Логарифмический потенциал

Pause

Логарифми́ческий потенциа́л — потенциал на плоскости с ядром , то есть свёртка (компактно сосредоточенной) меры или обобщённой функции с функцией [1][2][3]:

Формальная запись вида без знака свёртки некорректна, поскольку обозначает поточечное умножение обобщённой функции на сингулярную; корректный смысл задаётся именно интегралом свёртки.

В смысле обобщённых функций

Классическое тождество с непрерывными вторыми производными требует от плотности условия Гёльдера (или ); при одной лишь непрерывности потенциал принадлежит классу , а уравнение Пуассона выполняется в слабом смысле[4][5].

undefined

По аналогии с ньютоновым потенциалом различают потенциал площади (аналог объёмного), простого слоя и двойного слоя. В отличие от ядра в , логарифм имеет особенность и на бесконечности: внешние краевые задачи ставятся иначе, «регулярность в бесконечности» для гармонических функций на плоскости означает рост не быстрее [1]. Логарифмический потенциал также является предельным (критическим) случаем потенциала Рисса при стремлении порядка в [6].

Общие сведения
Что важно знать
Логарифмический потенциал
Область использования Теория потенциала, Уравнения математической физики, Комплексный анализ, Гидродинамика, Теория упругости, Статистическая физика
Дата появления XVIII век (оформление общего понятия потенциала), 1828 (работа Дж. Грина), 1927 (монография Г. К. Эванса)
Место появления Математический анализ (Великобритания, работа Дж. Грина, 1828 г.; Германия, работа К. Ф. Гаусса, 1840 г.)
Автор понятия Ж. Л. Лагранж, П.-С. Лаплас, С. Д. Пуассон (общее понятие потенциала); Дж. Грин (введение связанных функций, 1828); К. Ф. Гаусс (общие теоремы о потенциале, 1840); Г. К. Эванс (систематическое исследование двумерного случая, 1927)
Ключевые слова ядро, свёртка, мера Радона, обобщённая функция, уравнение Пуассона, потенциал простого слоя, потенциал двойного слоя, логарифмическая ёмкость, функция Грина
Базовые понятия Теория потенциала, Плоскость (), Лапласиан, Дельта-функция, Гармоническая функция

История

Понятие потенциала как функции, градиент которой даёт силовое поле, оформилось в XVIII веке (Лагранж, Лаплас, Пуассон). Дж. Грин в An Essay on the Application of Mathematical Analysis to the Theories of Electricity and Magnetism (1828) ввёл то, что позже назвали функцией Грина, и вывел формулы Грина[7]. К. Ф. Гаусс в Allgemeine Lehrsätze… (1840) дал общие теоремы о ньютоновом потенциале[8].

Двумерный случай с ядром логарифма выделяется как предельная форма ньютонова потенциала при трансляционной инвариантности вдоль оси и как естественный аппарат плоских краевых задач. О. Д. Келлог посвятил логарифмическому потенциалу отдельную главу Foundations of Potential Theory (1929), подчеркнув иное поведение на бесконечности[5]. Г. К. Эванс (1927) разобрал разрывные задачи Дирихле и Неймана именно для логарифмического ядра[9]. Ш. Ж. де ла Валле-Пуссен (1949) связал логарифмический потенциал с выметанием и конформными отображениями[10].

В русской школе каноническое изложение слоёв и скачков дано Н. М. Гюнтером («Теория потенциала», 1953) и в курсе уравнений математической физики В. С. Владимирова[2][11]. Н. И. Мусхелишвили встроил эти потенциалы в теорию сингулярных интегральных уравнений и плоской упругости[12]. Современная абстрактная теория (ёмкости, тонкая топология) изложена у Н. С. Ландкофа (1966; англ. 1972)[13].

undefined

Физический смысл

Логарифмический потенциал описывает двумерную электростатику (или двумерную ньютонову гравитацию) с плотностью . В трёхмерной картине это потенциал распределения, не зависящего от одной декартовой координаты: бесконечная заряженная нить, цилиндр, вал[1][14][15].

undefined

Нормировка ядра даёт . Редукция трёхмерного закона Гаусса в единицах СГС для нити линейной плотности приводит к и : математический логарифмический потенциал отличается от этой физической нормировки множителем 2. В системе СИ . Аддитивная постоянная на плоскости не фиксируется условием на бесконечности, что требует задания потенциала относительно некоторого конечного радиуса.

Точку удобно отождествлять с комплексным числом; модуль тогда есть евклидова норма. Если плотность комплекснозначна, действительную и мнимую части рассматривают отдельно.

Потенциал площади

Пусть  — ограниченная область, ,

Если , то и гармонична в (а также в тех точках , где ). При

Полная «масса» видна в главном члене ; если , потенциал не стремится к нулю на бесконечности[16].

undefined

Потенциал простого слоя

На спрямляемой кривой

При потенциал непрерывен на всей плоскости, гармоничен в и

Если  — кривая Ляпунова (нормаль гёльдерова) и  — единичная нормаль, то касательные производные непрерывны при переходе через , а нормальная производная имеет скачок. Обозначая «» сторону, куда указывает (внешность, если нормаль внешняя), и «» противоположную сторону, а без индекса — прямое значение (сингулярный интеграл на )[1][2],

Отсюда . Таким образом, разрывна именно нормальная производная, в то время как сам потенциал и его касательные производные непрерывны[17][18].

undefined

Потенциал двойного слоя

где  — угол между внешней нормалью и вектором , направленным из точки интегрирования в точку наблюдения . Такое определение угла обеспечивает строгую согласованность с оператором нормальной производной и корректные предельные переходы для постоянной плотности[1].

undefined

При функция гармонична и в ограниченной компоненте , и во внешности (то есть в ). На бесконечности : двойной слой, в отличие от простого, регулярен в бесконечности[1].

На кривой Ляпунова существуют непрерывные предельные значения с каждой стороны (глобальной непрерывности на нет — есть скачок). Прямое значение на непрерывно, и при соглашении о внешней нормали:

где справа — прямое значение интеграла. Нормальная производная двойного слоя непрерывна при переходе через [1].

Если и  — внешняя нормаль,

Это двумерный аналог телесного угла (индекс кривой или число оборотов)[19][20][21].

Примеры

Точечный заряд

Для

Поле ; поток через замкнутую кривую равен , если находится внутри неё.

Однородный диск

Пусть , , . Тогда[5]

Снаружи диск неотличим от точки массы ; и непрерывны на окружности. При слагаемое с пропадает. В гидродинамике этот пример математически эквивалентен задаче о вихревом пятне Ранкина: функция тока идеальной несжимаемой жидкости для вихря с постоянной завихренностью внутри круга и нулевой снаружи в точности совпадает с данным логарифмическим потенциалом.

undefined

Постоянный простой слой на окружности

, . Полная масса . Внутри потенциал постоянен:

Прямое значение нормальной производной равно , что согласуется с формулами скачка: снаружи , внутри .

Применение

  • Равновесная мера и теорема Фростмана. Для любого компакта существует единственная вероятностная равновесная мера , минимизирующая логарифмическую энергию . Согласно теореме Фростмана, потенциал этой меры удовлетворяет неравенству всюду на , причём квазивсюду на носителе меры . Эта теорема лежит в основе определения логарифмической ёмкости компакта, которая связана с трансфинитным диаметром и конформным радиусом[10][22].
  • Краевые задачи на плоскости. Задачи Дирихле и Неймана для уравнения Лапласа сводятся к интегральным уравнениям Фредгольма на границе: плотность простого слоя ищется для задачи Неймана, а плотность двойного слоя — для задачи Дирихле[23][24].
  • Комплексный анализ. Логарифмический потенциал в плоскости связан с вещественной частью комплексного логарифма: фундаментальное решение уравнения Лапласа в имеет вид , что с точностью до постоянного множителя совпадает с .

Интеграл типа Коши

выражается через комбинацию потенциалов простого и двойного слоёв, так как ядро Коши раскладывается по нормали и касательной к контуру:

[25].

Функция Грина плоской области обязательно содержит логарифмическую особенность:

где  — гармоническая по функция, подобранная так, чтобы при . Слагаемое (или с множителем ) обеспечивает правильное поведение фундаментального решения в окрестности полюса ..

  • Гидродинамика и упругость. Двумерный закон Био — Савара для точечного вихря есть повёрнутый градиент логарифмического потенциала. Плоская теория упругости (метод Колосова — Мусхелишвили) опирается на те же гармонические ядра.
  • Численные методы. Метод граничных элементов в дискретизует простой и двойной слой. Для преодоления слабой сингулярности ядра применяются методы вычитания сингулярности или специализированные квадратурные формулы Гаусса с логарифмическим весовым множителем.
  • Теория случайных матриц и статистическая физика. В гауссовских ансамблях случайных матриц (GUE, GOE) и ансамбле Гинибра совместная плотность вероятности собственных значений содержит множитель . В логарифмическом масштабе это соответствует энергии взаимодействия частиц двумерного кулоновского газа (газа Дайсона). При размере матрицы эмпирическая спектральная мера стремится к равновесной мере логарифмического потенциала во внешнем поле, определяемом распределением элементов матрицы[26].
undefined

Примечания

  1. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 Logarithmic potential, Encyclopedia of Mathematics, <https://encyclopediaofmath.org/wiki/Logarithmic_potential>. Проверено 23 августа 2026.. 
  2. ↑ 1 2 3 Владимиров В. С., Жаринов В. В. Уравнения математической физики. — М.: Физматлит, 2004. — С. 320—322. — ISBN 5-9221-0310-5.
  3. ↑ Тихонов А. Н., Самарский А. А. Уравнения математической физики. — 7-е изд.. — М.: Изд-во МГУ, Наука, 2004. — С. 351. — (Классический университетский учебник). — ISBN 5-211-04843-1.
  4. ↑ Овчинников И. К. Теория поля. — М.: Недра, 1971. — С. 99.
  5. ↑ 1 2 3 Kellogg O. D. Foundations of Potential Theory. — Berlin: Springer, 1967. — С. 62—65. — ISBN 978-3-642-86750-7.
  6. ↑ Абубакиров Н. Р., Аксентьев Л. А. О прямых и обратных задачах логарифмического потенциала с конечным числом параметров // Известия вузов. Математика. — 2018. — № 8. — С. 75—82.
  7. ↑ Green G. An Essay on the Application of Mathematical Analysis to the Theories of Electricity and Magnetism. — Nottingham, 1828.
  8. ↑ Gauss C. F. Allgemeine Lehrsätze in Beziehung auf die im verkehrten Verhältnisse des Quadrats der Entfernung wirkenden Anziehungs- und Abstossungs-Kräfte. — Leipzig, 1840.
  9. ↑ Evans G. C. The Logarithmic Potential, Discontinuous Dirichlet and Neumann Problems. — New York: American Mathematical Society, 1927.
  10. ↑ 1 2 de la Vallée Poussin Ch. J. Le potentiel logarithmique, balayage et représentation conforme. — Louvain, 1949.
  11. ↑ Гюнтер Н. М. Теория потенциала и её применение к основным задачам математической физики / под ред. акад. В. И. Смирнова и проф. Х. Л. Смолицкого. — М.: Гостехиздат, 1953. — 416 с.
  12. ↑ Мусхелишвили Н. И. Сингулярные интегральные уравнения. — 3-е, испр. и доп.. — М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1968. — 512 с.
  13. ↑ Ландкоф Н. С. Основы современной теории потенциала. — М.: Наука, 1966.
  14. ↑ Webster A. G. Partial Differential Equations of Mathematical Physics. — Teubner / Stechert, 1950. — С. 200–201.
  15. ↑ Мусхелишвили Н. И. Сингулярные интегральные уравнения. — 3-е, испр. и доп.. — М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1968. — С. 217.
  16. ↑ Владимиров В. С., Жаринов В. В. Уравнения математической физики. — М.: Физматлит, 2004. — С. 282—283. — ISBN 5-9221-0310-5.
  17. ↑ Сетуха А. В. Метод интегральных уравнений в математической физике : учебное пособие. — М.: Издательство Московского университета, 2023. — С. 76. — (Библиотека факультета ВМК МГУ). — ISBN 978-5-19-011945-9.
  18. ↑ Тихонов А. Н., Самарский А. А. Уравнения математической физики. — 7-е изд.. — М.: Изд-во МГУ, Наука, 2004. — С. 367. — (Классический университетский учебник). — ISBN 5-211-04843-1.
  19. ↑ Сетуха А. В. Метод интегральных уравнений в математической физике : учебное пособие. — М.: Издательство Московского университета, 2023. — С. 76—77. — (Библиотека факультета ВМК МГУ). — ISBN 978-5-19-011945-9.
  20. ↑ Тихонов А. Н., Самарский А. А. Уравнения математической физики. — 7-е изд.. — М.: Изд-во МГУ, Наука, 2004. — С. 368—377. — (Классический университетский учебник). — ISBN 5-211-04843-1.
  21. ↑ Солдатова Татьяна Александровна. Обобщенные потенциалы двойного слоя // Вестник Московского университета. Серия 1. Математика. Механика. — 2009. — № 6.
  22. ↑ Ransford T. Potential Theory in the Complex Plane. — Cambridge University Press, 1995. — ISBN 0-521-46-120-0.
  23. ↑ Мусхелишвили Н. И. Сингулярные интегральные уравнения. — 3-е, испр. и доп.. — М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1968. — С. 218.
  24. ↑ Мазья В. Г., Поборчий С. В. О представлении решения задачи Неймана в области с пиком гармоническим потенциалом простого слоя // Вестник Санкт-Петербургского университета. Математика. Механика. Астрономия. — 2009. — № 3..
  25. ↑ Мусхелишвили Н. И. Сингулярные интегральные уравнения. — 3-е, испр. и доп.. — М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1968. — С. 40—42.
  26. ↑ Forrester P. J. Log-Gases and Random Matrices. — Princeton University Press, 2010. — ISBN 978-0-691-12829-0.

Литература

Pause