格林函數與邊值問題

跳躍條件(jump condition)

想像你在一點處捏住一根繃緊的弦並向側面拉。弦保持連續——它不會撕裂——但在捏點處出現一個尖角:左側的斜率與右側的斜率不同。這個突然的折彎是點力可見的指紋,而跳躍條件正是規定這折彎必須有多大的法則。

它是為常微分方程構造格林函數的裝置。要解 L G = delta(x - s),你注意到在遠離源點 s 處右端為零,於是 G 在兩側各自滿足齊次方程——在 x < s 取滿足左邊界的齊次解,在 x > s 取滿足右邊界的齊次解。再用兩個條件在 x = s 處把它們拼接。其一,G 在該處連續。其二,把 L G = delta 在 s 周圍一段無窮小區間上積分,表明最高階導數必須跳躍:對 L = -d/dx(p dG/dx) + ...,斜率滿足 G'(s+) - G'(s-) = -1/p(s)。連續性加上這個規定的導數跳躍就定下兩個未知常數,從而完成 G。

跳躍條件正是狄拉克 delta 具體發揮作用的地方。delta 本身不可見,只能通過它強加於某階導數的不連續來顯現;這個不連續的大小由 L 中最高階導數的係數決定。同樣的帳目在物理各處重現:面電荷處靜電勢斜率的折彎、量子力學中 delta 勢處波函數導數的跳躍、點載荷下橫樑斜率的拐角。

對於 [0, 1] 上 -G'' = delta(x - s),邊界 G(0) = G(1) = 0:取 x < s 時 G = A x,x > s 時 G = B(1 - x)。在 s 處連續給出 A s = B(1 - s);跳躍 G'(s+) - G'(s-) = -1 給出 -B - A = -1。解得 A = 1 - s,B = s,恢復出 x < s 時 G(x, s) = x(1 - s)。

連續性加上一階導數的單位跳躍定下兩個常數——這是常微分方程格林函數的標準配方。

哪一階導數發生跳躍取決於算子的階數:對二階 L,函數保持連續,只有一階導數跳躍。對四階橫樑算子,函數及其前兩階導數保持連續,三階導數跳躍——使用條件前先從 L 讀出階數。

又稱
matching condition at the source导数跳跃条件導數跳躍條件