Opérateur laplacien

Opérateur laplacien : encyclopédie mathématique

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Article 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 un opérateur différentiel égal à la somme de toutes les deuxièmes dérivées partielles non mixtes d'une variable dépendante. Il joue un rôle fondamental dans de nombreuses disciplines théoriques, dont la géophysique, l'électrostatique, la thermodynamique, la mécanique classique et quantique. Il apparait notamment dans l'équation de Laplace, l'équation de Poisson et l'équation de la chaleur.

Symbolisé par la lettre grecque delta, il est défini comme la divergence du gradient. Il correspond aussi à l'opérateur nabla appliqué deux fois, 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

[modifier] Expression dans différents systèmes de coordonnées

[modifier] 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 $\R^n$ : $\Delta f(x_1,\ldots,x_n)= \sum_{k=1}^n \frac{\partial^2 f}{\partial x_k^2 }(x_1,\ldots,x_n)$

[modifier] Coordonnées cylindriques

$\begin{align} \Delta f &= \frac{1}{r} \frac{\partial}{\partial r} \left( r \frac{\partial f}{\partial r} \right) + \frac{1}{r^2} \frac{\partial^2 f}{\partial \phi^2} + \frac{\partial^2 f}{\partial z^2 } \\ &= \frac{\partial^2 f}{\partial r^2} + \frac{1}{r} \frac{\partial f}{\partial r} + \frac{1}{r^2}\frac{\partial^2 f}{\partial \phi^2} + \frac{\partial^2 f}{\partial z^2} \end{align}$

[modifier] Coordonnées sphériques

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

[modifier] 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 a l integration par partie dans le cas unidimensionel.

[modifier] 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 :

$\forall x \in E, \quad \Delta f(x) = 0$

[modifier] Interprétation

[modifier] Approche géométrique

Cube élémentaire d'arête a permettant de dégager la signification physique du laplacien

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.