{"id":935,"date":"2022-07-11T17:02:31","date_gmt":"2022-07-11T17:02:31","guid":{"rendered":"https:\/\/www.ethanepperly.com\/?p=935"},"modified":"2022-07-11T17:02:34","modified_gmt":"2022-07-11T17:02:34","slug":"sherman-morrison-for-integral-equations","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.ethanepperly.com\/index.php\/2022\/07\/11\/sherman-morrison-for-integral-equations\/","title":{"rendered":"Sherman\u2013Morrison for Integral Equations"},"content":{"rendered":"\n<p><\/p>\n\n\n\n<p>In this post, I want to discuss two of my favorite topics in applied mathematics: the <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Sherman\u2013Morrison_formula\">Sherman\u2013Morrison formula<\/a> and <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Integral_equation\">integral equations<\/a>. As a bridge between these ideas, we&#8217;ll use an integral equation analog of the Sherman\u2013Morrison formula to derive the solution for the <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Laplace%27s_equation\">Laplace equation<\/a> with <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Dirichlet_boundary_condition\">Dirichlet boundary conditions<\/a> in the 2D disk.<\/p>\n\n\n\n<h2 class=\"wp-block-heading\">Laplace&#8217;s Equation<\/h2>\n\n\n\n<p>Suppose we have a thin, flat (two-dimensional) plate of homogeneous material and we measure the temperature at the border. What is the temperature inside the material? The solution to this problem is described by <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Laplace's_equation\">Laplace&#8217;s equation<\/a>, one of the most ubiquitous partial differential equations in physics. Let <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-6c72e52ae99bf12dadb1364d9ef3f929_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#117;&#40;&#120;&#44;&#121;&#41;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"50\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/> denote the temperature of the material at point <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-bd3d5e5a67f33b4e889ddca1e20db1b7_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#40;&#120;&#44;&#121;&#41;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"39\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/>. Laplace&#8217;s equation states that, at any point <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-bd3d5e5a67f33b4e889ddca1e20db1b7_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#40;&#120;&#44;&#121;&#41;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"39\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/> on the interior of the material,<\/p>\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 43px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> (1) <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-9d9ef40d57b2a93aca1e8a169ba2124c_l3.png\" height=\"43\" width=\"223\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#98;&#101;&#103;&#105;&#110;&#123;&#101;&#113;&#117;&#97;&#116;&#105;&#111;&#110;&#42;&#125; &#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#92;&#112;&#97;&#114;&#116;&#105;&#97;&#108;&#94;&#50;&#125;&#123;&#92;&#112;&#97;&#114;&#116;&#105;&#97;&#108;&#32;&#120;&#94;&#50;&#125;&#32;&#117;&#40;&#120;&#44;&#121;&#41;&#32;&#43;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#92;&#112;&#97;&#114;&#116;&#105;&#97;&#108;&#94;&#50;&#125;&#123;&#92;&#112;&#97;&#114;&#116;&#105;&#97;&#108;&#32;&#121;&#94;&#50;&#125;&#32;&#117;&#40;&#120;&#44;&#121;&#41;&#32;&#61;&#32;&#48;&#46; &#92;&#101;&#110;&#100;&#123;&#101;&#113;&#117;&#97;&#116;&#105;&#111;&#110;&#42;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n<p>Laplace&#8217;s equation (1) and the specification of the temperature on the boundary form a <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Well-posed_problem\">well-posed<\/a> mathematical problem in the sense that the temperature is uniquely determined at each point <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-bd3d5e5a67f33b4e889ddca1e20db1b7_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#40;&#120;&#44;&#121;&#41;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"39\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/>.<sup class=\"modern-footnotes-footnote \" data-mfn=\"1\" data-mfn-post-scope=\"000000000000057f0000000000000000_935\"><a href=\"javascript:void(0)\"  role=\"button\" aria-pressed=\"false\" aria-describedby=\"mfn-content-000000000000057f0000000000000000_935-1\">1<\/a><\/sup><span id=\"mfn-content-000000000000057f0000000000000000_935-1\" role=\"tooltip\" class=\"modern-footnotes-footnote__note\" tabindex=\"0\" data-mfn=\"1\">A well-posed problem is also required to depend continuously on the input data which, in this case, are the boundary temperatures. Indeed, the Laplace problem with boundary data is well-posed in this sense.<\/span> We call this problem the <em>Laplace Dirichlet problem<\/em> since the boundary conditions<\/p>\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 19px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-ff144f6e2539ff8015dd6fe52897a1b2_l3.png\" height=\"19\" width=\"362\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#98;&#101;&#103;&#105;&#110;&#123;&#101;&#113;&#117;&#97;&#116;&#105;&#111;&#110;&#42;&#125; &#117;&#40;&#120;&#44;&#121;&#41;&#32;&#92;&#113;&#117;&#97;&#100;&#32;&#92;&#116;&#101;&#120;&#116;&#123;&#105;&#115;&#32;&#115;&#112;&#101;&#99;&#105;&#102;&#105;&#101;&#100;&#32;&#102;&#111;&#114;&#32;&#36;&#40;&#120;&#44;&#121;&#41;&#36;&#32;&#111;&#110;&#32;&#116;&#104;&#101;&#32;&#98;&#111;&#117;&#110;&#100;&#97;&#114;&#121;&#125; &#92;&#101;&#110;&#100;&#123;&#101;&#113;&#117;&#97;&#116;&#105;&#111;&#110;&#42;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n<p>are known as <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Dirichlet_boundary_condition\">Dirichlet boundary conditions<\/a>.<\/p>\n\n\n\n<h2 class=\"wp-block-heading\">The Double Layer Potential<\/h2>\n\n\n\n<p>Another area of physics where the Laplace equation (1) appears is the study of electrostatics. In this case, <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-6c72e52ae99bf12dadb1364d9ef3f929_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#117;&#40;&#120;&#44;&#121;&#41;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"50\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/> represents the <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Electric_potential\">electric potential<\/a> at the point <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-bd3d5e5a67f33b4e889ddca1e20db1b7_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#40;&#120;&#44;&#121;&#41;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"39\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/>. The Laplace Dirichlet problem is to find the electric potential in the interior of the region with knowledge of the potential on the boundary.<\/p>\n\n\n\n<p>The electrostatic application motivates a different way of thinking about the Laplace equation. Consider the following question:<\/p>\n\n\n\n<blockquote class=\"wp-block-quote is-layout-flow wp-block-quote-is-layout-flow\"><p><em>How would I place electric charges on the boundary to produce the electric potential <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-6c72e52ae99bf12dadb1364d9ef3f929_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#117;&#40;&#120;&#44;&#121;&#41;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"50\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/> at each point <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-bd3d5e5a67f33b4e889ddca1e20db1b7_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#40;&#120;&#44;&#121;&#41;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"39\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/> on the boundary?<\/em><\/p><\/blockquote>\n\n\n\n<p>This is a deliciously clever question. If I were able to find an arrangement of charges answering the question, then I could calculate the potential <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-6c72e52ae99bf12dadb1364d9ef3f929_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#117;&#40;&#120;&#44;&#121;&#41;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"50\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/> at each point <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-bd3d5e5a67f33b4e889ddca1e20db1b7_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#40;&#120;&#44;&#121;&#41;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"39\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/> in the interior by adding up the contribution to the electric potential of each element of charge on the boundary. Thus, I can reduce the problem of finding the electric potential at each point <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-bd3d5e5a67f33b4e889ddca1e20db1b7_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#40;&#120;&#44;&#121;&#41;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"39\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/> in the 2D region to finding a <em>charge distribution<\/em> on the <em>1D boundary<\/em> to that region.<\/p>\n\n\n\n<p>We shall actually use a slight variant of this charge distribution idea which differs in two ways:<\/p>\n\n\n\n<ul class=\"wp-block-list\"><li>Rather than placing simple charges on the boundary of the region, we place <em>charge dipoles<\/em>.<sup class=\"modern-footnotes-footnote \" data-mfn=\"2\" data-mfn-post-scope=\"000000000000057f0000000000000000_935\"><a href=\"javascript:void(0)\"  role=\"button\" aria-pressed=\"false\" aria-describedby=\"mfn-content-000000000000057f0000000000000000_935-2\">2<\/a><\/sup><span id=\"mfn-content-000000000000057f0000000000000000_935-2\" role=\"tooltip\" class=\"modern-footnotes-footnote__note\" tabindex=\"0\" data-mfn=\"2\">The reason for why this modification works better is an interesting question, but answering it properly would take us too far afield from the goals of this article.<\/span><\/li><li>Since we are considering a two-dimensional problem, we use a different formula for the electric potential than given by <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Coulomb%27s_law\">Coulomb&#8217;s law<\/a> for charges in 3D. Also, since we are interested in solving the Laplace Dirichlet problem in general, we can choose a convenient dimensionless system of units. We say that the potential at a point <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-bd3d5e5a67f33b4e889ddca1e20db1b7_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#40;&#120;&#44;&#121;&#41;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"39\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/> induced by a unit &#8220;charge&#8221; at the origin is given by <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-d4f27bc7528db2c1e29fde3e861933c1_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#49;&#47;&#50;&#92;&#112;&#105;&#32;&#92;&#99;&#100;&#111;&#116;&#32;&#92;&#108;&#110;&#32;&#92;&#115;&#113;&#114;&#116;&#123;&#120;&#94;&#50;&#43;&#121;&#94;&#50;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"22\" width=\"142\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/>.<\/li><\/ul>\n\n\n\n<p>With these modifications, our new question is as follows:<\/p>\n\n\n\n<blockquote class=\"wp-block-quote is-layout-flow wp-block-quote-is-layout-flow\"><p><em>How would I place a density of &#8220;charge&#8221; dipoles <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-ff756488d09cd0d8b1c254f54725e7af_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#112;&#104;&#105;&#40;&#120;&#44;&#121;&#41;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"51\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/> on the boundary to produce the electric potential <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-6c72e52ae99bf12dadb1364d9ef3f929_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#117;&#40;&#120;&#44;&#121;&#41;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"50\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/> at each point <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-bd3d5e5a67f33b4e889ddca1e20db1b7_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#40;&#120;&#44;&#121;&#41;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"39\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/> on the boundary?<\/em><\/p><\/blockquote>\n\n\n\n<p>We call this function <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-ff756488d09cd0d8b1c254f54725e7af_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#112;&#104;&#105;&#40;&#120;&#44;&#121;&#41;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"51\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/> the <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Double_layer_potential\">double layer potential <\/a>for the Laplace Dirichlet problem. One can show the double layer potential satisfies a certain <em>integral equation<\/em>. To write down this integral equation, let&#8217;s introduce some more notation. Let <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-d08fac616919760e7538df715d3ca0e6_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#82;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"14\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> be the region of interest and <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-2840f0a72b93fd12148dbe7c34ee87ec_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#112;&#97;&#114;&#116;&#105;&#97;&#108;&#32;&#82;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"13\" width=\"24\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> its boundary. Denote points <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-bd3d5e5a67f33b4e889ddca1e20db1b7_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#40;&#120;&#44;&#121;&#41;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"39\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/> concisely as vectors <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-fb3b0816211183fdd83f1f46cc4e6ded_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#32;&#61;&#32;&#40;&#120;&#44;&#121;&#41;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"72\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/>, with the length of <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-7066244bea5735ebe6af03951fc70df7_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"8\" width=\"8\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> denoted <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-6a1730be18dd1095f9f02b07ded9752d_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#124;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#92;&#124;&#32;&#61;&#32;&#92;&#115;&#113;&#114;&#116;&#123;&#120;&#94;&#50;&#43;&#121;&#94;&#50;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"22\" width=\"122\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/>. The double layer potential satisfies<\/p>\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 41px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> (2) <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-47b6efc035892fdeb0bd423da090be92_l3.png\" height=\"41\" width=\"388\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#98;&#101;&#103;&#105;&#110;&#123;&#101;&#113;&#117;&#97;&#116;&#105;&#111;&#110;&#42;&#125; &#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#49;&#125;&#123;&#50;&#125;&#32;&#92;&#112;&#104;&#105;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#41;&#32;&#43;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#49;&#125;&#123;&#50;&#92;&#112;&#105;&#125;&#32;&#92;&#105;&#110;&#116;&#95;&#123;&#92;&#112;&#97;&#114;&#116;&#105;&#97;&#108;&#32;&#82;&#125;&#32;&#92;&#112;&#104;&#105;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#41;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#92;&#112;&#97;&#114;&#116;&#105;&#97;&#108;&#125;&#123;&#92;&#112;&#97;&#114;&#116;&#105;&#97;&#108;&#32;&#92;&#110;&#117;&#95;&#123;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#125;&#125;&#32;&#92;&#108;&#110;&#32;&#92;&#124;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#45;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#92;&#124;&#32;&#32;&#92;&#44;&#32;&#100;&#83;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#41;&#32;&#61;&#32;&#117;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#41;&#44; &#92;&#101;&#110;&#100;&#123;&#101;&#113;&#117;&#97;&#116;&#105;&#111;&#110;&#42;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n<p>where the integral is taken over the surface <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-2840f0a72b93fd12148dbe7c34ee87ec_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#112;&#97;&#114;&#116;&#105;&#97;&#108;&#32;&#82;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"13\" width=\"24\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> of the region <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-d08fac616919760e7538df715d3ca0e6_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#82;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"14\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/>; <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-8a91e34fbe3676b5d0bcde98f2031952_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#112;&#97;&#114;&#116;&#105;&#97;&#108;&#32;&#47;&#32;&#92;&#112;&#97;&#114;&#116;&#105;&#97;&#108;&#32;&#92;&#110;&#117;&#95;&#123;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"50\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/> denotes the directional derivative taken in the direction normal (perpendicular) to the surface at the point <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-7e0d6351fe454ceb8ef68c2fa904c05e_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"14\" width=\"12\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/>. Note we choose a unit system for <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-b889ecc5781bc4fa48f70ba23ef2cfb8_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#112;&#104;&#105;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"16\" width=\"11\" style=\"vertical-align: -4px;\"\/> which hides physical constants particular to the electrostatic context, since we are interested in applying this methodology to the Laplace Dirichlet problem in general (possibly non-electrostatic) applications.<\/p>\n\n\n\n<p>There&#8217;s one last ingredient: How do we compute the electric potential <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-266315bcf38f8a18c2bbd029297ee18b_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#117;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#41;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"31\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/> at points <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-7066244bea5735ebe6af03951fc70df7_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"8\" width=\"8\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> in the interior of the region? This is answered by the following formula:<\/p>\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 41px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> (3) <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-0db4e9892036ad2265c1ebb5282133a6_l3.png\" height=\"41\" width=\"323\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#98;&#101;&#103;&#105;&#110;&#123;&#101;&#113;&#117;&#97;&#116;&#105;&#111;&#110;&#42;&#125; &#117;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#41;&#32;&#61;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#49;&#125;&#123;&#50;&#92;&#112;&#105;&#125;&#32;&#92;&#105;&#110;&#116;&#95;&#123;&#92;&#112;&#97;&#114;&#116;&#105;&#97;&#108;&#32;&#82;&#125;&#32;&#92;&#112;&#104;&#105;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#41;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#92;&#112;&#97;&#114;&#116;&#105;&#97;&#108;&#125;&#123;&#92;&#112;&#97;&#114;&#116;&#105;&#97;&#108;&#32;&#92;&#110;&#117;&#95;&#123;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#125;&#125;&#32;&#92;&#108;&#110;&#32;&#92;&#124;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#45;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#92;&#124;&#32;&#92;&#44;&#32;&#100;&#83;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#41;&#46; &#92;&#101;&#110;&#100;&#123;&#101;&#113;&#117;&#97;&#116;&#105;&#111;&#110;&#42;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n<p>The integral equation (2) is certainly nothing to sneeze at. Rather than trying to comprehend it in its full glory, we shall focus on a special case for the rest of our discussion. Suppose the region <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-d08fac616919760e7538df715d3ca0e6_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#82;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"14\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> is a circular disk with radius <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-0cfb382a93bc3f68981565d49d1aeb9e_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#114;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"8\" width=\"8\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> centered at <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-54589d9b5610bf48dcf5a1b1f24a67b6_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#48;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"9\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/>. The the partial derivative in the integrand in (2) then is readily computed for points <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-7066244bea5735ebe6af03951fc70df7_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"8\" width=\"8\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> and <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-7e0d6351fe454ceb8ef68c2fa904c05e_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"14\" width=\"12\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> both on the boundary <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-2840f0a72b93fd12148dbe7c34ee87ec_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#112;&#97;&#114;&#116;&#105;&#97;&#108;&#32;&#82;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"13\" width=\"24\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> of the circle:<\/p>\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 40px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-b6c2537513499f21b0f6c111116de46e_l3.png\" height=\"40\" width=\"163\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#98;&#101;&#103;&#105;&#110;&#123;&#101;&#113;&#117;&#97;&#116;&#105;&#111;&#110;&#42;&#125; &#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#92;&#112;&#97;&#114;&#116;&#105;&#97;&#108;&#125;&#123;&#92;&#112;&#97;&#114;&#116;&#105;&#97;&#108;&#32;&#92;&#110;&#117;&#95;&#123;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#125;&#125;&#32;&#92;&#108;&#110;&#32;&#92;&#124;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#45;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#92;&#124;&#32;&#61;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#49;&#125;&#123;&#50;&#114;&#125;&#46; &#92;&#101;&#110;&#100;&#123;&#101;&#113;&#117;&#97;&#116;&#105;&#111;&#110;&#42;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n<p>Substituting in (2) then gives<\/p>\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 41px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> (4) <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-91ffeb95a25fca541e146f9c23044af9_l3.png\" height=\"41\" width=\"280\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#98;&#101;&#103;&#105;&#110;&#123;&#101;&#113;&#117;&#97;&#116;&#105;&#111;&#110;&#42;&#125; &#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#49;&#125;&#123;&#50;&#125;&#32;&#92;&#112;&#104;&#105;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#41;&#32;&#43;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#49;&#125;&#123;&#52;&#92;&#112;&#105;&#32;&#114;&#125;&#32;&#92;&#105;&#110;&#116;&#95;&#123;&#92;&#112;&#97;&#114;&#116;&#105;&#97;&#108;&#32;&#82;&#125;&#32;&#92;&#112;&#104;&#105;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#41;&#32;&#32;&#92;&#44;&#32;&#100;&#83;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#41;&#32;&#61;&#32;&#117;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#41;&#46; &#92;&#101;&#110;&#100;&#123;&#101;&#113;&#117;&#97;&#116;&#105;&#111;&#110;&#42;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n<h2 class=\"wp-block-heading\" style=\"font-size:-1px\">The Sherman\u2013Morrison Formula<\/h2>\n\n\n\n<p>We are interested in solving the integral equation (4) to obtain an expression for the double-layer potential <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-b889ecc5781bc4fa48f70ba23ef2cfb8_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#112;&#104;&#105;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"16\" width=\"11\" style=\"vertical-align: -4px;\"\/>, as this will give us a solution formula <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-266315bcf38f8a18c2bbd029297ee18b_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#117;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#41;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"31\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/> for the Laplace Dirichlet problem. Ultimately, we accomplish this by using a clever trick. In an effort to make this trick seem more self-evident and less of a &#8220;rabbit out of a hat&#8221;, I want to draw an analogy to a seemingly unrelated problem: rank-one updates to linear systems of equations and the Sherman\u2013Morrison formula.<sup class=\"modern-footnotes-footnote \" data-mfn=\"3\" data-mfn-post-scope=\"000000000000057f0000000000000000_935\"><a href=\"javascript:void(0)\"  role=\"button\" aria-pressed=\"false\" aria-describedby=\"mfn-content-000000000000057f0000000000000000_935-3\">3<\/a><\/sup><span id=\"mfn-content-000000000000057f0000000000000000_935-3\" role=\"tooltip\" class=\"modern-footnotes-footnote__note\" tabindex=\"0\" data-mfn=\"3\">In accordance with <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Stigler's_law_of_eponymy\">Stigler&#8217;s law of eponymy<\/a>, the Sherman\u2013Morrison formula was actually discovered by <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/William_Jolly_Duncan\">William J. Duncan<\/a> five years before Sherman, Morrison, and Woodbury.<\/span> For a more general perspective on the Sherman\u2013Morrison formula and its generalization to the <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Woodbury_matrix_identity\">Sherman\u2013Morrison\u2013Woodbury formula<\/a>, you may be interested in the following <a href=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/index.php\/2020\/07\/09\/big-ideas-in-applied-math-the-schur-complement\/\">post of mine on Schur complements and block Gaussian elimination<\/a>.<\/p>\n\n\n\n<p>Suppose we want to solve the system of linear equations<\/p>\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 22px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> (5) <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-aa137fb04cb5916b7a2cb3eeafd3117b_l3.png\" height=\"22\" width=\"124\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#98;&#101;&#103;&#105;&#110;&#123;&#101;&#113;&#117;&#97;&#116;&#105;&#111;&#110;&#42;&#125; &#40;&#65;&#32;&#43;&#32;&#117;&#118;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#41;&#32;&#120;&#32;&#61;&#32;&#98;&#44; &#92;&#101;&#110;&#100;&#123;&#101;&#113;&#117;&#97;&#116;&#105;&#111;&#110;&#42;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n<p>where <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-11f4f587954b361e7d78940f65b8d70d_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#65;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"13\" width=\"13\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> is an <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-41c0efe7f3a82ce93dc2542200956ad7_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#110;&#92;&#116;&#105;&#109;&#101;&#115;&#32;&#110;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"9\" width=\"43\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> square matrix and <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-0a4093b232696c87a445d0fa1a862a1b_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#117;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"8\" width=\"10\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/>, <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-1ccb53cb35fc73370b29b241e3fa4bcd_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#118;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"8\" width=\"9\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/>, and <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-3ab6f6c64ce17f786a81f8cc8fdcec90_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#98;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"8\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> are length-<img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-75a5652acadcd645b180a972b75a9d09_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#110;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"8\" width=\"11\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> vectors. We are ultimately interested in finding <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-b312d649591164b7149ed0756f694a76_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#120;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"8\" width=\"10\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> from <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-3ab6f6c64ce17f786a81f8cc8fdcec90_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#98;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"8\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/>. To gain insight into this problem, it will be helpful to first carefully considered the problem in reverse: computing <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-3ab6f6c64ce17f786a81f8cc8fdcec90_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#98;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"8\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> from <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-b312d649591164b7149ed0756f694a76_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#120;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"8\" width=\"10\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/>. We could, of course, perform this computation by forming the matrix <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-45806932eed43e976ef5fe61230996e2_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#65;&#32;&#43;&#32;&#117;&#118;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"17\" width=\"64\" style=\"vertical-align: -2px;\"\/> in memory and multiplying it with <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-b312d649591164b7149ed0756f694a76_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#120;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"8\" width=\"10\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/>, but there is a more economical way:<\/p>\n\n\n\n<ol class=\"wp-block-list\"><li>Form <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-fc596b3afa5a8f780ebcc929802445f6_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#97;&#108;&#112;&#104;&#97;&#32;&#61;&#32;&#118;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#120;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"15\" width=\"66\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/>.<\/li><li>Compute <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-fd8d95361a320233df949844170443c7_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#98;&#32;&#61;&#32;&#92;&#97;&#108;&#112;&#104;&#97;&#32;&#117;&#32;&#43;&#32;&#65;&#120;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"15\" width=\"97\" style=\"vertical-align: -2px;\"\/>.<\/li><\/ol>\n\n\n\n<p>Standing back, observe that we now have a system of <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-cd47f9141b069463374b650a53568ac2_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#110;&#43;&#49;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"14\" width=\"40\" style=\"vertical-align: -2px;\"\/> equations for unknowns <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-b312d649591164b7149ed0756f694a76_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#120;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"8\" width=\"10\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> and <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-4e8e0f9c0be9d91a4d8967ea0d3374c7_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#97;&#108;&#112;&#104;&#97;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"8\" width=\"11\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/>. Specifically, our first equation can be rewritten as<\/p>\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 19px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-f733a59480d3659ca1316f9b07728682_l3.png\" height=\"19\" width=\"109\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#98;&#101;&#103;&#105;&#110;&#123;&#101;&#113;&#117;&#97;&#116;&#105;&#111;&#110;&#42;&#125; &#45;&#92;&#97;&#108;&#112;&#104;&#97;&#32;&#43;&#32;&#118;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#120;&#32;&#61;&#32;&#48; &#92;&#101;&#110;&#100;&#123;&#101;&#113;&#117;&#97;&#116;&#105;&#111;&#110;&#42;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n<p>which combined with the second equation<\/p>\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 15px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-2ea47659df6cf62ff0e37750922a87de_l3.png\" height=\"15\" width=\"98\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#98;&#101;&#103;&#105;&#110;&#123;&#101;&#113;&#117;&#97;&#116;&#105;&#111;&#110;&#42;&#125; &#92;&#97;&#108;&#112;&#104;&#97;&#32;&#117;&#32;&#43;&#32;&#65;&#120;&#32;&#61;&#32;&#98; &#92;&#101;&#110;&#100;&#123;&#101;&#113;&#117;&#97;&#116;&#105;&#111;&#110;&#42;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n<p>gives the <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-cd47f9141b069463374b650a53568ac2_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#110;&#43;&#49;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"14\" width=\"40\" style=\"vertical-align: -2px;\"\/> by <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-cd47f9141b069463374b650a53568ac2_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#110;&#43;&#49;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"14\" width=\"40\" style=\"vertical-align: -2px;\"\/> system<sup class=\"modern-footnotes-footnote \" data-mfn=\"4\" data-mfn-post-scope=\"000000000000057f0000000000000000_935\"><a href=\"javascript:void(0)\"  role=\"button\" aria-pressed=\"false\" aria-describedby=\"mfn-content-000000000000057f0000000000000000_935-4\">4<\/a><\/sup><span id=\"mfn-content-000000000000057f0000000000000000_935-4\" role=\"tooltip\" class=\"modern-footnotes-footnote__note\" tabindex=\"0\" data-mfn=\"4\">This &#8220;state space approach&#8221; of systematically writing out a matrix\u2013vector multiply algorithm and then realizing this yields a larger system of linear equations was initially taught to be by my mentor <a href=\"https:\/\/engineering.ucsb.edu\/people\/shiv-chandrasekaran\">Shiv Chandrasekaran<\/a>; this approach has much more powerful uses, such as in the <a href=\"https:\/\/arxiv.org\/pdf\/1807.03437\">theory of rank-structured matrices<\/a>.<\/span>\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 43px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> (6) <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-3c3baa6d2c48a869a2e6612ffae047bb_l3.png\" height=\"43\" width=\"165\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#98;&#101;&#103;&#105;&#110;&#123;&#101;&#113;&#117;&#97;&#116;&#105;&#111;&#110;&#42;&#125; &#92;&#98;&#101;&#103;&#105;&#110;&#123;&#98;&#109;&#97;&#116;&#114;&#105;&#120;&#125;&#32;&#45;&#32;&#49;&#32;&#38;&#32;&#118;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#92;&#92;&#32;&#117;&#32;&#38;&#32;&#65;&#32;&#92;&#101;&#110;&#100;&#123;&#98;&#109;&#97;&#116;&#114;&#105;&#120;&#125;&#32;&#92;&#98;&#101;&#103;&#105;&#110;&#123;&#98;&#109;&#97;&#116;&#114;&#105;&#120;&#125;&#32;&#92;&#97;&#108;&#112;&#104;&#97;&#32;&#92;&#92;&#32;&#120;&#32;&#92;&#101;&#110;&#100;&#123;&#98;&#109;&#97;&#116;&#114;&#105;&#120;&#125;&#32;&#61;&#32;&#92;&#98;&#101;&#103;&#105;&#110;&#123;&#98;&#109;&#97;&#116;&#114;&#105;&#120;&#125;&#32;&#48;&#32;&#92;&#92;&#32;&#98;&#32;&#92;&#101;&#110;&#100;&#123;&#98;&#109;&#97;&#116;&#114;&#105;&#120;&#125;&#46; &#92;&#101;&#110;&#100;&#123;&#101;&#113;&#117;&#97;&#116;&#105;&#111;&#110;&#42;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n<p>The original equation for <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-b312d649591164b7149ed0756f694a76_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#120;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"8\" width=\"10\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> (5) can be derived from the &#8220;lifted&#8221; equation (6) by applying <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Gaussian_elimination\">Gaussian elimination<\/a> and eliminating the first row of the linear system (6). But now that we have the lifted equation (6), one can naturally wonder what would happen if we instead used Gaussian elimination to eliminate the last <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-75a5652acadcd645b180a972b75a9d09_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#110;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"8\" width=\"11\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> rows of (6); this will give us an equation for <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-fc596b3afa5a8f780ebcc929802445f6_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#97;&#108;&#112;&#104;&#97;&#32;&#61;&#32;&#118;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#120;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"15\" width=\"66\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> which we can solved <em>without first computing <\/em><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-b312d649591164b7149ed0756f694a76_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#120;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"8\" width=\"10\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/>. Doing this so-called <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Block_LU_decomposition\">block Gaussian elimination<\/a> yields<\/p>\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 22px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-d7556530bd80a39e38b57f7e463d714c_l3.png\" height=\"22\" width=\"233\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#98;&#101;&#103;&#105;&#110;&#123;&#101;&#113;&#117;&#97;&#116;&#105;&#111;&#110;&#42;&#125; &#40;&#45;&#49;&#45;&#118;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#65;&#94;&#123;&#45;&#49;&#125;&#117;&#41;&#92;&#97;&#108;&#112;&#104;&#97;&#32;&#61;&#32;&#45;&#118;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#65;&#94;&#123;&#45;&#49;&#125;&#32;&#98;&#46; &#92;&#101;&#110;&#100;&#123;&#101;&#113;&#117;&#97;&#116;&#105;&#111;&#110;&#42;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n<p>Solving this, we deduce that<\/p>\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 42px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-a882e9c9d9587659e381f2d8226eb63b_l3.png\" height=\"42\" width=\"136\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#98;&#101;&#103;&#105;&#110;&#123;&#101;&#113;&#117;&#97;&#116;&#105;&#111;&#110;&#42;&#125; &#92;&#97;&#108;&#112;&#104;&#97;&#32;&#61;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#118;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#65;&#94;&#123;&#45;&#49;&#125;&#32;&#98;&#125;&#123;&#49;&#32;&#43;&#32;&#118;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#65;&#94;&#123;&#45;&#49;&#125;&#117;&#125;&#46; &#92;&#101;&#110;&#100;&#123;&#101;&#113;&#117;&#97;&#116;&#105;&#111;&#110;&#42;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n<p>From the equation <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-39ae046450605a89cc13d2ac01170c2d_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#97;&#108;&#112;&#104;&#97;&#32;&#117;&#32;&#43;&#32;&#65;&#120;&#32;&#61;&#32;&#98;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"15\" width=\"98\" style=\"vertical-align: -2px;\"\/>, we have that<\/p>\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 42px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-f7bf24ae3df859e420126c4ba736599b_l3.png\" height=\"42\" width=\"471\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#98;&#101;&#103;&#105;&#110;&#123;&#101;&#113;&#117;&#97;&#116;&#105;&#111;&#110;&#42;&#125; &#120;&#32;&#61;&#32;&#40;&#65;&#43;&#117;&#118;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#41;&#94;&#123;&#45;&#49;&#125;&#98;&#32;&#61;&#32;&#65;&#94;&#123;&#45;&#49;&#125;&#98;&#32;&#45;&#32;&#92;&#97;&#108;&#112;&#104;&#97;&#32;&#65;&#94;&#123;&#45;&#49;&#125;&#32;&#117;&#32;&#61;&#32;&#65;&#94;&#123;&#45;&#49;&#125;&#98;&#32;&#45;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#65;&#94;&#123;&#45;&#49;&#125;&#117;&#118;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#65;&#94;&#123;&#45;&#49;&#125;&#32;&#98;&#125;&#123;&#49;&#32;&#43;&#32;&#118;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#65;&#94;&#123;&#45;&#49;&#125;&#117;&#125;&#46; &#92;&#101;&#110;&#100;&#123;&#101;&#113;&#117;&#97;&#116;&#105;&#111;&#110;&#42;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n<p>Since this formula holds for every vector <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-3ab6f6c64ce17f786a81f8cc8fdcec90_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#98;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"8\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/>, we deduce the <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Sherman\u2013Morrison_formula\">famous Sherman\u2013Morrison formula<\/a><\/p>\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 42px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-5d476322e58cb65d31d8a9505062d5d9_l3.png\" height=\"42\" width=\"276\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#98;&#101;&#103;&#105;&#110;&#123;&#101;&#113;&#117;&#97;&#116;&#105;&#111;&#110;&#42;&#125; &#40;&#65;&#43;&#117;&#118;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#41;&#94;&#123;&#45;&#49;&#125;&#61;&#32;&#65;&#94;&#123;&#45;&#49;&#125;&#32;&#45;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#65;&#94;&#123;&#45;&#49;&#125;&#117;&#118;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#65;&#94;&#123;&#45;&#49;&#125;&#125;&#123;&#49;&#32;&#43;&#32;&#118;&#94;&#92;&#116;&#111;&#112;&#32;&#65;&#94;&#123;&#45;&#49;&#125;&#117;&#125;&#46; &#92;&#101;&#110;&#100;&#123;&#101;&#113;&#117;&#97;&#116;&#105;&#111;&#110;&#42;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n<p>This example shows how it can be conceptually useful to lift a linear system of equations by adding additional variables and equations and then &#8220;do Gaussian elimination in a different order&#8221;. The same insight shall be useful in solving integral equations like (4).<\/p>\n\n\n\n<h2 class=\"wp-block-heading\">Solving for the Double Layer Potential<\/h2>\n\n\n\n<p>Let&#8217;s try repeating the playbook we executed for the rank-one-updated linear system (5) and apply it to the integral equation (4). We are ultimately interested in computing <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-8c9fd10da8a4f65408c2da4bf7a3dca3_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#112;&#104;&#105;&#40;&#92;&#99;&#100;&#111;&#116;&#41;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"29\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/> from <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-0e3bb85a18690c20afc80c60e68f9aa6_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#117;&#40;&#92;&#99;&#100;&#111;&#116;&#41;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"28\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/> but, as we did last section, let&#8217;s first consider the reverse. To compute <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-0e3bb85a18690c20afc80c60e68f9aa6_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#117;&#40;&#92;&#99;&#100;&#111;&#116;&#41;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"28\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/> from <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-8c9fd10da8a4f65408c2da4bf7a3dca3_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#112;&#104;&#105;&#40;&#92;&#99;&#100;&#111;&#116;&#41;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"29\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/>, we first evaluate the integral <\/p>\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 41px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-3474aca27d3ddba430a93163bc46e2ef_l3.png\" height=\"41\" width=\"159\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#98;&#101;&#103;&#105;&#110;&#123;&#101;&#113;&#117;&#97;&#116;&#105;&#111;&#110;&#42;&#125; &#92;&#97;&#108;&#112;&#104;&#97;&#32;&#61;&#32;&#32;&#92;&#105;&#110;&#116;&#95;&#123;&#92;&#112;&#97;&#114;&#116;&#105;&#97;&#108;&#32;&#82;&#125;&#32;&#92;&#112;&#104;&#105;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#41;&#32;&#92;&#44;&#32;&#100;&#83;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#41;&#46; &#92;&#101;&#110;&#100;&#123;&#101;&#113;&#117;&#97;&#116;&#105;&#111;&#110;&#42;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n<p>Substituting this into (4) gives the system of equations<\/p>\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 36px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> (7) <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-4816dc0c9e593f889847229c31413403_l3.png\" height=\"36\" width=\"168\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#98;&#101;&#103;&#105;&#110;&#123;&#101;&#113;&#117;&#97;&#116;&#105;&#111;&#110;&#42;&#125; &#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#49;&#125;&#123;&#52;&#92;&#112;&#105;&#32;&#114;&#125;&#32;&#92;&#97;&#108;&#112;&#104;&#97;&#32;&#43;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#49;&#125;&#123;&#50;&#125;&#32;&#92;&#112;&#104;&#105;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#41;&#32;&#32;&#61;&#32;&#117;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#41;&#44; &#92;&#101;&#110;&#100;&#123;&#101;&#113;&#117;&#97;&#116;&#105;&#111;&#110;&#42;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 41px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> (8) <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-e2c706009eab6d8c1ab8e1283060cfc9_l3.png\" height=\"41\" width=\"202\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#98;&#101;&#103;&#105;&#110;&#123;&#101;&#113;&#117;&#97;&#116;&#105;&#111;&#110;&#42;&#125; &#45;&#92;&#97;&#108;&#112;&#104;&#97;&#32;&#43;&#32;&#92;&#105;&#110;&#116;&#95;&#123;&#92;&#112;&#97;&#114;&#116;&#105;&#97;&#108;&#32;&#82;&#125;&#32;&#92;&#112;&#104;&#105;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#41;&#32;&#92;&#44;&#32;&#100;&#83;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#41;&#32;&#61;&#32;&#48;&#46; &#92;&#101;&#110;&#100;&#123;&#101;&#113;&#117;&#97;&#116;&#105;&#111;&#110;&#42;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n<p>In order to obtain (4) from (7) and (8), we add <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-34502bcd40b32bad394890e27cabc45b_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#49;&#47;&#52;&#92;&#112;&#105;&#32;&#114;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"44\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/> times equation (8) to equation (7). Following last section, we now instead eliminate <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-03d6f4968e6c852d1fbd4ae5d7cf68e7_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#112;&#104;&#105;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#41;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"32\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/> from equation (8) using equation (7). To do this, we need to integrate equation (7) in order to cancel the integral in equation (8):<\/p>\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 63px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-a5cc3ce9c557b620b127d851cada63d2_l3.png\" height=\"63\" width=\"625\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#98;&#101;&#103;&#105;&#110;&#123;&#101;&#113;&#117;&#97;&#116;&#105;&#111;&#110;&#42;&#125; &#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#49;&#125;&#123;&#52;&#92;&#112;&#105;&#32;&#114;&#125;&#32;&#92;&#97;&#108;&#112;&#104;&#97;&#32;&#92;&#117;&#110;&#100;&#101;&#114;&#98;&#114;&#97;&#99;&#101;&#123;&#92;&#105;&#110;&#116;&#95;&#123;&#92;&#112;&#97;&#114;&#116;&#105;&#97;&#108;&#32;&#82;&#125;&#32;&#92;&#44;&#32;&#100;&#83;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#41;&#125;&#95;&#123;&#61;&#50;&#92;&#112;&#105;&#32;&#114;&#125;&#32;&#43;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#49;&#125;&#123;&#50;&#125;&#32;&#92;&#105;&#110;&#116;&#95;&#123;&#92;&#112;&#97;&#114;&#116;&#105;&#97;&#108;&#32;&#82;&#125;&#32;&#92;&#112;&#104;&#105;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#41;&#32;&#92;&#44;&#32;&#100;&#83;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#41;&#32;&#32;&#61;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#49;&#125;&#123;&#50;&#125;&#32;&#92;&#97;&#108;&#112;&#104;&#97;&#32;&#43;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#49;&#125;&#123;&#50;&#125;&#32;&#92;&#105;&#110;&#116;&#95;&#123;&#92;&#112;&#97;&#114;&#116;&#105;&#97;&#108;&#32;&#82;&#125;&#32;&#92;&#112;&#104;&#105;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#41;&#32;&#92;&#44;&#32;&#100;&#83;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#41;&#32;&#61;&#32;&#92;&#105;&#110;&#116;&#95;&#123;&#92;&#112;&#97;&#114;&#116;&#105;&#97;&#108;&#32;&#82;&#125;&#32;&#117;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#41;&#32;&#92;&#44;&#32;&#100;&#83;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#41;&#46; &#92;&#101;&#110;&#100;&#123;&#101;&#113;&#117;&#97;&#116;&#105;&#111;&#110;&#42;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n<p>Adding <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-b5fed14f2144ce9f7a2e7c6c1a9858d9_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#50;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"8\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> times this integrated equation to equation (8) yields<\/p>\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 41px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-e04f8efa732a6073cd2171031d47f937_l3.png\" height=\"41\" width=\"383\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#98;&#101;&#103;&#105;&#110;&#123;&#101;&#113;&#117;&#97;&#116;&#105;&#111;&#110;&#42;&#125; &#50;&#92;&#97;&#108;&#112;&#104;&#97;&#32;&#61;&#32;&#50;&#92;&#105;&#110;&#116;&#95;&#123;&#92;&#112;&#97;&#114;&#116;&#105;&#97;&#108;&#32;&#82;&#125;&#32;&#117;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#41;&#32;&#92;&#44;&#32;&#100;&#83;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#41;&#32;&#92;&#105;&#109;&#112;&#108;&#105;&#101;&#115;&#32;&#92;&#97;&#108;&#112;&#104;&#97;&#32;&#61;&#32;&#92;&#105;&#110;&#116;&#95;&#123;&#92;&#112;&#97;&#114;&#116;&#105;&#97;&#108;&#32;&#82;&#125;&#32;&#117;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#41;&#32;&#92;&#44;&#32;&#100;&#83;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#41;&#46; &#92;&#101;&#110;&#100;&#123;&#101;&#113;&#117;&#97;&#116;&#105;&#111;&#110;&#42;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n<p>Thus plugging this expression for <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-4e8e0f9c0be9d91a4d8967ea0d3374c7_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#97;&#108;&#112;&#104;&#97;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"8\" width=\"11\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> into equation (7) yields<\/p>\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 41px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-fc839728fe2a437fd7a20021e679b176_l3.png\" height=\"41\" width=\"408\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#98;&#101;&#103;&#105;&#110;&#123;&#101;&#113;&#117;&#97;&#116;&#105;&#111;&#110;&#42;&#125; &#92;&#112;&#104;&#105;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#41;&#32;&#61;&#32;&#50;&#117;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#41;&#32;&#45;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#49;&#125;&#123;&#50;&#92;&#112;&#105;&#32;&#114;&#125;&#32;&#92;&#97;&#108;&#112;&#104;&#97;&#32;&#61;&#32;&#50;&#117;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#41;&#32;&#45;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#49;&#125;&#123;&#50;&#92;&#112;&#105;&#32;&#114;&#125;&#32;&#92;&#105;&#110;&#116;&#95;&#123;&#92;&#112;&#97;&#114;&#116;&#105;&#97;&#108;&#32;&#82;&#125;&#32;&#117;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#41;&#32;&#92;&#44;&#32;&#100;&#83;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#41;&#46; &#92;&#101;&#110;&#100;&#123;&#101;&#113;&#117;&#97;&#116;&#105;&#111;&#110;&#42;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n<p>We&#8217;ve solved for our double layer potential!<\/p>\n\n\n\n<p>As promised, the double layer potential can be used to give a <em>solution formula<\/em> (known as the <a href=\"https:\/\/encyclopediaofmath.org\/wiki\/Poisson_integral\">Poisson integral formula<\/a>) for the Laplace Dirichet problem. The details are a mechanical, but also somewhat technical, exercise in vector calculus identities. We plug through the details in the following extra section.<\/p>\n\n\n<div class=\"su-spoiler su-spoiler-style-default su-spoiler-icon-plus su-spoiler-closed\" data-scroll-offset=\"0\" data-anchor-in-url=\"no\"><div class=\"su-spoiler-title\" tabindex=\"0\" role=\"button\"><span class=\"su-spoiler-icon\"><\/span>Poisson Integral Formula<\/div><div class=\"su-spoiler-content su-u-clearfix su-u-trim\">Let&#8217;s finish this up by using the double layer to derive a solution formula for the electric potential <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-266315bcf38f8a18c2bbd029297ee18b_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#117;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#41;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"31\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/> at a point <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-7066244bea5735ebe6af03951fc70df7_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"8\" width=\"8\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> in the interior of the region. To do this, we use equation (3):<\/p>\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 90px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> (9) <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-3af6238ad0c9e6f4c9d6058fcfab7be3_l3.png\" height=\"90\" width=\"700\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#98;&#101;&#103;&#105;&#110;&#123;&#97;&#108;&#105;&#103;&#110;&#42;&#125; &#117;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#41;&#32;&#38;&#61;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#49;&#125;&#123;&#50;&#92;&#112;&#105;&#125;&#32;&#92;&#105;&#110;&#116;&#95;&#123;&#92;&#112;&#97;&#114;&#116;&#105;&#97;&#108;&#32;&#82;&#125;&#32;&#92;&#108;&#101;&#102;&#116;&#40;&#32;&#50;&#117;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#41;&#32;&#45;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#49;&#125;&#123;&#50;&#92;&#112;&#105;&#32;&#114;&#125;&#32;&#92;&#105;&#110;&#116;&#95;&#123;&#92;&#112;&#97;&#114;&#116;&#105;&#97;&#108;&#32;&#82;&#125;&#32;&#117;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#39;&#41;&#32;&#92;&#44;&#32;&#100;&#83;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#39;&#41;&#32;&#92;&#114;&#105;&#103;&#104;&#116;&#41;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#92;&#112;&#97;&#114;&#116;&#105;&#97;&#108;&#125;&#123;&#92;&#112;&#97;&#114;&#116;&#105;&#97;&#108;&#32;&#92;&#110;&#117;&#95;&#123;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#125;&#125;&#32;&#92;&#108;&#110;&#32;&#92;&#124;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#45;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#92;&#124;&#32;&#92;&#44;&#32;&#100;&#83;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#41;&#32;&#92;&#92; &#38;&#61;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#49;&#125;&#123;&#92;&#112;&#105;&#125;&#32;&#92;&#105;&#110;&#116;&#95;&#123;&#92;&#112;&#97;&#114;&#116;&#105;&#97;&#108;&#32;&#82;&#125;&#32;&#117;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#41;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#92;&#112;&#97;&#114;&#116;&#105;&#97;&#108;&#125;&#123;&#92;&#112;&#97;&#114;&#116;&#105;&#97;&#108;&#32;&#92;&#110;&#117;&#95;&#123;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#125;&#125;&#32;&#92;&#108;&#110;&#32;&#92;&#124;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#45;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#92;&#124;&#32;&#92;&#44;&#32;&#100;&#83;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#41;&#32;&#45;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#49;&#125;&#123;&#52;&#92;&#112;&#105;&#94;&#50;&#32;&#114;&#125;&#32;&#92;&#105;&#110;&#116;&#95;&#123;&#92;&#112;&#97;&#114;&#116;&#105;&#97;&#108;&#32;&#82;&#125;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#92;&#112;&#97;&#114;&#116;&#105;&#97;&#108;&#125;&#123;&#92;&#112;&#97;&#114;&#116;&#105;&#97;&#108;&#32;&#92;&#110;&#117;&#95;&#123;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#125;&#125;&#32;&#92;&#108;&#110;&#92;&#124;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#45;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#92;&#124;&#32;&#32;&#92;&#44;&#32;&#100;&#83;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#41;&#92;&#105;&#110;&#116;&#95;&#123;&#92;&#112;&#97;&#114;&#116;&#105;&#97;&#108;&#32;&#82;&#125;&#32;&#117;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#41;&#32;&#92;&#44;&#32;&#100;&#83;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#41;&#46; &#92;&#101;&#110;&#100;&#123;&#97;&#108;&#105;&#103;&#110;&#42;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n<p><\/p>\n\n\n<\/p>\n<p>We now need to do a quick calculation which is somewhat technical and not particularly enlightening. We evaluate <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-b4c3857b1904b0b0000a468811432e64_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#45;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#49;&#125;&#123;&#52;&#92;&#112;&#105;&#125;&#92;&#105;&#110;&#116;&#95;&#123;&#92;&#112;&#97;&#114;&#116;&#105;&#97;&#108;&#32;&#82;&#125;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#92;&#112;&#97;&#114;&#116;&#105;&#97;&#108;&#125;&#123;&#92;&#112;&#97;&#114;&#116;&#105;&#97;&#108;&#32;&#92;&#110;&#117;&#95;&#123;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#125;&#125;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#49;&#125;&#123;&#124;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#45;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#124;&#125;&#32;&#32;&#92;&#44;&#32;&#100;&#83;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#41;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"27\" width=\"184\" style=\"vertical-align: -10px;\"\/> using the <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Divergence_theorem\">divergence theorem<\/a>:<\/p>\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 88px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-218da09c77aa5773391a58dd21590f32_l3.png\" height=\"88\" width=\"704\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#98;&#101;&#103;&#105;&#110;&#123;&#97;&#108;&#105;&#103;&#110;&#42;&#125; &#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#49;&#125;&#123;&#50;&#92;&#112;&#105;&#125;&#92;&#105;&#110;&#116;&#95;&#123;&#92;&#112;&#97;&#114;&#116;&#105;&#97;&#108;&#32;&#82;&#125;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#92;&#112;&#97;&#114;&#116;&#105;&#97;&#108;&#125;&#123;&#92;&#112;&#97;&#114;&#116;&#105;&#97;&#108;&#32;&#92;&#110;&#117;&#95;&#123;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#125;&#125;&#32;&#92;&#108;&#110;&#32;&#92;&#124;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#45;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#92;&#124;&#32;&#32;&#92;&#44;&#32;&#100;&#83;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#41;&#32;&#38;&#61;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#49;&#125;&#123;&#50;&#92;&#112;&#105;&#125;&#92;&#105;&#110;&#116;&#95;&#123;&#92;&#112;&#97;&#114;&#116;&#105;&#97;&#108;&#32;&#82;&#125;&#32;&#92;&#110;&#117;&#95;&#123;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#125;&#92;&#99;&#100;&#111;&#116;&#32;&#92;&#110;&#97;&#98;&#108;&#97;&#95;&#123;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#125;&#32;&#92;&#108;&#110;&#32;&#92;&#124;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#45;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#92;&#124;&#32;&#32;&#92;&#44;&#32;&#100;&#83;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#41;&#32;&#61;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#49;&#125;&#123;&#50;&#92;&#112;&#105;&#125;&#92;&#105;&#110;&#116;&#95;&#82;&#32;&#92;&#110;&#97;&#98;&#108;&#97;&#95;&#123;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#125;&#94;&#50;&#32;&#92;&#108;&#110;&#92;&#124;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#45;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#92;&#124;&#32;&#32;&#92;&#44;&#32;&#100;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#32;&#92;&#92;&#32;&#38;&#61;&#32;&#92;&#105;&#110;&#116;&#95;&#82;&#32;&#92;&#100;&#101;&#108;&#116;&#97;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#45;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#41;&#32;&#92;&#44;&#32;&#100;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#32;&#61;&#32;&#49;&#46; &#92;&#101;&#110;&#100;&#123;&#97;&#108;&#105;&#103;&#110;&#42;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n<p>We denote <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-ff101821d793c89cda5f3eed68d2c99c_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#110;&#97;&#98;&#108;&#97;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"13\" width=\"14\" style=\"vertical-align: -1px;\"\/> for the <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Gradient\">gradient<\/a>, <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-863cf7af8d4efaff0b76ba09af4f0732_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#110;&#117;&#95;&#123;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"11\" width=\"20\" style=\"vertical-align: -3px;\"\/> for the normal vector to <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-2840f0a72b93fd12148dbe7c34ee87ec_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#112;&#97;&#114;&#116;&#105;&#97;&#108;&#32;&#82;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"13\" width=\"24\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> at the point <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-7e0d6351fe454ceb8ef68c2fa904c05e_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"14\" width=\"12\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/>, <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-51d8e2c739f72ff29db877230311f73f_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#99;&#100;&#111;&#116;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"2\" width=\"3\" style=\"vertical-align: 3px;\"\/> for the <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Dot_product\">dot product<\/a>, <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-686c1b3ef54470fa75cc9b021ffee805_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#110;&#97;&#98;&#108;&#97;&#94;&#50;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"16\" width=\"22\" style=\"vertical-align: -1px;\"\/> for the <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Laplace_operator\">Laplace operator<\/a>, and <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-50f767701973c5f8f4cb8cc6ed459bad_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#100;&#101;&#108;&#116;&#97;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"13\" width=\"8\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> for the <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Dirac_delta_function\">Dirac delta &#8220;function&#8221;<\/a>. The last equality holds because the function <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-377e7b81642c961c1d8893d67283bea1_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#118;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#41;&#32;&#61;&#32;&#92;&#116;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#49;&#125;&#123;&#50;&#92;&#112;&#105;&#125;&#32;&#92;&#108;&#110;&#32;&#92;&#124;&#32;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#32;&#45;&#32;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#92;&#124;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"22\" width=\"158\" style=\"vertical-align: -6px;\"\/> is a so-called <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Fundamental_solution\">fundamental solution<\/a> for Laplace equation in the sense that <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-18cab6a6ab0c00c620c819ead655d3d3_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#110;&#97;&#98;&#108;&#97;&#95;&#123;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#125;&#94;&#50;&#32;&#118;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#41;&#32;&#61;&#32;&#92;&#100;&#101;&#108;&#116;&#97;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#45;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#41;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"20\" width=\"150\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/>. Therefore, (9) simplifies to<\/p>\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 42px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-67e33517ef6cb4a83974cc4942323dc1_l3.png\" height=\"42\" width=\"491\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#98;&#101;&#103;&#105;&#110;&#123;&#101;&#113;&#117;&#97;&#116;&#105;&#111;&#110;&#42;&#125; &#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#117;&#125;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#41;&#32;&#61;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#49;&#125;&#123;&#92;&#112;&#105;&#125;&#32;&#92;&#105;&#110;&#116;&#95;&#123;&#92;&#112;&#97;&#114;&#116;&#105;&#97;&#108;&#32;&#82;&#125;&#32;&#117;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#41;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#92;&#112;&#97;&#114;&#116;&#105;&#97;&#108;&#125;&#123;&#92;&#112;&#97;&#114;&#116;&#105;&#97;&#108;&#32;&#92;&#110;&#117;&#95;&#123;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#125;&#125;&#32;&#92;&#108;&#110;&#32;&#92;&#124;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#45;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#92;&#124;&#32;&#92;&#44;&#32;&#100;&#83;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#41;&#32;&#45;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#49;&#125;&#123;&#50;&#92;&#112;&#105;&#32;&#114;&#125;&#32;&#92;&#105;&#110;&#116;&#95;&#123;&#92;&#112;&#97;&#114;&#116;&#105;&#97;&#108;&#32;&#82;&#125;&#32;&#117;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#41;&#32;&#92;&#44;&#32;&#100;&#83;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#41;&#46; &#92;&#101;&#110;&#100;&#123;&#101;&#113;&#117;&#97;&#116;&#105;&#111;&#110;&#42;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n<p>\n\n\n<p><\/p>\n<p>Computing the boundary derivative for the spherical region centered at the origin with radius <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-0cfb382a93bc3f68981565d49d1aeb9e_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#114;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"8\" width=\"8\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/>, we obtain the formula<\/p>\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 45px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-12a62591678230bc5e3ff189a5af09df_l3.png\" height=\"45\" width=\"618\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#98;&#101;&#103;&#105;&#110;&#123;&#101;&#113;&#117;&#97;&#116;&#105;&#111;&#110;&#42;&#125; &#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#117;&#125;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#41;&#32;&#61;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#49;&#125;&#123;&#50;&#92;&#112;&#105;&#32;&#114;&#125;&#32;&#92;&#105;&#110;&#116;&#95;&#123;&#92;&#112;&#97;&#114;&#116;&#105;&#97;&#108;&#32;&#82;&#125;&#32;&#92;&#108;&#101;&#102;&#116;&#40;&#32;&#50;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#114;&#94;&#50;&#32;&#45;&#32;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#32;&#92;&#99;&#100;&#111;&#116;&#32;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#125;&#123;&#92;&#124;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#32;&#45;&#32;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#92;&#124;&#94;&#50;&#125;&#32;&#45;&#32;&#49;&#32;&#92;&#114;&#105;&#103;&#104;&#116;&#41;&#32;&#117;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#41;&#32;&#92;&#44;&#32;&#100;&#83;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#41;&#32;&#61;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#114;&#94;&#50;&#32;&#45;&#32;&#92;&#124;&#32;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#32;&#92;&#124;&#94;&#50;&#125;&#123;&#50;&#92;&#112;&#105;&#32;&#114;&#125;&#32;&#92;&#105;&#110;&#116;&#95;&#123;&#92;&#112;&#97;&#114;&#116;&#105;&#97;&#108;&#32;&#82;&#125;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#117;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#41;&#125;&#123;&#92;&#124;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#32;&#45;&#32;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#92;&#124;&#94;&#50;&#125;&#32;&#92;&#44;&#32;&#100;&#83;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#41;&#46; &#92;&#101;&#110;&#100;&#123;&#101;&#113;&#117;&#97;&#116;&#105;&#111;&#110;&#42;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n<p>We&#8217;ve succeeded at deriving a solution formula for <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-266315bcf38f8a18c2bbd029297ee18b_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#117;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#41;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"31\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/> for points <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-7066244bea5735ebe6af03951fc70df7_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"8\" width=\"8\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> in the interior of the disk in terms of <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-0917b427344740887e06ab36000b0c38_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#117;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;&#41;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"36\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/> for points <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-7e0d6351fe454ceb8ef68c2fa904c05e_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#114;&#125;&#39;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"14\" width=\"12\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> on the boundary of the disk. This is known as the <a href=\"https:\/\/encyclopediaofmath.org\/wiki\/Poisson_integral\" data-rich-text-format-boundary=\"true\">Poisson integral formula<\/a> for the disk in two dimensions. This formula can be generalized to <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/N-sphere#n-ball\">balls in higher dimensions<\/a>, though this proof technique using &#8220;Sherman\u2013Morrison&#8221; fails to work in more than two dimensions.<\/div><\/div>\n\n\n<h2 class=\"wp-block-heading\">Sherman\u2013Morrison for Integral Equations<\/h2>\n\n\n\n<p>Having achieved our main goal of deriving a solution formula for the 2D Laplace Dirichlet problem for a circular domain, I want to take a step back to present the approach from two sections ago in more generality. Consider a more general integral equation of the form<\/p>\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 41px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> (10) <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-5f167f2b3959e87053cfc2691846274f_l3.png\" height=\"41\" width=\"345\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#98;&#101;&#103;&#105;&#110;&#123;&#101;&#113;&#117;&#97;&#116;&#105;&#111;&#110;&#42;&#125; &#97;&#32;&#92;&#44;&#32;&#92;&#112;&#104;&#105;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#120;&#125;&#41;&#32;&#43;&#32;&#92;&#105;&#110;&#116;&#95;&#92;&#79;&#109;&#101;&#103;&#97;&#32;&#75;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#120;&#125;&#44;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#121;&#125;&#41;&#32;&#92;&#112;&#104;&#105;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#121;&#125;&#41;&#32;&#92;&#44;&#32;&#100;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#121;&#125;&#32;&#61;&#32;&#102;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#120;&#125;&#41;&#44;&#32;&#92;&#113;&#117;&#97;&#100;&#32;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#120;&#125;&#32;&#92;&#105;&#110;&#32;&#92;&#79;&#109;&#101;&#103;&#97;&#44; &#92;&#101;&#110;&#100;&#123;&#101;&#113;&#117;&#97;&#116;&#105;&#111;&#110;&#42;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n<p>where <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-0e42a68047144196ffa9763b964056ac_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#79;&#109;&#101;&#103;&#97;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"12\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> is some region in space, <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-f364c8993052acfc9eddb366fbbb8aef_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#75;&#40;&#92;&#99;&#100;&#111;&#116;&#44;&#92;&#99;&#100;&#111;&#116;&#41;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"47\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/>, <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-725a8141dc45270bed45aab5f9865f93_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#102;&#40;&#92;&#99;&#100;&#111;&#116;&#41;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"29\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/>, and <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-8c9fd10da8a4f65408c2da4bf7a3dca3_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#112;&#104;&#105;&#40;&#92;&#99;&#100;&#111;&#116;&#41;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"29\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/> are functions of one or two arguments on <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-0e42a68047144196ffa9763b964056ac_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#79;&#109;&#101;&#103;&#97;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"12\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/>, and <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-0f7d40a1d536380d1a02024d1b05a991_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#97;&#92;&#110;&#101;&#32;&#48;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"17\" width=\"42\" style=\"vertical-align: -4px;\"\/> is a nonzero constant. Such an integral equation is said to be of the <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Fredholm_integral_equation#Equation_of_the_second_kind\">second kind<\/a>. The integral equation for the Laplace Dirichlet problem (2) is of this form with <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-c990f4385674ef0110a6f2f2489e3b4b_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#79;&#109;&#101;&#103;&#97;&#32;&#61;&#32;&#92;&#112;&#97;&#114;&#116;&#105;&#97;&#108;&#32;&#82;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"13\" width=\"61\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/>, <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-b8d3c51336f3b0c36035451ebccc20db_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#97;&#32;&#61;&#32;&#49;&#47;&#50;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"59\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/>, <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-53e65663eb899d9882b7c9a4f84b82ff_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#75;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#120;&#125;&#44;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#121;&#125;&#41;&#32;&#61;&#32;&#92;&#116;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#92;&#112;&#97;&#114;&#116;&#105;&#97;&#108;&#125;&#123;&#92;&#112;&#97;&#114;&#116;&#105;&#97;&#108;&#32;&#92;&#110;&#117;&#95;&#123;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#121;&#125;&#125;&#125;&#32;&#92;&#108;&#110;&#32;&#92;&#124;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#120;&#125;&#32;&#45;&#32;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#121;&#125;&#92;&#124;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"27\" width=\"190\" style=\"vertical-align: -10px;\"\/>, and <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-4932523db5a64257149e81567cbc3233_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#102;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#120;&#125;&#41;&#32;&#61;&#32;&#117;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#120;&#125;&#41;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"93\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/>. We say the kernel <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-f364c8993052acfc9eddb366fbbb8aef_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#75;&#40;&#92;&#99;&#100;&#111;&#116;&#44;&#92;&#99;&#100;&#111;&#116;&#41;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"47\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/> is <em>separable<\/em> with rank <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-f65286b751f121928913d4aa91d94ee9_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#107;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"9\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> if <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-f364c8993052acfc9eddb366fbbb8aef_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#75;&#40;&#92;&#99;&#100;&#111;&#116;&#44;&#92;&#99;&#100;&#111;&#116;&#41;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"47\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/> can be expressed in the form<\/p>\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 19px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-75a645168a961f02c36dc2aaa2514a7b_l3.png\" height=\"19\" width=\"425\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#98;&#101;&#103;&#105;&#110;&#123;&#101;&#113;&#117;&#97;&#116;&#105;&#111;&#110;&#42;&#125; &#75;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#120;&#125;&#44;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#121;&#125;&#41;&#32;&#61;&#32;&#103;&#95;&#49;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#120;&#125;&#41;&#104;&#95;&#49;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#121;&#125;&#41;&#32;&#43;&#32;&#103;&#95;&#50;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#120;&#125;&#41;&#104;&#95;&#50;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#121;&#125;&#41;&#32;&#43;&#32;&#92;&#99;&#100;&#111;&#116;&#115;&#32;&#43;&#32;&#103;&#95;&#107;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#120;&#125;&#41;&#104;&#95;&#107;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#121;&#125;&#41;&#46; &#92;&#101;&#110;&#100;&#123;&#101;&#113;&#117;&#97;&#116;&#105;&#111;&#110;&#42;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n<p>With the circular domain, the Laplace Dirichlet integral equation (2) is separable with rank <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-b66c50807a61cc34e2c14a3373a1f4e0_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#107;&#32;&#61;&#32;&#49;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"41\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/>.<sup class=\"modern-footnotes-footnote \" data-mfn=\"5\" data-mfn-post-scope=\"000000000000057f0000000000000000_935\"><a href=\"javascript:void(0)\"  role=\"button\" aria-pressed=\"false\" aria-describedby=\"mfn-content-000000000000057f0000000000000000_935-5\">5<\/a><\/sup><span id=\"mfn-content-000000000000057f0000000000000000_935-5\" role=\"tooltip\" class=\"modern-footnotes-footnote__note\" tabindex=\"0\" data-mfn=\"5\">E.g., set <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-c3b0464174e8bf4d15bbf9566cbfe37e_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#103;&#95;&#49;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#120;&#125;&#41;&#32;&#61;&#32;&#49;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"72\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/> and <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-451d36605cc4ad054d9029977d99d88d_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#104;&#95;&#49;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#121;&#125;&#41;&#32;&#61;&#32;&#49;&#47;&#52;&#92;&#112;&#105;&#32;&#114;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"112\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/>.<\/span> We shall focus on the second kind integral equation (10) assuming the kernel is separable with rank <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-27e3598fd2d4f0491067f1afaced92e9_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#49;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"7\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> (for simplicity, we set <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-8075db9c3116604450b7d43da788966c_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#97;&#32;&#61;&#32;&#49;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"41\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/>):<\/p>\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 41px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> (11) <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-89428ad5af359d014840e00faec9a3dc_l3.png\" height=\"41\" width=\"345\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#98;&#101;&#103;&#105;&#110;&#123;&#101;&#113;&#117;&#97;&#116;&#105;&#111;&#110;&#42;&#125; &#92;&#112;&#104;&#105;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#120;&#125;&#41;&#32;&#43;&#32;&#103;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#120;&#125;&#41;&#32;&#92;&#105;&#110;&#116;&#95;&#92;&#79;&#109;&#101;&#103;&#97;&#32;&#104;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#121;&#125;&#41;&#32;&#92;&#112;&#104;&#105;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#121;&#125;&#41;&#32;&#92;&#44;&#32;&#100;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#121;&#125;&#32;&#61;&#32;&#102;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#120;&#125;&#41;&#44;&#32;&#92;&#113;&#117;&#97;&#100;&#32;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#120;&#125;&#32;&#92;&#105;&#110;&#32;&#92;&#79;&#109;&#101;&#103;&#97;&#46; &#92;&#101;&#110;&#100;&#123;&#101;&#113;&#117;&#97;&#116;&#105;&#111;&#110;&#42;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n<p>Let&#8217;s try and write this equation in a way that&#8217;s more similar to the linear system of equation (5). To do this, we make use of <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Operator_(mathematics)\">linear operators<\/a> defined on functions:<\/p>\n\n\n\n<ul class=\"wp-block-list\"><li>Let <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-104233b5ab878658755f9eca8bf8a446_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#111;&#112;&#101;&#114;&#97;&#116;&#111;&#114;&#110;&#97;&#109;&#101;&#123;&#73;&#100;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"16\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> denote the identity operator on functions: It takes as inputs function <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-8c9fd10da8a4f65408c2da4bf7a3dca3_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#112;&#104;&#105;&#40;&#92;&#99;&#100;&#111;&#116;&#41;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"29\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/> and outputs the function <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-8c9fd10da8a4f65408c2da4bf7a3dca3_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#112;&#104;&#105;&#40;&#92;&#99;&#100;&#111;&#116;&#41;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"29\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/> unchanged.<\/li><li>Let <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-039841f6c3678949badc8fda5134eaf9_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#73;&#95;&#104;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"15\" width=\"16\" style=\"vertical-align: -3px;\"\/> denote the &#8220;integration against <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-471140fbd20a10d0f411d52aa20652e4_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#104;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"10\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> operator&#8221;: It takes as input a function <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-8c9fd10da8a4f65408c2da4bf7a3dca3_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#112;&#104;&#105;&#40;&#92;&#99;&#100;&#111;&#116;&#41;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"19\" width=\"29\" style=\"vertical-align: -5px;\"\/> and outputs the number <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-2ce249b915af61cf9e52df9bb497451c_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#105;&#110;&#116;&#95;&#92;&#79;&#109;&#101;&#103;&#97;&#32;&#104;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#121;&#125;&#41;&#92;&#112;&#104;&#105;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#121;&#125;&#41;&#32;&#92;&#44;&#32;&#100;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#121;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"20\" width=\"115\" style=\"vertical-align: -6px;\"\/>.<\/li><\/ul>\n\n\n\n<p>With these notations, equation (11) can be written as<\/p>\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 19px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-091e70628a0b9e4a7a3aeb2521ef4b8b_l3.png\" height=\"19\" width=\"119\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#98;&#101;&#103;&#105;&#110;&#123;&#101;&#113;&#117;&#97;&#116;&#105;&#111;&#110;&#42;&#125; &#40;&#92;&#111;&#112;&#101;&#114;&#97;&#116;&#111;&#114;&#110;&#97;&#109;&#101;&#123;&#73;&#100;&#125;&#32;&#43;&#32;&#103;&#32;&#73;&#95;&#104;&#41;&#32;&#92;&#112;&#104;&#105;&#32;&#61;&#32;&#102;&#46; &#92;&#101;&#110;&#100;&#123;&#101;&#113;&#117;&#97;&#116;&#105;&#111;&#110;&#42;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n<p>Using the same derivation which led to the Sherman\u2013Morrison formula for linear systems of equations, we can apply the Sherman\u2013Morrison formula to this integral equation in operator form, yielding<\/p>\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 45px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-a6e41172ccf6362fa89e2d9b042c3849_l3.png\" height=\"45\" width=\"350\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#98;&#101;&#103;&#105;&#110;&#123;&#101;&#113;&#117;&#97;&#116;&#105;&#111;&#110;&#42;&#125; &#92;&#112;&#104;&#105;&#32;&#61;&#32;&#92;&#108;&#101;&#102;&#116;&#40;&#32;&#92;&#111;&#112;&#101;&#114;&#97;&#116;&#111;&#114;&#110;&#97;&#109;&#101;&#123;&#73;&#100;&#125;&#94;&#123;&#45;&#49;&#125;&#32;&#45;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#92;&#111;&#112;&#101;&#114;&#97;&#116;&#111;&#114;&#110;&#97;&#109;&#101;&#123;&#73;&#100;&#125;&#94;&#123;&#45;&#49;&#125;&#103;&#32;&#73;&#95;&#104;&#32;&#92;&#111;&#112;&#101;&#114;&#97;&#116;&#111;&#114;&#110;&#97;&#109;&#101;&#123;&#73;&#100;&#125;&#94;&#123;&#45;&#49;&#125;&#125;&#123;&#49;&#32;&#43;&#32;&#73;&#95;&#104;&#32;&#92;&#111;&#112;&#101;&#114;&#97;&#116;&#111;&#114;&#110;&#97;&#109;&#101;&#123;&#73;&#100;&#125;&#94;&#123;&#45;&#49;&#125;&#32;&#103;&#125;&#32;&#92;&#114;&#105;&#103;&#104;&#116;&#41;&#102;&#32;&#61;&#32;&#102;&#32;&#45;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#103;&#32;&#40;&#73;&#95;&#104;&#32;&#102;&#41;&#125;&#123;&#49;&#43;&#73;&#95;&#104;&#32;&#103;&#125;&#46; &#92;&#101;&#110;&#100;&#123;&#101;&#113;&#117;&#97;&#116;&#105;&#111;&#110;&#42;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n<p>Therefore, the solution to the integral equation (11) is<\/p>\n\n\n<p><p class=\"ql-center-displayed-equation\" style=\"line-height: 46px;\"><span class=\"ql-right-eqno\"> &nbsp; <\/span><span class=\"ql-left-eqno\"> &nbsp; <\/span><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-9f75242a54f69e60d849ff456bbe1feb_l3.png\" height=\"46\" width=\"303\" class=\"ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format\" alt=\"&#92;&#98;&#101;&#103;&#105;&#110;&#123;&#101;&#113;&#117;&#97;&#116;&#105;&#111;&#110;&#42;&#125; &#92;&#112;&#104;&#105;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#120;&#125;&#41;&#32;&#61;&#32;&#102;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#120;&#125;&#41;&#32;&#45;&#32;&#92;&#102;&#114;&#97;&#99;&#123;&#92;&#105;&#110;&#116;&#95;&#92;&#79;&#109;&#101;&#103;&#97;&#32;&#104;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#121;&#125;&#41;&#32;&#102;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#121;&#125;&#41;&#32;&#92;&#44;&#32;&#100;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#121;&#125;&#125;&#123;&#49;&#32;&#43;&#32;&#92;&#105;&#110;&#116;&#95;&#92;&#79;&#109;&#101;&#103;&#97;&#32;&#104;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#121;&#125;&#41;&#103;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#121;&#125;&#41;&#32;&#92;&#44;&#32;&#100;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#121;&#125;&#32;&#125;&#32;&#103;&#40;&#92;&#109;&#97;&#116;&#104;&#98;&#102;&#123;&#120;&#125;&#41;&#46; &#92;&#101;&#110;&#100;&#123;&#101;&#113;&#117;&#97;&#116;&#105;&#111;&#110;&#42;&#125;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\"\/><\/p><\/p>\n\n\n<p>This can be interpreted as a kind of Sherman\u2013Morrison formula for the integral equation (11).<\/p>\n\n\n\n<p>One can also generalize to provide a solution formula for the second-kind integral equation (10) for a separable kernel with rank <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-f65286b751f121928913d4aa91d94ee9_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#107;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"9\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/>; in this case, the natural matrix analog is now the <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Woodbury_matrix_identity\">Sherman\u2013Morrison\u2013Woodbury identity<\/a> rather than the Sherman\u2013Morrison formula. Note that this solution formula requires the solution of a <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-979373ae59303770cd68d74797bc73f9_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#107;&#92;&#116;&#105;&#109;&#101;&#115;&#32;&#107;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"40\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> system of linear equations. One can use this as a numerical method to solve second-kind integral equations: First, we <a href=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/index.php\/2020\/07\/15\/big-ideas-in-applied-math-smoothness-and-degree-of-approximation\/\">approximate<\/a> <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-8bc9819614418a525aa5b16965b18391_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#75;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"16\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> by a separable kernel of a modest rank <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/wp-content\/ql-cache\/quicklatex.com-f65286b751f121928913d4aa91d94ee9_l3.png\" class=\"ql-img-inline-formula quicklatex-auto-format\" alt=\"&#107;\" title=\"Rendered by QuickLaTeX.com\" height=\"12\" width=\"9\" style=\"vertical-align: 0px;\"\/> and then compute the exact solution of the resulting integral equation with the approximate kernel.<sup class=\"modern-footnotes-footnote \" data-mfn=\"6\" data-mfn-post-scope=\"000000000000057f0000000000000000_935\"><a href=\"javascript:void(0)\"  role=\"button\" aria-pressed=\"false\" aria-describedby=\"mfn-content-000000000000057f0000000000000000_935-6\">6<\/a><\/sup><span id=\"mfn-content-000000000000057f0000000000000000_935-6\" role=\"tooltip\" class=\"modern-footnotes-footnote__note\" tabindex=\"0\" data-mfn=\"6\">A natural question is why one might want to solve an integral equation formulation of a partial differential equations like the Laplace or Helmholtz equation. An answer is that that formulations based on second-kind integral equations tend to lead to systems of linear equations which much more <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Condition_number\">well-conditioned<\/a> as compared to other methods like the <a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Finite_element_method\">finite element method<\/a>. They have a number of computational difficulties as well, as the resulting linear systems of equations are dense and may require elaborate quadrature rules to accurately compute.<\/span>\n\n\n\n<p>My goal in writing this post was to discuss two topics which are both near and dear to my heart, integral equations and the Sherman\u2013Morrison formula. I find the interplay of these two ideas to be highly suggestive. It illustrates the power of the analogy between infinite-dimensional linear equations, like differential and integral equations, and finite-dimensional ones, which are described by matrices. Infinite dimensions certainly do have their peculiarities and technical challenges, but it can be very useful to first pretend infinite-dimensional linear operators (like integral operators) are matrices, do calculations to derive some result, and then justify these computations rigorously <em>post hoc<\/em>.<sup class=\"modern-footnotes-footnote \" data-mfn=\"7\" data-mfn-post-scope=\"000000000000057f0000000000000000_935\"><a href=\"javascript:void(0)\"  role=\"button\" aria-pressed=\"false\" aria-describedby=\"mfn-content-000000000000057f0000000000000000_935-7\">7<\/a><\/sup><span id=\"mfn-content-000000000000057f0000000000000000_935-7\" role=\"tooltip\" class=\"modern-footnotes-footnote__note\" tabindex=\"0\" data-mfn=\"7\">The utility of this technique is somewhat of an open secret among some subset of mathematicians and scientists, but such heuristics are usually not communicated to students explicitly, at least in rigorous mathematics classes.<\/span>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>In this post, I want to discuss two of my favorite topics in applied mathematics: the Sherman\u2013Morrison formula and integral equations. As a bridge between these ideas, we&#8217;ll use an integral equation analog of the Sherman\u2013Morrison formula to derive the solution for the Laplace equation with Dirichlet boundary conditions in the 2D disk. Laplace&#8217;s Equation<a class=\"more-link\" href=\"https:\/\/www.ethanepperly.com\/index.php\/2022\/07\/11\/sherman-morrison-for-integral-equations\/\">Read more<\/a><\/p>\n","protected":false},"author":1,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"footnotes":""},"categories":[6],"tags":[],"class_list":["post-935","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-expository"],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.ethanepperly.com\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/935","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.ethanepperly.com\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.ethanepperly.com\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.ethanepperly.com\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/users\/1"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.ethanepperly.com\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=935"}],"version-history":[{"count":61,"href":"https:\/\/www.ethanepperly.com\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/935\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":1184,"href":"https:\/\/www.ethanepperly.com\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/935\/revisions\/1184"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.ethanepperly.com\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=935"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.ethanepperly.com\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=935"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.ethanepperly.com\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=935"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}