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Operador laplaciano En cálculo vectorial, el operador laplaciano o laplaciano es un operador diferencial elíptico de segundo orden, denotado como Δ, relacionado con ciertos problemas de minimización de ciertas magnitudes sobre un cierto dominio. El operador tiene ese nombre en reconocimiento a Pierre-Simon Laplace que estudió soluciones de ecuaciones diferenciales en derivadas parciales en las que aparecía dicho operador. Expresado en coordenadas cartesianas es igual a la suma de todas las segundas derivadas parciales no mixtas dependientes de una variable. Corresponde a div (grad φ), de donde el uso del símbolo delta (Δ) onabla cuadrado ( ) para representarlo. Si , son un campo escalar y un campo vectorial respectivamente, el laplaciano de ambos puede escribirse en términos del operador nabla como:

Índice [ocultar]    

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1Problemas relacionados con el operador laplaciano 2Motivación de la ubicuidad del operador laplaciano 3Propiedades del operador laplaciano 4Operador laplaciano en diversos sistemas de coordenadas o 4.1Coordenadas cartesianas o 4.2Coordenadas cilíndricas o 4.3Coordenadas esféricas o 4.4Coordenadas curvilíneas ortogonales 5Función armónica 6Generalizaciones del Laplaciano o 6.1Operador de Laplace-Beltrami o 6.2Operador de Laplace-deRham o 6.3Operador laplaciano para funciones no diferenciables 7Véase también 8Enlaces externos

Problemas relacionados con el operador laplaciano[editar] En física, el laplaciano aparece en múltiples contextos como la teoría del potencial, la propagación de ondas, la conducción del calor, la distribución de tensiones en un sólido deformable, etc. Pero de todas estas situaciones ocupa un lugar destacado en la electrostática y en la mecánica cuántica. En la electrostática, el operador laplaciano aparece en la ecuación de Laplace y en la ecuación de Poisson. Mientras que en lamecánica cuántica el laplaciano de la función de onda de una partícula da la energía cinética de la misma. En matemáticas, las funciones tales que su laplaciano se anula en un determinado dominio, se llamanfunciones armónicas sobre el dominio. Estas funciones tienen una excepcional importancia en la teoría de funciones de variable compleja. Además el operador laplaciano es el ingrediente básico de la teoría de Hodge y los resultados de la cohomología de De Rham. Véanse también: ecuación de Laplace y Ecuación de Poisson.

Motivación de la ubicuidad del operador laplaciano[editar]

Una de las motivaciones por las cuales el Laplaciano aparece en numerosas áreas de la física es que las soluciones de la ecuación en una región U son funciones que minimizan el funcional de energía:

Para ver esto supóngase que es una función, y función que se anula sobre la frontera de U. Entonces,

es una

donde la última igualdad se sigue usando la primera identidad de Green. Este cálculo muestra que si , entonces el funcional de energía E es estacionario alrededor de f. Recíprocamente, si E es estacionario alrededor de f, entonces por el teorema fundamental del cálculo integral. Otra razón de su ubicuidad es que cuando uno escribe la ecuación de Laplace en forma diferencias finitas se aprecia que el Laplaciano en un punto es la diferencia entre el valor de la función en el punto y el valor de la función alrededor. Es decir, cualquier magnitud que puede expresarse como una magnitud flujo que se conserva satisface la ecuación de Laplace.

Propiedades del operador laplaciano[editar] El laplaciano es lineal:

La siguiente afirmación también es cierta:

Operador laplaciano en diversos sistemas de coordenadas[editar] Coordenadas cartesianas[editar] En coordenadas cartesianas (plano) bidimensionales, el laplaciano de una función f es:

En coordenadas cartesianas tridimensionales:

En coordenadas cartesianas en

:

Coordenadas cilíndricas[editar] En coordenadas cilíndricas

:

Coordenadas esféricas[editar] En coordenadas esféricas

:

Coordenadas curvilíneas ortogonales[editar] En coordenadas ortogonales generales

:

Donde son los factores de escala del sistema de coordenadas, que en general serán tres funciones dependientes de las tres coordenadas curvilíneas.

Función armónica[editar] Una función

se dice que es armónica en E si:

Ejemplos de funciones armónicas:

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sobre el plano euclídeo. El potencial gravitatorio dado por es armónico sobre el espacio euclídeo tridimensional. los armónicos esféricos son funciones armónicas sobre un dominio finito o infinito, que aparecen en la resolución de problemas con simetría esférica.

Generalizaciones del Laplaciano[editar] El Laplaciano puede ser extendido a funciones definidas sobre superficies, o en forma más general, en variedades de Riemann y variedades seudoriemannianas.

Operador de Laplace-Beltrami[editar] Una extensión del Laplaciano a funciones reales defindas sobre una variedad es el operador de Laplace-Beltrami (denotado ). Se lo define, en forma similar al Laplaciano, como la divergencia del gradiente, donde el gradiente una función f definida en una variedad

(seudo) riemaniana y la divergencia de un campo vectorial X sobre la misma vienen dados en componentes por:

Donde:

, es tensor 2-contravariante asociado al tensor

métrico. , es la raíz cuadrada del valor absoluto del determinante del tensor métrico. El operador de Laplace-Beltrami de una función escalar, se obtiene como la divergencia y el gradiente definidos como anteriormente es decir:

Operador de Laplace-deRham[editar] En variedades riemannianas y pseudo-riemannianas existe otra generalización del laplaciano que lo extiende a k-formas, que es la base de la cohomología de Hodge-deRham. Esta extensión llamada operador de Laplace-deRham, y denotado como , se define en términos de la diferencial exterior (d) y la codiferencial exterior (δ) de k-formas o alternativamente en términos de la diferencial exterior y el operador dual de Hodge. Este operador de Laplace-deRham se define como:

Donde se ha usado que la codiferencial puede reescribirse en términos de la diferencial exterior y el operador dual de Hodge:

Donde n es la dimensión de la variedad (seudo)riemanniana y k es el orden de la k-forma α.

Operador laplaciano para funciones no diferenciables[editar] En el laplaciano puede generalizarse a funciones que no sean diferenciables pero que sean integrables sobre un círculo unidad contenido en cierta región. Así se define el laplaciano generalizado:

Puede demostrarse que para una función entorno de se tiene que:

definida en un