偏微分方程

達朗貝爾解

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無限長弦上的波究竟在做什麼?在任何級數或變換之前,一維波動方程有一個驚人乾淨的答案,由讓·勒朗·達朗貝爾在 1747 年發現:最一般的解不過是兩個固定的形狀,一個以波速 c 向右滑、一個向左滑,二者相加。沒有任何東西原地振盪;一切都在平移。

波動方程 u_tt = c^2 u_xx 的通解是 u(x, t) = F(x - c t) + G(x + c t),其中 F 與 G 是任意(二次可微)函數。組合 x - c t 沿一個向右移動的觀察者保持常數,所以 F(x - c t) 是一個以速度 c 向右剛性行進的形狀;同理 G(x + c t) 向左行進。給定初始形狀 u(x, 0) = phi(x) 與初始速度 u_t(x, 0) = psi(x),這兩個未知函數被顯式釘住,給出達朗貝爾公式:u(x, t) = (1/2)[phi(x - c t) + phi(x + c t)] + (1/(2c)) 乘以 psi(s) 從 x - c t 到 x + c t 的積分。用話說:(x, t) 處的位移,是初始形狀在左右各距 c t 的兩點處取值的平均,加上初始速度在二者之間區間上積分的貢獻。

這個公式是把雙曲結構和盤托出的最乾淨的例證。它直接展示有限傳播速度:(x, t) 處的解只依賴於區間 [x - c t, x + c t] 內的初始數據,即它的依賴域,而與區間外的一切無關。它解釋了為什麼撥動的弦會分裂成兩個反向奔跑的脈衝,也是檢驗波動數值求解器的精確閉式基準。在有限長弦上,同一思想通過波在邊界處反射來實現,那正是與駐波傅立葉級數對偶的行波圖景。

一根從靜止釋放(psi = 0)、帶初始凸包 phi 的無限弦,其解為 u(x, t) = (1/2)[phi(x - c t) + phi(x + c t)]:凸包分裂成兩個半高的副本,一個向左跑、一個向右跑,各自剛性而不變。

從靜止釋放,初始形狀就一分為二並向兩側奔跑——這是達朗貝爾公式的標誌圖景。

達朗貝爾公式乾淨地適用於一維波動方程;在偶數空間維(如二維表面上的波)裡,類比的解沒有尖銳的後沿,所以平面裡的一聲閃響不會給出乾淨的回聲——簡單的行波圖景是奇數維所特有的。

又稱
travelling-wave solutiond'Alembert formula行波解达朗贝尔公式