格林函數與基本解

對點源的回應(response to a point source)

在鼓面上某一點敲一下、又快又重,然後聽:傳出的聲音就是鼓對那一下的回答。如果你知道系統對「單一一下尖銳敲擊」如何回答,就能預測它對任意敲打節奏的回答,因為任何節奏不過是許多在不同時間、不同位置、不同力度的敲擊,而線性系統只是把各自的回答相加。對點源的回應,正是每個格林函數背後的核心想法:對一次理想化的戳一下把問題解一次,你就把它對所有源都解了。

那個理想化的戳,就是狄拉克 δ:delta(x - y)——完全集中在點 y 的源,總強度為一、寬度為零。系統的回答是 G(x, y),即在 x 處感受到的、對位於 y 的單位源的回應;這正是算子方程 L G(., y) = delta(. - y) 所要求的。魔法在於疊加。把一般源 f 寫成點源的連續和:f(x) = integral of f(y) delta(x - y) dy。對每一個點源施以同一個回答、以 f(y) 加權,再相加:解就是 u(x) = integral of G(x, y) f(y) dy。所以「對一個 delta 求解,再與真正的源做積分」一句話就是整個方法。

為何重要:它把「解微分方程」轉化為「做積分」。它也給了答案一個物理讀法——u(x) 字面上就是每一小塊源 f(y) 的影響的總和,每一塊都透過通道 G(x, y) 被感受到。陷阱在於這方法建立在線性(疊加)之上,也建立在 delta 是合法理想化之上;對非線性方程你不能把回應相加,點源法不適用。也要注意 delta 是分布而非函數——沒有任何普通函數能在除一點外處處為零、卻又積分為一——所以這要在分布的語言中才嚴格成立。

一條兩端固定的弦,在單一點 y 受到單位力推壓,會垂成一個帳篷形 G(x, y)。改用分布載重 f 來推,垂度就是 u(x) = integral of G(x, y) f(y) dy——把那些帳篷形相加起來。

載重的每一點各自貢獻一個帳篷形;撓度就是它們的總和。

讓這方法成立的是疊加原理,所以它嚴格上只適用於線性問題;對非線性 PDE,回應不能單純相加,也沒有點源捷徑。

又稱
impulse responsepoint-source response脈衝回應點源回應