格林函數與基本解

逆算子的核(kernel of an inverse operator)

這裡有最乾淨的方式來說明格林函數到底是什麼。微分算子 L 透過微分把一個函數變成另一個函數。解 L u = f 就是把這件事逆轉——對 f 施用逆算子 L^(-1) 以還原 u。美妙的事實是:這個逆不是另一個微分算子,而是一個積分算子,而它的「矩陣元」構成一個兩變數的函數。那個函數就是格林函數:它是 L^(-1) 的積分核。

用線性代數來類比。若 L 是一個矩陣,解 L u = f 就是 u = L^(-1) f,一個求和 u_i = sum over j of (L^(-1))_ij f_j。從有限多個指標 i, j 過渡到連續的位置 x, y,求和變成積分、矩陣元 (L^(-1))_ij 變成核 G(x, y):u(x) = integral of G(x, y) f(y) dy。對照之下,G(x, y) 恰好扮演逆矩陣元的角色,即 L^(-1) 的 (x, y) 元。這正是為什麼 L G(., y) = delta(. - y)——那個方程是 L L^(-1) = I 的連續版本,因為 delta 是連續的單位矩陣(delta(x - y) 是恆等算子的核)。互易性 G(x, y) = G(y, x) 於是就是「對稱矩陣的逆是對稱的」這一陳述。

這樣看格林函數能統一一切:解 PDE 就是化身的矩陣求逆;表示公式不過是把 u = L^(-1) f 寫開;譜表示就是把 L 對角化(特徵函數是特徵向量)並逐一特徵值地求逆;預解算子是 (L - lambda)^(-1) 的核。提醒仍舊是:逆必須存在:若 L 有非平凡的零空間(一個滿足邊界條件的齊次解,即零是特徵值),它就不可逆,也沒有普通的格林函數——你需要一個修正格林函數,只在那零空間的補空間上對 L 求逆,恰如奇異矩陣只有偽逆。

把 -u'' = f 在格點上離散化,L 就變成三對角的二階差分矩陣。它的逆是一個滿矩陣,其 (i, j) 元是一個離散帳篷函數——離散格林函數——而當格點加密,這些元收斂到連續核 G(x, y)。

格林函數=逆算子的 (x, y) 元。

若 L 有非平凡零空間(零是特徵值)就不可逆,普通格林函數不存在——只有在那零空間之外對 L 求逆的修正格林函數,恰如奇異矩陣只有偽逆。

又稱
integral kernelGreen's function as inverse kernel積分核逆算子核