discret de f la dérivée seconde discrète selon x + celle selon y, soit : Cela est souvent utilisé pour résoudre des problèmes de… … Wikipédia en Français
Operateur laplacien — Opérateur laplacien Articles d analyse vectorielle Objet … Wikipédia en Français
Opérateur laplacien — L opérateur laplacien, ou simplement le laplacien, est l opérateur différentiel défini par l application de l opérateur gradient suivie de l application de l opérateur divergence. Il apparaît dans la formulation mathématique de nombreuses… … Wikipédia en Français
Operateur laplacien vectoriel — Opérateur laplacien vectoriel Articles d analyse vectorielle … Wikipédia en Français
Opérateur Laplacien vectoriel — Articles d analyse vectorielle … Wikipédia en Français

Mark and share
Search through all dictionaries
Translate…
Search Internet

Share the article and excerpts