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理解,讓我們回到格林函式的問題(方程 6)。
L?G(x,x')=δ(x-x')
或者如果運算元是自伴隨的:
LG(x,x')=δ(x-x')
如果δ函式類似於 1 或恆等函式,那麼格林函式似乎類似於線性運算元 L 的逆。
為了更清楚地看到這一點,讓我們回到原始問題,
Lu(x)=f(x)
如果格林函式類似於 L 的逆,如果乘以 G,即與格林函式取內積,則可以“撤銷” L 的作用並求解 u。
方程 20:
<G,Lu>=<G,f>
根據伴隨的定義(方程 7),我們可以將 L 作用於 u 替換為 L 的伴隨作用於 G。根據格林函式的定義,這與δ函式相同。
方程 21:
<G,Lu>=<L?G,u>=(δx,u)=U(x)
對於右手邊:
方程 22:U(x)=<G,f>=∫G(x,x')f(x)'dx
就是這樣。如果格林函式 G,我們透過與源函式 f 取積分來求解 u,類似於用 L 的逆乘以 f。
方程 23:
G∽L^-1
需要明確的是,像與普通乘法的卷積一樣,這並不是一個完美的等價。L 甚至可能是不可逆的,但仍然可以有格林函式。這更多是一種關於 G 的“操作性”思考方式。
你應該開始看到格林函式的威力了。如果我們直接解原始問題,我們只需要解一個特定的源函式。對於格林函式,我們可以求解任意選擇的源,但是要“反轉”運算元L。
關於格林函式的一個重要細節是它們總是至少有兩個引數的函式,我們稱其為x和x ' G(x, x ')格林函式似乎是一種將x '處的源和x處的解聯絡起來的方法,我們在x處求解u的值。
看看方程 22 的右手邊,你可以看到積分接近卷積的形式。如果 G(x, x′ ) = G(x–x ′ ),它將是精確的。事實證明,如果線性運算元 L 具有平移對稱性,通常會出現這種情況。例如,當運算元是常數係數的導數之和時,如拉普拉斯運算元。在這些情況下,確實有一個完全的卷積。
方程 24:
U(x)=∫G(x-x')f(x')dx=G*f
引入物理
舊電壓表
我們可以用數學的方式來考慮格林函式作為運算元的逆函式,當我們在求內積時,把函式看成是1。但我們如何從物理上理解格林函式呢?
說明這一點的最簡單方式是用一個例子。讓我們為泊松方程求解格林函式(上述方程 3)。回想一下,我們試圖找到電勢(電壓),給定空間中的某些電荷分佈,後者我們用電荷密度 p(r) 表示。
泊松方程:
-▽^2V(r)=e0^-1p(r)
其中 ?0 是一個常數,稱為自由空間的電容率。
這是一個“靜電”問題。我們假設電荷不動。沒有電流存在,否則除了電勢,我們還需要考慮磁勢來完全解出這個方程組。
雖然這是一個簡化,但這仍然是一個非常困難的問題,所以找到格林函式是值得的。不僅如此,這實際上是一個物理電荷分佈。如果我們考慮一個電子,它只是一個帶電荷的點。它的密度是
方程 25 電子的電荷密度:
p(r)=-eδ(r)
相比之下,質子是一個複合粒子。我們可以使用量子力學為其指定一個有效的“大小”,但幾乎在所有實際應用中,它同樣只是一個帶有正電荷 +e 的點,具有相同的δ函式電荷密度。
同樣的考慮可以應用於大多數實際尺度的整個原子,例如,耳機或麥克風中的釹離子具有近似的電荷密度:
釹離子(Nd+3)的電荷密度。
p(r)=+3eδ(r)
因為釹喜歡失去3個電子。
這告訴我們的是,泊松方程的格林函式是點電荷的電勢,模取常數。
由於任意電荷分佈按定義是點電荷的總和,且因為泊松方程是線性的,因此電勢是具有權重因子 p(r) 的格林函式的總和。
這就是我們對函式的數學理解作為一種“單位向量”的由來。一般來說,求解格林函式類似