格林函數與邊值問題
基本解(fundamental solution)
如果說格林函數是有邊界系統的響應,那麼基本解就是同一個算子在完全沒有邊界時的響應——微分算子對置於無界空間(或無界時空)中單個點源的赤裸答案。它是最純粹的基石:一個無限、無特徵的介質被戳一次時會做什麼。
確切地說,線性算子 L(設為常係數)的基本解是任何滿足全空間方程 L E = delta、且不施加任何邊界條件的分布 E。對三維拉普拉斯算子 L = -nabla^2,基本解是 E = 1/(4 pi r),即單位點電荷熟悉的庫侖勢;在二維則是 -(1/(2 pi)) ln r。對熱算子,它是隨時間擴散的高斯熱核;對波算子,它是編碼惠更斯原理的膨脹球殼。由於沒有邊界來定住它,基本解僅在相差一個齊次方程解 L v = 0 的意義下唯一。
基本解是線性偏微分方程理論的萬能鑰匙。有界區域的完整格林函數,是取基本解再加以修正而建成的——用鏡像法,或加上一個齊次解——使其滿足邊界條件。它們還給出存在性:把基本解與任何合理的源 f 卷積,就產生 L u = f 的一個特解 u = E * f。在物理中,它們就是把影響從時空一點帶到處處的傳播子(熱、薛定諤、波)。
在三維中,-nabla^2 (1/(4 pi r)) = delta。你可以在原點之外(那裡 1/r 是調和的)驗證,並通過在一個小球上對 -nabla^2(1/(4 pi r)) 積分、再用散度定理來確認 delta:-grad(1/(4 pi r)) 穿過球面的通量恰為 1。
1/(4 pi r) 是單位點電荷的靜電勢——物理學給拉普拉斯算子基本解起的名字。
基本解與格林函數常被籠統當作同義詞,但精確的區別在邊界:基本解忽略邊界(自由空間),而格林函數是經修正以滿足特定區域上特定邊界條件的基本解。
又稱
另見