7.4

מתמטיקה שימושית ו־AᵀA

משוואת לפלס על רשת

Laplace’s Equation and AᵀA

המשוואה uₓₓ+uᵧᵧ=0 הופכת לכלל ממוצע: כל צומת פנימי שווה לממוצע ארבעת שכניו. ערכי השפה הם שמניעים פתרון לא־קבוע.

יחידת לימוד עצמאיתשיעור 4 מתוך 5כ־70 דקות כולל תרגול3 מטרות למידה
  1. 1
    נקודת פתיחהמה כבר ידוע ומה השאלה?
  2. 2
    ניבוימה יקרה במקרה הפשוט?
  3. 3
    המחשהמה באמת משתנה בתמונה?
  4. 4
    ניסוח והצדקהשם, נוסחה ולמה היא נכונה
  5. 5
    בדיקהדוגמה, תרגול ומשוב
  6. 6
    העברהמקרה חדש והמשך המסלול

שאלה לפני נוסחה

מה אנחנו מנסים לראות?

לעבור ממשוואת לפלס הרציפה לכלל הממוצע הדיסקרטי, לבנות את K₂D, ולפרש את הפתרון גם כמצב שיווי משקל וגם כמינימום אנרגיה.

דמיינו לוח דק ששפתו מוחזקת בטמפרטורות קבועות. לאחר זמן רב אין הצטברות חום בשום נקודה פנימית: ערך גבוה משכניו יתקרר ונמוך מהם יתחמם. לכן בשיווי משקל כל נקודה היא ממוצע שכנותיה.

לפני ההמחשה: קראו רק את הכותרת “השפה החמה מחלחלת פנימה”. מה לדעתכם ישתנה, מה יישאר קבוע, ואיזה סימן בתמונה יוכל להפריך את הניבוי?

לראות לפני שמחשבים · המקרה הפשוט ביותר

השפה החמה מחלחלת פנימה

בפתרון לפלס הדיסקרטי כל צומת פנימי הוא ממוצע ארבעת שכניו ונשאר בין ערכי השפהשפה עליונה 4 · שאר השפה 0444401.51.5000.50.500000Uᵢⱼ=(Uleft+Uright+Uup+Udown)/40≤Uinterior≤4 · עקרון המקסימום
עקבו מהצורה הראשונית אל התוצאה

האיור מציג רשת שערכה העליון קבוע וחם ושלוש שפות אחרות קרות, עם ערכי הפתרון בכל צומת.

מה כדאי לגלות: אף ערך פנימי אינו עובר את ערכי השפה. כל תא פנימי מתאים בדיוק לממוצע ארבעת שכניו.

אחרי שראינו

בסוף השיעור תוכלו

  • להסביר מדוע פונקציה הרמונית מקיימת תכונת ממוצע ולמה ערכי הקיצון נמצאים על השפה.
  • לבנות משוואת חמש נקודות ומטריצה לבעיה דו־ממדית קטנה.
  • לפתור רשת עם ערכי שפה ולבדוק את ממוצע השכנים בכל צומת פנימי.

נותנים שמות למה שראינו

מושגים שנשתמש בהם

משוואת לפלס
המשוואה Δu=uₓₓ+uᵧᵧ=0 המתארת שיווי משקל ללא מקור פנימי.
פונקציה הרמונית
פונקציה שמקיימת את משוואת לפלס בתחום.
סטנסיל חמש נקודות
הנקודה המרכזית וארבע שכנותיה המשמשות לקירוב Δu.
תכונת הממוצע
ערך הרמוני פנימי שווה לממוצע שכניו בדיסקרטיזציה.
עקרון המקסימום
ללא מקור, מקסימום ומינימום לא־קבועים נקבעים על השפה.
אנרגיית דיריכלה
סכום ריבועי הפרשי שכנים; הפתרון ההרמוני ממזער אותו תחת ערכי השפה.

מהמילים אל הסימנים

כותבים את הפעולה שכבר ראינו

פתחו את הנוסחה רק אחרי שאתם יכולים לומר במילים מה כל פעולה אמורה לעשות. בשלב הבא נצדיק אותה צעד אחר צעד.

להצגת נוסחת המפתחקראו כל סימן כפעולה, לא כמשהו שצריך לשנןΔu=0 ב־Ω, u=g על ∂Ω; 4Uᵢⱼ−Uᵢ₋₁,ⱼ−Uᵢ₊₁,ⱼ−Uᵢ,ⱼ₋₁−Uᵢ,ⱼ₊₁=0

מרכיבים את הפעולות

מהתמונה אל הנוסחה — הגזירה, בלי לדלג על הצעדים

  1. מתחילים משתי נגזרות שניות

    משוואת לפלס דורשת שהעקמומיות בכיוון אחד תבטל את העקמומיות בכיוון האחר.

    uₓₓ+uᵧᵧ=0
  2. מחליפים כל נגזרת בהפרש

    באותו h בשני הכיוונים, כל נגזרת שנייה תורמת שני שכנים ו־−2Uᵢⱼ. לאחר כפל ב־−h² מתקבל מרכז 4 ושכנים −1.

    4Uᵢⱼ−Uᵢ₋₁,ⱼ−Uᵢ₊₁,ⱼ−Uᵢ,ⱼ₋₁−Uᵢ,ⱼ₊₁=0
  3. קוראים את כלל הממוצע

    העברת ארבעת השכנים לצד ימין וחלוקה ב־4 מראה שהמשוואה היא חוק איזון מקומי.

    Uᵢⱼ=(Uleft+Uright+Uup+Udown)/4
  4. מכניסים את השפה

    שכן פנימי נשאר במטריצה עם −1; שכן על השפה ידוע ולכן ערכו עובר לצד ימין. פינות שאינן שכנות ישירות לצומת פנימי אינן נכנסות.

    K₂D U=b_boundary
  5. מפרשים אנרגיה

    כל קשת קטנה ברשת תורמת (Uᵢ−Uⱼ)². גזירת האנרגיה לפי Uᵢ נותנת סכום הפרשים, כלומר משוואת לפלס בצומת.

    E(U)=½Σedges(Uᵢ−Uⱼ)²; ∇E=LU
  6. מסיקים עקרון מקסימום

    ממוצע של שכנים אינו יכול להיות גדול מכולם. אם צומת פנימי משיג מקסימום ממשי, גם שכניו חייבים לקבל אותו ערך, והטיעון מתפשט עד השפה.

    min(boundary)≤Uinterior≤max(boundary)

עכשיו רואים את השיטה בפעולה

דוגמאות פתורות, צעד אחר צעד

דוגמה 1

רשת פנים 2×2

השפה העליונה היא 4 ושלוש השפות האחרות 0. מצאו את ארבעת ערכי הפנים.

  1. מסימטריה נסמן את שני הערכים העליונים a ואת שני התחתונים b.

  2. לצומת עליון: ארבע פעמים a פחות השכן העליון 4, השכן האופקי a והשכן התחתון b שווה 0. לכן 3a−b=4.

  3. לצומת תחתון: השפה התחתונה 0, והשכנים הפנימיים הם b אופקי ו־a מעל. לכן 3b−a=0.

  4. מ־a=3b ומ־3a−b=4 מקבלים b=1/2 ו־a=3/2.

  5. בדיקה: 1.5 הוא ממוצע 4,0.5,1.5,0; ו־0.5 הוא ממוצע 1.5,0.5,0,0.

התוצאה ומה היא אומרת

שורת הפנים העליונה (1.5,1.5), והתחתונה (0.5,0.5).

דוגמה 2

פולינום הרמוני

בדקו ש־u(x,y)=x²−y² פותר את משוואת לפלס.

  1. נגזרת שנייה ב־x היא uₓₓ=2.

  2. נגזרת שנייה ב־y היא uᵧᵧ=−2.

  3. הסכום הוא 0 בכל נקודה, ולכן u הרמונית.

  4. הפונקציה אינה קבועה: עקמומיות חיובית בכיוון x מתבטלת בעקמומיות שלילית בכיוון y.

התוצאה ומה היא אומרת

Δu=2−2=0.

איפה זה פוגש את העולם

יישום

פוטנציאל חשמלי, זרימה בלתי דחיסה וטמפרטורת שיווי משקל מצייתים למשוואת לפלס. דיסקרטיזציה הופכת בעיה רציפה גדולה למערכת sparse שבה כל שורה מחברת צומת רק לשכניו.

מלכודת נפוצה

מה כדאי לבדוק

להכניס ערכי פינות ישירות למשוואת צומת שאינו שכן להן. סטנסיל חמש הנקודות כולל רק שמאל, ימין, מעלה ומטה; פינה אלכסונית אינה מופיעה.

בודקים שהרעיון יושב

תרגול ומשוב

בדיקת הבנה

בחרו תשובה ורק אז בדקו את עצמכם

אם כל ערכי השפה בין 0 ל־8 ואין מקור פנימי, איזה ערך פנים בלתי אפשרי?

בחרו אחת מהאפשרויות כדי להמשיך.

עכשיו אתם

אתגר קצר

ברשת פנים 1×1, ערכי ארבעת שכני השפה הם 2,4,6,8. מצאו את הערך הפנימי והסבירו גם דרך אנרגיה.

רמז ראשון

יש רק משוואה אחת: 4U פחות סכום ארבעת ערכי השפה שווה אפס.

הצגת דרך הפתרון
  1. 4U=2+4+6+8=20, ולכן U=5.
  2. זהו ממוצע ארבעת השכנים ונמצא בין 2 ל־8.
  3. האנרגיה היא ½[(U−2)²+(U−4)²+(U−6)²+(U−8)²].
  4. גזירת האנרגיה נותנת 4U−20=0, אותה משוואת לפלס.

מימוש הנושא

קוד שאפשר לקחת לניסוי

הקוד מיישם את אותו רעיון מתמטי. ב־JavaScript אפשר להריץ אותו כאן; גרסת Python זמינה להשוואה ולהעתקה.

הקשר למתמטיקה

הקוד בונה K₂D לכל רשת פנים, מעביר את השפה העליונה לצד ימין ופותר את המערכת באלימינציה.

פלט צפוי

ברשת 2×2 עם שפה עליונה 4 יתקבלו 1.5,1.5 בשורה העליונה ו־0.5,0.5 בתחתונה; שגיאת הממוצע תהיה כמעט אפס.

ניסוי המשך

הגדילו את הרשת ל־4×4 ושנו את השפה החמה מ־4 ל־8. האם כל ערכי הפנים מוכפלים בדיוק פי 2? מדוע?

מהרעיון אל הקוד

מימוש חישובי

function solve(A,b) {
  const M=A.map((row,i)=>[...row,b[i]]), n=A.length;
  for(let c=0;c<n;c++) { let p=c; for(let r=c+1;r<n;r++) if(Math.abs(M[r][c])>Math.abs(M[p][c])) p=r;
    [M[c],M[p]]=[M[p],M[c]]; const d=M[c][c]; for(let j=c;j<=n;j++) M[c][j]/=d;
    for(let r=0;r<n;r++) if(r!==c) { const f=M[r][c]; for(let j=c;j<=n;j++) M[r][j]-=f*M[c][j]; } }
  return M.map(row=>row[n]);
}

function laplaceGrid(n,top) {
  const count=n*n, K=Array.from({length:count},()=>Array(count).fill(0)), b=Array(count).fill(0);
  const index=(r,c)=>r*n+c;
  for(let r=0;r<n;r++) for(let c=0;c<n;c++) { const k=index(r,c); K[k][k]=4;
    for(const [dr,dc] of [[-1,0],[1,0],[0,-1],[0,1]]) { const rr=r+dr,cc=c+dc;
      if(rr>=0&&rr<n&&cc>=0&&cc<n) K[k][index(rr,cc)]=-1; else if(rr<0) b[k]+=top; } }
  return solve(K,b);
}

console.log(laplaceGrid(2,4));

לפני שממשיכים

מה לוקחים מהשיעור

  • משוואת לפלס הדיסקרטית היא כלל ממוצע מקומי.
  • השפה אינה קישוט: היא יוצרת את צד ימין וקובעת את הפתרון היחיד.
  • אותה מערכת מתקבלת גם מאיזון שטף וגם ממזעור סכום ריבועי הפרשים.
  • עקרון המקסימום מספק בדיקת שפיות חזקה לכל פתרון מספרי.

משימת מעבדה לשיעור הזה

תחנה 3 — מן המוט אל לוח דו־ממדי

עברו למצב לפלס, שנו את גודל הרשת ואת ערך השפה, ובדקו שכל תא פנימי הוא ממוצע שכניו.

לפתיחת התחנה
מקורות להעמקה בלבד — השיעור עומד בפני עצמו

מדריך המרצים: עמ׳ 207–209

ספר הלימוד: עמ׳ 416–422